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Mesures rhéologiques en temps réel des masses fondues de polymères

Introduction

Les polymères sont passés de substituts bon marché aux produits naturels à des options de haute qualité pour une variété d'applications industrielles en raison de leur faible coût, de leur gamme de propriétés (résistance chimique élevée, résistance à la température élevée, rapport résistance / poids élevé) et facilité d'utilisation. de traitement. Ils sont utilisés pour l’emballage sous film de formes moulées solides pour les pièces de carrosserie d’automobile, les meubles de télévision, les pièces d’avions, les mousses pour les gobelets à café et les isolants de réfrigérateur, les fibres pour vêtements et tapis, les adhésifs, le caoutchouc pour pneus et tubes, les peintures et autres autres applications.

L’extrusion de polymères nécessite beaucoup d’énergie, et le contrôle en temps réel de la consommation d’énergie et de la qualité de la matière fondue est devenu indispensable pour respecter les nouvelles réglementations en matière de carbone et survivre sur le marché hautement concurrentiel des plastiques.

extrusion de polymères

Application

Les polymères subissent un moulage par injection, un moulage par compression ou une extrusion, qui nécessitent tous de forcer un polymère à prendre une forme. Le traitement consomme toutefois beaucoup d'énergie. Au Royaume-Uni, les coûts de l’électricité pour le traitement des matières plastiques s’élèvent à environ 4 millions de livres sterling par an. Une réduction de la consommation d'électricité entraînerait des économies énormes et une réduction significative du fardeau environnemental.

L'énergie consommée lors du traitement du polymère peut être divisée en deux aspects: le système de gestion de l'énergie de haut niveau et le contrôle des machines de bas niveau. Pour le système de gestion de l'énergie de haut niveau, la gestion et la maintenance des processus peuvent permettre de réduire d'environ% le% d'utilisation d'énergie. Sans la bonne gestion des processus, des paramètres de fonctionnement non optimaux tels que le chauffage thermique, le refroidissement et la vitesse de traitement en cas d'extrusion de polymères contribuent à un énorme gaspillage d'énergie.

La densité et la viscosité des polymères fondus sont des paramètres physicochimiques très importants dans un procédé de fabrication de polymères. Ce sont des facteurs très importants qui affectent les coûts de production et la rentabilité du processus de fabrication. Les polymères subissent un moulage par injection, un moulage par compression ou une extrusion, qui nécessitent tous de forcer un polymère à prendre une forme.

La caractérisation en ligne des matériaux montre une popularité croissante parmi les chercheurs qui travaillent à améliorer les performances de nombreux procédés de fabrication existants ainsi que de nouveaux procédés. Les avantages associés à l'application de ces techniques peuvent être directement liés à une amélioration de la qualité et à une réduction des coûts de production. Les mesures rhéologiques peuvent être utilisées pour la caractérisation des matériaux, la détermination de la processabilité et comme données d'entrée pour des simulations sur ordinateur. La rhéologie présente des avantages par rapport à d'autres méthodes en raison de sa sensibilité à certains aspects de la structure, tels que la queue de haut poids moléculaire et la ramification. Dans de nombreux cas, la caractérisation rhéologique est beaucoup plus rapide que ses homologues.

Dans le processus d'extrusion, la densité du produit est le facteur le plus déterminant pour les coûts de production et la rentabilité globale du processus de fabrication. Une réduction de la densité réduit les coûts de la matière première. Cependant, si la densité du produit est maintenue trop faible, cela dégrade les propriétés mécaniques et la précision géométrique. Par conséquent, un équilibre critique est essentiel pour réduire les coûts des matériaux tout en maintenant une résistance et une précision adéquates. La densité de la mousse de PVC peut être contrôlée en faisant varier le type et la quantité d'additifs composés, les paramètres de traitement (température, vitesse de la vis) ou les deux.

L'objectif principal de l'ajustement continu des paramètres de fonctionnement est de garantir une qualité de fusion constante. Des recherches ont montré que la viscosité à l'état fondu est probablement le meilleur indicateur de la qualité à l'état fondu (Cogswell, 1981). Pour les matériaux plus visqueux, il faut fournir plus de force et ajuster d'autres conditions, comme la température. Les fabricants doivent comprendre attentivement ces informations pour garantir des conditions appropriées et une meilleure utilisation des ressources. Pour optimiser les paramètres de fonctionnement, une surveillance en temps réel de la viscosité à l'état fondu est nécessaire.

Défis

Les techniques d'extrusion les plus utilisées sont l'extrusion à une ou à deux vis. Les granules de plastique sont poussés par une vis se déplaçant de la zone d’alimentation vers la matrice, et les granules fondent avec la chaleur produite par la contrainte de cisaillement et le chauffage du cylindre.

Application liée

La plupart des matériaux polymères présentent un comportement extrêmement compliqué, en particulier en cas de fusion de polymères. L'application nécessite des mesures dans des conditions très difficiles - à haute pression (50-100 MPa) et à haute température (environ 150-300 ° C). En HPHT, il existe un risque élevé de problèmes de précision et de fiabilité.

Problèmes liés à la surveillance de processus avec la consommation d'énergie du moteur

Peu de sociétés de traitement du plastique surveillent la consommation électrique du moteur de l'extrudeuse pour étudier la stabilité de la masse fondue, la qualité du produit final et l'efficacité énergétique. Cependant, il y a peu de défis avec cette technique:

  • L'installation de compteurs d'électricité pour chaque extrudeuse est coûteuse et des modèles mathématiques basés sur des paramètres de processus pourraient constituer une meilleure alternative.
  • Les modèles existants dépendent fortement de la géométrie des extrudeurs et des matériaux polymères, il est difficile d'utiliser le même modèle sur différents cas d'utilisation sans formation supplémentaire.

Problèmes liés à la surveillance du processus avec la pression de fusion

Dans l'industrie, la pression de fusion à proximité de la pointe de la vis est généralement considérée comme le principal indicateur de la qualité de la fusion. Peu de limitations avec cette technique:

  • On sait que la pression est proportionnelle à la vitesse de la vis, mais elle est également légèrement affectée par la température de fusion, la géométrie de la vis et le matériau polymère en cours de traitement.
  • Une pression de fusion instable provoque des fluctuations du débit et des variations de la qualité du produit final.

Limites des techniques traditionnelles de mesure de la viscosité

Le comportement rhéologique de la plupart des matériaux polymères est assez complexe. La viscosité dépend à la fois du cisaillement et de l’histoire thermique. Souvent, la viscosité du polymère est mesurée hors ligne. Un échantillon de composé polymère est fondu et placé dans un tube capillaire spécial (viscosimètre de verre) ou en incorporant un tube capillaire monté parallèlement à l'extrudeuse lors de mesures en ligne. Les deux techniques impliquent des retards importants résultant du temps nécessaire à la fusion à travers les lignes de transit et le capillaire. Dans certains cas, des viscosimètres sont montés sur les lignes d'extrusion. Ils mesurent la contrainte exercée sur la paroi de la filière en mesurant la chute de pression le long d'une fente ou d'un capillaire, et le débit est mesuré à l'aide d'un débitmètre supplémentaire. Bien que ces méthodes produisent des mesures de viscosité plus pertinentes pour le processus d'extrusion, le débitmètre perturbe souvent le flux de matière fondue, modifiant ainsi les caractéristiques de l'écoulement d'origine.

Les viscosimètres mécaniques et électromécaniques conventionnels conçus principalement pour les mesures en laboratoire sont difficiles à intégrer dans l'environnement de contrôle et de surveillance. La méthodologie actuelle de test dans des laboratoires hors site n'est ni optimale ni coûteuse en raison des défis logistiques liés à l'expédition et des coûts fixes élevés. Les changements complexes intervenant à l'intérieur d'un moteur ou d'un compresseur ne peuvent souvent pas être déterminés à partir d'un échantillon d'huile de routine, car les données représentées par un tel échantillon représentent simplement un instantané de l'état de l'huile au moment du prélèvement de l'échantillon et que l'instrumentation conventionnelle peut être affectée par taux de cisaillement, température et autres variables.

Pourquoi la mesure de rhéologie en ligne en temps réel est-elle importante?

La surveillance en ligne et en temps réel de la viscosité en temps réel dans le processus de production de polymères présente plusieurs avantages, du point de vue des coûts, de l'environnement et de la logistique. C'est un excellent outil de caractérisation des matériaux et de résolution de problèmes divers. Les principaux avantages sont les suivants:

Avantages économiques et logistiques, coûts de production réduits: L'analyse en ligne de la viscosité réduirait le nombre d'échantillons envoyés aux laboratoires hors site, ainsi que les coûts impliqués. Les résultats continus des analyses sur site réduiraient également la main-d'œuvre / les coûts d'expédition et les erreurs d'échantillonnage.

Les mesures de rhéologie peuvent aider à dépanner pendant le traitement du polymère et à réduire les erreurs:

  • Peau de requin: Les matériaux qui ne sont pas très fins au cisaillement sont sujets à la peau de requin à un débit relativement faible. Les informations de viscosité du matériau à la température de traitement (dans la région des lèvres) peuvent être essentielles pour réduire la contrainte de cisaillement, augmenter la température de la matrice ou utiliser des additifs qui favorisent le glissement et évitent le défaut.
  • Instabilité de la bulle dans le soufflage du film: Une faible résistance à la fusion du matériau peut être à l'origine de ce défaut. Les valeurs de viscosité et / ou de résistance à la fusion des matériaux peuvent être utilisées pour comparer la stabilité des bulles de différents matériaux et choisir le bon matériau pour l’application. Le refroidissement peut aider à réduire la température de la bulle et ainsi augmenter la résistance à la fusion.
  • Mauvais mélange de deux polymères: Lorsque la différence de viscosité entre les deux polymères à mélanger est importante (par exemple sur des durées 5), le mélange est extrêmement difficile car la contrainte de cisaillement exercée par la matrice sur la phase dispersée de viscosité supérieure n'est pas assez importante pour provoquer la rupture. L'action corrective consisterait à utiliser une matrice de viscosité plus élevée.

Amélioration de la qualité du produit final: Les mesures rhéologiques de la matière première et du produit final peuvent caractériser les propriétés du produit telles que la résistance aux chocs, l'optique, le gauchissement, la fragilité, etc. Une surveillance continue peut aider à détecter toute modification ou dégradation susceptible de se produire pendant le processus d'extrusion.

Utilisation réduite d'énergie: Pour optimiser les paramètres de fonctionnement, une surveillance en temps réel de la viscosité de la masse fondue est requise. Une utilisation optimale des ressources et de l'électricité dans la production avec un contrôle strict des processus est assurée par des mesures rhéologiques en ligne en temps réel.

Sécurité accrue des travailleurs: D'autres facteurs tels que les exigences en matière de santé et de sécurité lors de l'utilisation de solvants, la protection de l'environnement et la nécessité de faire effectuer ces tests à un personnel spécialisé (qui doit être effectué en laboratoire) ajoutent à la grande popularité de la méthode sans solvant.

Temps de réponse plus rapides: Une analyse de la viscosité (et de la densité) in situ réduirait / éliminerait le délai entre l'échantillonnage et la réception d'une réponse du laboratoire.

Environnement: L'utilisation de ressources peut être optimisée grâce à des systèmes de surveillance en ligne, ce qui permet de réduire le gaspillage, ce qui est bon pour l'environnement. Durabilité accrue grâce à la réduction des émissions.

Solutions Rheonics

La mesure automatisée de la viscosité en ligne en temps réel est essentielle à la production de polymères. Rheonics propose les solutions suivantes, basées sur un résonateur à torsion équilibré, pour le contrôle et l'optimisation de processus dans le traitement des polymères:

  1. En ligne Viscosité des mesures: Rhéonique SRV est un dispositif de mesure de viscosité en ligne à large plage avec mesure de température de fluide intégrée et capable de détecter les changements de viscosité dans n'importe quel flux de processus en temps réel.
  2. En ligne Viscosité et densité des mesures: Rhéonique SRD est un instrument de mesure simultané en ligne de la densité et de la viscosité avec mesure de la température du fluide intégrée. Si la mesure de la densité est importante pour vos opérations, SRD est le meilleur capteur pour répondre à vos besoins, avec des capacités opérationnelles similaires à celles du SRV ainsi que des mesures de densité précises.

La mesure automatisée de la viscosité en ligne via SRV ou un SRD élimine les variations dans les techniques de prélèvement d'échantillons et de laboratoire utilisées pour la mesure de la viscosité par les méthodes traditionnelles. Le capteur est situé en ligne de sorte qu'il mesure en permanence la viscosité (et la densité en cas de DDR). L'utilisation d'un SRV / SRD pour la surveillance de processus peut améliorer la productivité et augmenter les marges bénéficiaires. Les deux capteurs ont un facteur de forme compact pour une installation OEM simple et ultérieure. Ils ne nécessitent aucune maintenance ou reconfiguration. Les deux capteurs offrent des résultats précis et reproductibles, quel que soit le lieu ou le lieu de montage, sans avoir besoin de chambres spéciales, de joints en caoutchouc ou de protections mécaniques. N'utilisant aucun consommable, SRV et SRD sont extrêmement faciles à utiliser.

Facteur de forme compact, pas de pièces mobiles et ne nécessite aucun entretien

Les SRV et SRD de Rheonics ont un facteur de forme très réduit pour une installation OEM simple et ultérieure. Ils permettent une intégration facile dans tout flux de processus. Ils sont faciles à nettoyer et ne nécessitent aucun entretien ni reconfiguration. Leur faible encombrement permet l'installation Inline dans n'importe quelle ligne de processus, évitant ainsi tout espace supplémentaire ou tout besoin en matière d'adaptateur.

Haute stabilité et insensible aux conditions de montage: toute configuration possible

Les SRV et SRD de Rheonics utilisent un résonateur coaxial breveté unique, dans lequel deux extrémités des capteurs se tordent dans des directions opposées, annulant les couples de réaction sur leur montage et les rendant ainsi totalement insensibles aux conditions de montage et aux débits. Ces capteurs peuvent facilement faire face à une relocalisation régulière. L'élément capteur se trouve directement dans le fluide, sans boîtier spécial ni cage de protection requise.

Relevés instantanés précis des conditions de processus - Vue d'ensemble complète du système et contrôle prédictif

Le logiciel de Rheonics est puissant, intuitif et facile à utiliser. La viscosité en temps réel peut être surveillée sur un ordinateur. Plusieurs capteurs sont gérés à partir d’un seul tableau de bord réparti dans l’usine. Aucun effet de la pulsation de pression du pompage sur le fonctionnement du capteur ou la précision de la mesure. Insensible aux chocs, aux vibrations ou aux conditions d'écoulement.

Installation facile et aucune reconfiguration / recalibration nécessaire

Remplacez les capteurs sans remplacer ou reprogrammer l'électronique, remplacez les capteurs et l'électronique sans aucune mise à jour du micrologiciel ou changement de coefficient d'étalonnage. Montage facile. Se visse dans le filetage NPT ¾ ”du raccord de ligne d'encre. Pas de chambres, joints toriques ou joints. Facilement enlevé pour le nettoyage ou l'inspection. SRV disponible avec bride et connexion tri-clamp pour un montage et un démontage faciles.

Basse consommation énergétique

Alimentation CC 24V avec une consommation de courant inférieure à 0.1 A en fonctionnement normal

Temps de réponse rapide et viscosité compensée en température

L'électronique ultra-rapide et robuste, associée à des modèles informatiques complets, fait des dispositifs Rheonics l'un des plus rapides et des plus précis du secteur. SRV et SRD fournissent des mesures en temps réel et précises de la viscosité (et de la densité pour les SRD) toutes les secondes et ne sont pas affectées par les variations de débit!

Large capacité opérationnelle

Les instruments Rheonics sont conçus pour effectuer des mesures dans les conditions les plus difficiles. SRV dispose de la plage opérationnelle la plus large du marché des viscosimètres à process en ligne:

  • Plage de pression jusqu'à 5000 psi
  • Plage de température de -40 à 200 ° C
  • Plage de viscosité: 0.5 cP à 50,000 cP

SRD: Instrument unique, triple fonction - viscosité, température et densité

Le SRD de Rheonics est un produit unique qui remplace trois instruments différents pour les mesures de viscosité, de densité et de température. Il élimine la difficulté de co-localiser trois instruments différents et fournit des mesures extrêmement précises et reproductibles dans les conditions les plus difficiles.

Nettoyer en place (CIP)

SRV (et SRD) surveillent le nettoyage des lignes en contrôlant la viscosité (et la densité) du solvant pendant la phase de nettoyage. Le capteur détecte tout résidu, ce qui permet à l'opérateur de décider quand la ligne sera propre. SRV fournit également des informations au système de nettoyage automatisé pour assurer un nettoyage complet et reproductible entre les cycles, contrairement aux capillaires en verre.

Conception et technologie de capteur supérieures

Des composants électroniques sophistiqués et brevetés de la génération 3rd pilotent ces capteurs et évaluent leur réponse. SRV et SRD sont disponibles avec des raccords de process standard tels que like ”NPT et 1” permettant aux opérateurs de remplacer un capteur de température existant dans leur chaîne de traitement par SRV / SRD, fournissant ainsi des informations précieuses et exploitables sur les fluides de process, telles que la viscosité, en plus d'une mesure précise. de température en utilisant un Pt1000 intégré (DIN EN 60751 classe AA, A, B disponible).

Électronique construite pour répondre à vos besoins

Disponible à la fois dans un boîtier de transmetteur antidéflagrant et dans un montage sur rail DIN compact, le système électronique du capteur permet une intégration aisée dans les canalisations de processus et dans les armoires d'équipement des machines.

 

Facile à intégrer

Les multiples méthodes de communication analogiques et numériques implémentées dans l'électronique du capteur permettent une connexion simple et directe à des automates industriels et à des systèmes de contrôle.

 

Conformité ATEX et IECEx

Rheonics propose des capteurs de sécurité intrinsèque certifiés ATEX et IECEx pour une utilisation dans des environnements dangereux. Ces capteurs sont conformes aux exigences essentielles de sécurité et de santé relatives à la conception et à la construction des équipements et des systèmes de protection destinés à être utilisés dans des atmosphères potentiellement explosives.

Les certifications intrinsèquement sûres et antidéflagrantes détenues par Rheonics permettent également de personnaliser un capteur existant, ce qui permet à nos clients d’éviter le temps et les coûts associés à l’identification et au test d’une solution de remplacement. Des capteurs personnalisés peuvent être fournis pour les applications nécessitant une unité allant jusqu'à plusieurs milliers d'unités. avec des délais de plusieurs semaines.

Rhéonique SRV & SRD sont tous deux certifiés ATEX et IECEx.

Certifié ATEX (2014 / 34 / EU)

Les capteurs à sécurité intrinsèque certifiés ATEX de Rheonics sont conformes à la directive ATEX 2014/34 / UE et sont certifiés pour la sécurité intrinsèque à Ex ia. La directive ATEX spécifie les exigences minimales et essentielles liées à la santé et à la sécurité pour protéger les travailleurs employés dans des atmosphères dangereuses.

Les capteurs certifiés ATEX de Rheonics sont reconnus pour une utilisation en Europe et dans le monde. Toutes les pièces certifiées ATEX sont marquées «CE» pour indiquer la conformité.

Certifié IECEx

Les capteurs à sécurité intrinsèque de Rheonics sont certifiés par IECEx, la Commission électrotechnique internationale, pour la certification aux normes relatives aux équipements destinés à être utilisés dans des atmosphères explosives.

Il s’agit d’une certification internationale qui garantit la conformité en matière de sécurité pour une utilisation dans des zones dangereuses. Les capteurs Rheonics sont certifiés pour la sécurité intrinsèque à Ex i.

Implémentation

Installez directement le capteur dans votre flux de processus pour effectuer des mesures de viscosité et de densité en temps réel. Aucune ligne de dérivation n'est requise: le capteur peut être immergé en ligne, le débit et les vibrations n'affectent pas la stabilité et la précision de la mesure. Optimisez le processus de prise de décision en fournissant des tests répétés, consécutifs et cohérents sur le fluide.

Sélection d'instruments rhéoniques

Rheonics conçoit, fabrique et commercialise des systèmes innovants de détection et de surveillance de fluides. Fabriqués avec précision en Suisse, les viscosimètres en ligne de Rheonics possèdent la sensibilité requise par l'application et la fiabilité nécessaire pour survivre dans un environnement d'exploitation difficile. Résultats stables - même dans des conditions de flux défavorables. Aucun effet de perte de charge ou de débit. Il convient également aux mesures de contrôle de la qualité en laboratoire.

Produit (s) suggéré (s) pour l'application

• Large plage de viscosité - surveillez le processus complet
• Mesures répétables dans les fluides newtoniens et non newtoniens, fluides monophasés et multiphasés
• Construction entièrement en métal (acier inoxydable 316L)
• Mesure de la température du fluide intégrée
• Facteur de forme compact pour une installation simple dans des lignes de processus existantes
• Facile à nettoyer, aucun entretien ni reconfiguration nécessaire

• Instrument unique pour la mesure de la densité de process, de la viscosité et de la température
• Mesures répétables dans les fluides newtoniens et non newtoniens, fluides monophasés et multiphasés
• Construction entièrement en métal (acier inoxydable 316L)
• Mesure de la température du fluide intégrée
• Facteur de forme compact pour une installation simple dans des tuyaux existants
• Facile à nettoyer, aucun entretien ni reconfiguration nécessaire

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