用于在线和生产应用的新型仪器

正确调整密封剂和热固性粘合剂的流动特性对于它们在高度自动化、高速生产环境中的性能至关重要。

例如，汽车生产中密封剂和粘合剂的自动化应用要求应用可预测、可重复的数量，并且它们能正常流动并在最终凝固期间保持原位。 在印刷行业，塑料薄膜的层压是在需要严格控制粘合剂粘度的专用高速机器上完成的。 应用于纤维纺织品和垫子以制造复合预浸料的树脂需要对基体树脂进行精确分级。

传统上，密封剂和粘合剂的流动特性是通过流变仪来测量的，流变仪是一种精密的实验室仪器，需要熟练的操作员才能给出准确且一致的结果。 流变仪测量非常耗时，限制了其在混合前的树脂组分的使用，并且在缓慢固化系统的情况下，只能在混合后不久使用。 最后，实验室流变测试的结果在生产监控中的用途通常有限oring，因为它们可以洞察过去，而不是所应用材料的当前状态。

基于振动元件的粘度计为流变测量提供了一种可行的替代方案。 它们提供快速、一致的读数，特别适合在线安装。 谐振传感器可以直接安装在带有密封剂、粘合剂或其他流体的生产线中，可用于监测流动流体的特性，也可以连接到控制系统，通过添加动态调整流体的流动特性稀释剂或其他添加剂。 工艺粘度的这种反馈控制是众所周知且经过验证的方法，例如，可以在柔版印刷和凹版印刷厂的长时间高速运行期间保持颜色准确度。 [1]

图 1. 在线粘度计（左）并安装在用于在线应用的流线适配器中。

粘合剂和密封剂因其高度的非牛顿流动特性而对粘度测量和控制提出了额外的挑战。 无论旋转仪器（如流变仪或粘度计）的主轴速度如何，牛顿流体都显示相同的粘度。 非牛顿流体对剪切速率敏感——它们的测量粘度取决于旋转流变仪的主轴速度，或基于机械谐振器的设备的振动特性。

对于大多数粘合剂和密封剂来说，剪切相关行为是必不可少的。 当它们被施加到基材上时，它们必须自由流动，但必须保持在原位，直到它们完全凝固，不会从接缝处下垂或滴落。 这些材料不仅取决于剪切速率，而且可能需要一定的力才能使它们移动。 它们在不受干扰时表现得像固体，但当某个 屈服应力 超过，它们像液体一样流动。 它们可能是时间依赖性的，或者 触变的, 剪切后剩余的流体，只有在一定的恢复时间后才会恢复为固体形式。

流变仪（以及在较小程度上，旋转粘度计）能够提供一系列测量，可以完全表征实验室环境中甚至复杂的非牛顿流体的行为。 解释流变数据以预测这些复杂材料的真实行为是具有挑战性的，并且通常不容易适用于工业过程。 另一方面，依靠振动元件的传感器产生 单点 测量; 他们在单一剪切速率值下读取表观粘度，该剪切速率通常远高于旋转仪器中使用的剪切速率。 因此，使用共振粘度计对非牛顿流体进行的测量通常与旋转仪器的测量结果不一致。 尽管两种类型的仪器之间的指示粘度存在差异，但振动粘度计已被证明对于监测很有价值oring 以及高度非牛顿流体的粘度控制。

振动粘度计的便利性和稳健性使其成为监测的理想选择，有两个应用领域oring 以及粘合剂和密封剂的控制。 第一个是在线粘度监测仪oring 对于涂抹器。 第二个是治愈监测oring 对于批量操作，检测混合批次的材料何时接近其适用期是至关重要的。

在线粘度监测仪oring 用于涂抹器

密封胶必须在施工过程中自由流动，但在施工后未完全固化之前不得流动或流挂。 这要求材料的有效粘度必须高度依赖于剪切力，在为涂抹器服务的管线和涂抹器喷嘴本身中出现的高剪切速率下具有低粘度，并且在分配后具有高粘度，甚至屈服强度.

尽管粘合剂和密封剂的流动特性很重要，特别是在高速自动分配和应用的情况下，但很少或没有关于用于监控或控制粘合剂和密封剂一致性的在线仪器的可用信息。

Rheonics 在高速层压机中安装了 SRV 在线粘度计，其中粘度控制至关重要。 压机操作员尝试使用旋转粘度计进行监测oring 粘合剂粘度，但干燥的粘合剂会污染旋转部件，使其使用不切实际。 目前，流出杯用于粘度监测oring，但这些明显不精确，并且不是真正的在线测量。 它们的使用非常耗时，使得频繁的测量变得不切实际，并且因此导致粘度的波动大于期望的波动，从而导致层压粘合剂的流动特性的波动大于期望。 这个问题在高速层压机械中变得更加复杂，因为涂布辊通常在粘合剂的开放槽中运行，溶剂不断从其中蒸发，如下图所示：

图 2. 高速层压机中的粘合剂储存器。

与柔版和轮转凹版印刷机中的印刷油墨的情况一样，这种逐渐蒸发会逐渐提高介质的粘度，需要定期添加溶剂以将介质稳定在几乎恒定的粘度，确保在长时间高速运行中正确应用。

振动粘度传感器具有谐振器，其工作频率通常为数百赫兹至数十千赫兹，具体取决于特定的工作原理。 尽管无法确定实际的剪切速率，但剪切速率的范围很大，等于或超过点胶设备中的剪切速率。 因此，振动粘度传感器可用于监测oring 粘合剂的稠度及其在点胶操作过程中的作用。

振动粘度计通过测量浸没在流体中的机械谐振器中引起的振动的阻尼来工作。 振动粘度计中使用的谐振器分为两大类：横向振动的谐振器，例如音叉和悬臂梁；以及扭转振动的谐振器。 扭转谐振器对于测量密封剂和粘合剂经常遇到的较高粘度特别有利，因为高粘度流体往往会更强烈地抑制横向振动。 扭转谐振器也往往对其与管道和其他容器壁的距离不太敏感，从而使安装选项更加灵活。 当使用应用系统在线测量粘度时，机械紧凑性可能是有利的，因为与其他过程应用相比，流线通常直径较小，流速相对较低。 由于振动传感器在安装时往往会产生反作用力，从而影响其灵敏度，因此振动平衡的传感器特别不受影响不平衡谐振器的环境影响。 Rheonics SRV 在线粘度计基于该专利扭转平衡谐振器。 [2]

monit的oring 批量混合粘合剂的固化程度

粘合剂的另一个重要领域是监控oring 粘合剂和树脂的固化程度。 这在粘合剂应用中非常重要，可以确定特定批次的材料是否已达到必要的机械性能，而不仅仅是依赖制造商的规格和工艺参数的调整。 在成型操作中，确定何时可以安全地对固化部件脱模，以及在复合材料制造中，确定层压部件何时完全固化非常重要。

已经发布了许多用于 monit 的方法oring 固化程度，但大多数依赖于间接测量，例如电气或光学特性，而不是机械性能的直接测量。 实验超声波方法是可用的，但这些方法往往仅限于在严格控制的条件下使用非常小的样品，因为在固化过程中超声波的衰减可能相当大[3]。 此外，超声波测量通常在兆赫频率范围内进行，对于非牛顿材料来说，这可能无法反映其在接近实际应用中的应变率下的行为。

一个设备， Rheonics CureTrack™，目前正在测试 Rheonics 有限公司。 它预测预混合粘合剂和密封剂批次的凝胶化。 下图 2 显示了 CureTrack 仪器及其在实验室试验中的使用情况。

图 3. 带有样品管和针尖特写的 CureTrack 仪器

CureTrack 设备基于 Rheonics SRV 粘度传感器的尖端带有鲁尔锥度，可连接传统的一次性剂量针以延伸其敏感元件。 通过使用一次性延长件，传感器本身不会暴露在粘合剂中； 针头可以简单地拆卸下来并与凝胶或硬化材料一起处理。

CureTrack 输出两个数字：乐器谐振器的阻尼和频率。 阻尼取决于材料的粘度，而频率取决于其刚度。 因此，CureTrack 的输出提供了材料在凝胶化和固化过程中的粘弹性行为的快照。

无花果。 图 3 和图 4 显示了由 CureTrack 记录的两种不同环氧树脂系统的固化曲线。 第一种是消费类环氧粘合剂，含有硫醇基硬化剂，Pacer Technology PT39 Z-Poxy 30 Minute Epoxy。 这被指定为具有 30 分钟的固化时间，并且通常在用于模型构建的业余爱好商店出售。 第二种是 Axson Epolam 2017 树脂和 Epolam 2018 硬化剂，这是一种用于湿法叠层复合材料的胺固化系统。 在层压过程中，在树脂/固化剂重量比为 6:100 时，额定凝胶时间为 30 小时，在层压过程中，大表面积限制了放热和固化过程的加速

图 4. 快速固化消费类环氧粘合剂 Pacer Pt39 Z-Poxy 的 CureTrack 固化曲线。 绘图显示了 CureTrack 与粘合剂的液体、凝胶和固体固化相的阻尼和频率。

图 5. 慢固化环氧层压树脂 Epolam 2017 树脂与 2018 固化剂的 CureTrack 固化曲线，重量比为 100:30。 绘图显示了树脂的液相、凝胶相和固相固化相。

因此，即将发生凝胶化的主要指标是指示粘度的快速上升，然后是传感器谐振器的谐振频率增加。

这些曲线显示了两个不同的过程和三个区域。

该过程是凝胶化和固化。 凝胶化过程的特点是阻尼和频率上升，反映了树脂粘度和刚度的上升。 材料正在从液体转变为凝胶状态。 固化的特点是降低阻尼和增加刚度，是凝胶化之后的过程，它将材料从高粘性的粘性物质转变为刚性固体。 这些过程还定义了材料在胶凝和固化过程中移动的三种状态：

1. 液体区域，其中材料的刚度非常低，反映在 CureTrack 谐振器的低且相对恒定的频率上。 在该区域，粘度也相对较低，这表现为阻尼值较低。
2. 胶凝区，其中材料的刚度和阻尼都迅速上升。 该区域的材料是粘性的——它具有达到最大值的高粘度，表明在凝固之前凝胶过程达到峰值。它变得更加坚硬，在最终固化之前形成橡胶状物质。
3. 固体区域。 阻尼再次降低到较低且相对恒定的值。 谐振器现在主要产生材料的弹性剪切，由于粘性力而几乎没有耗散。

两组曲线说明了 CureTrack 感知胶凝过程开始的能力，以及提供允许跟踪整个固化过程的定量数据。

希姆金 [4] 发表了一篇优秀的文章，回顾了粘合剂固化监测的状态oring。 他的结论是，尽管有多种监控方法oring 虽然胶凝时间可用，但缺乏商业仪器基础，而且普遍缺乏标准，因此各种测量方法之间缺乏一致性。

Shimkin 讨论的大多数方法都是间接的，例如介电分析，因为它们测量的是与其机械性能相关的树脂系统的性能，但不直接测量在树脂应用中具有重要功能的性能系统。 从这个意义上说，任何直接测量凝胶和固化等特性的测量技术都会提供对树脂状态的即时、直接反馈。

CureTrack 技术的应用

树脂系统机械性能的直接测量在实验室和工厂车间都有应用，在生产环境中混合、应用和固化树脂。

在实验室中，强大的力学分析工具（例如 CureTrack 技术）可用于研发和质量控制。 在研发实验室，它可用于分析新树脂和配方的固化性能。 它的简单性以及廉价和一次性传感元件的使用使得经济地分析大量样品成为可能，而不会损坏昂贵的传感器，或者需要对难以去除的残留物进行大量耗时的清洁。 出于质量控制的目的，混合树脂样品可以在实验室中进行监测，无需耗时的准备或清理。

同样，出于质量控制的目的，技术的稳健性可以推动监测oring 将混合生产批次运送到工厂车间，而无需抓取样品进行实验室分析。 CureTrack 等仪器可以直接插入树脂桶中，以在生产过程中监控其状态，并在即将凝胶化时发出警告警报，任何剩余材料必须在固化前处理掉。

未来该技术的发展也将集中在监控上oring 实际生产场景中的凝胶化。 例如，探针尖端可以与树脂注入的叠层表面接触，以监测基质材料的状态。 或者，可以将探针尖端插入浇注模制组件中的受控深度，并在凝胶化时将其移除。

由于温度是确定固化率的重要因素，CureTrack 配备了一个温度传感器来测量探针尖端的温度。 它可以准确测量正在测量凝胶化和固化的温度，从而能够同时监测oring 树脂的温度，并跟踪固化过程中产生的热量。

参考资料

1. 有关在印刷应用中使用在线粘度测定法的信息的链接，请参见 https://rheonics.com/solutions/
2. https://rheonics.com/products/inline-viscometer-srv/
3. 材料 2013, 6, 3783-3804; doi:10.3390/ma6093783 材料 ISSN 1996-1944 www.mdpi.com/journal/materials 审查监控oring 通过超声波测量热固性树脂的固化状态 Francesca Lionetto 和 Alfonso Maffezzoli
4. ISSN 1070-3632, 俄罗斯普通化学杂志, 2016, Vol. 86，第 6 期，第 1488-1493 页。 Pleiades Publishing, Ltd., 2016. 俄文原文 AA Shimkin, 2014, 发表于 Rossiiskii Khimicheskii Zhurnal, 2014, Vol. 58，第 3-4 期，第 55-61 页。