Ottimizzazione dei processi di adesivi hotmelt (HMA) con controllo avanzato della viscosità

• 1. introduzione
• 2. Panoramica del settore
• 2.1 Adesivi Hotmelt HMA
• 2.2 Tipi di HMA
• 2.3 Processo di produzione dell'adesivo hotmelt
• 2.4 Parametri chiave di monitoraggio
• 3. Rheonics Viscosimetro in linea
• 3.1 Installazione del viscosimetro SRV per il processo di produzione di HMA
• 3.2 Vantaggi del monitoraggio della viscosità in linea
• 4. Riferimenti

Gli adesivi hot melt (HMA) sono formulazioni complesse di polimeri, resine, cere e additivi che conferiscono loro proprietà uniche. I clienti contano sulla costanza delle prestazioni dell'adesivo nelle loro applicazioni, come imballaggio, legatoria, assemblaggio di prodotti, ecc. Pertanto, un modo per monitorarne la composizione in linea è fondamentale per garantire la qualità. La viscosità è un parametro chiave per monitorare la produzione di HMA per una molteplicità di motivi, che influiscono su tutto, dalla qualità delle materie prime alle prestazioni del prodotto finale e all'efficienza produttiva.

Un adesivo hotmelt (HMA) o "colla a caldo" è un tipo di adesivo polimerico termoplastico che si presenta allo stato solido a temperatura ambiente e viene applicato come liquido fuso tramite riscaldamento. Il riscaldamento viene normalmente effettuato con pistole termiche o dispositivi simili, che trasformano lo stato solido della colla in uno stato fuso o liquido, creando un legame per raffreddamento e solidificazione. Questo meccanismo di indurimento dovuto esclusivamente alla perdita di calore è una caratteristica fondamentale e un vantaggio primario degli HMA, in quanto elimina le fasi di essiccazione o polimerizzazione spesso richieste dai sistemi adesivi a base solvente o a base acqua [1].

L'HMA presenta caratteristiche chiave che lo rendono un adesivo ampiamente utilizzato:

• Velocità di impostazione rapida: Crea un legame entro pochi secondi dall'applicazione.
• Composizione senza solventi: Riduce o elimina le emissioni di composti organici volatili (COV).
• Versatilità nell'incollaggio dei substrati: substrati porosi (ad esempio carta, legno) e non porosi (ad esempio plastica, metalli).
• Adatto per riempire gli spazi vuoti: Restringimento minimo o nullo dopo il raffreddamento
• Lunga durata: Allo stato solido, gli HMA sono facili da immagazzinare e trasportare con requisiti minimi per mantenere le loro caratteristiche
• Diverse presentazioni: Comunemente utilizzati come stick di colla, ma disponibili anche sotto forma di pellet, trucioli, cuscini, blocchi e listelli.

I tipi di adesivi hot melt (HMA) sono prevalentemente classificati e compresi in base alla loro polimero di base primarioQuesto perché il polimero di base costituisce la “spina dorsale” dell’adesivo e ne determina in larga misura le proprietà fondamentali, come resistenza, flessibilità, adesione a diversi substrati, stabilità termica (quanto bene si comporta ad alte o basse temperature), resistenza chimica, viscosità della fusione, costo e tempo di aperturaMentre gli adesivanti, le cere, i plastificanti e altri additivi sono essenziali per la messa a punto di specifiche caratteristiche prestazionali, il polimero di base fornisce le capacità intrinseche dell'HMA.

La produzione di HMA può variare a seconda del tipo di adesivo desiderato. La Figura 3 mostra un esempio di processo produttivo in cui la miscelazione dell'adesivo avviene in vasche, quindi il materiale fuso viene pompato attraverso un estrusore monovite e una filiera che conferisce all'adesivo la sua forma finale. L'HMA viene infine raffreddato in un bagno d'acqua e infine tagliato nella lunghezza richiesta. Di seguito vengono descritti i passaggi principali.

Preparazione della materia prima

Le materie prime specifiche vengono accuratamente selezionate e dosate con precisione in base alla formulazione desiderata per l'adesivo hot melt. Diversi polimeri, adesivanti, cere e additivi, tutti allo stato solido, vengono scelti in base all'applicazione prevista e alle caratteristiche prestazionali richieste.

Fusione e miscelazione

Le materie prime solide vengono quindi trasferite in un recipiente di miscelazione o in un reattore con camicia per raggiungere la temperatura di fusione richiesta. In alternativa, la miscelazione può essere effettuata in estrusori bivite che si occuperanno anche dell'estrusione finale in un secondo momento.

Durante il processo di miscelazione, i materiali vengono riscaldati a una temperatura specifica (tipicamente tra 100 °C e 235 °C, a seconda della formulazione). Con il riscaldamento, le forze intermolecolari che tengono insieme le catene polimeriche si indeboliscono, consentendo al materiale di fluire, dando luogo a uno stato fuso fluido, il cosiddetto materiale liquefatto. [3] È da questo stato del materiale che vengono presi, valutati e caratterizzati i parametri chiave del processo per garantire la qualità della produzione.

Gli agitatori o le viti di un estrusore garantiscono una miscelazione accurata e omogenea di tutti i componenti. Questa fase di fusione e miscelazione è fondamentale per ottenere qualità, viscosità e funzionalità costanti del prodotto finale.

Importante: gli adesivi hot melt (HMA) sono unici in quanto sono 100% solido e non utilizzare acqua o solventi come vettoreQuesto rappresenta un vantaggio importante, poiché elimina le fasi di essiccazione o polimerizzazione e riduce le problematiche ambientali associate ai composti organici volatili (COV). Si tratta di un polimero termoplastico, il che significa che diventa plastico o malleabile con il riscaldamento e si solidifica con il raffreddamento.

Nota: la maggior parte degli adesivi hot melt sono termoplastico, il che significa che diventano liquidi quando sono caldi e si solidificano quando sono freddi. Sono anche reversibili, il che significa che se riscaldati a sufficienza, si sciolgono di nuovo e perdono la loro resistenza interna.

Per evitare di perdere la forza di adesione ad alte temperature (a meno che non sia prevista la reversibilità), le molecole polimeriche dell'adesivo devono essere reticolato chimicamente dopo che si sono induriti. Questa reticolazione rende il legame più permanente e resistente al calore. Si ottiene aggiungendo componenti reattivi specifici nella formulazione dell'adesivo durante la sua miscelazione. Gli hot melt che subiscono questa reazione chimica dopo il raffreddamento sono chiamati adesivi hot melt reattiviGli hot melt reattivi al poliuretano (PUR) sono un esempio di HMA reattivi.

degasaggio

In alcuni casi, soprattutto per applicazioni in cui le bolle d'aria potrebbero influire negativamente sulle prestazioni, è prevista una fase di degasaggio. Questa fase prevede l'applicazione del vuoto alla miscela adesiva fusa nei contenitori per rimuovere l'aria intrappolata o i componenti volatili.

Filtrazione

L'adesivo fuso può essere filtrato attraverso un sistema di filtrazione. Questo rimuove eventuali impurità, particelle non disciolte o corpi estranei, garantendo la purezza e la qualità del prodotto finale.

Estrusione e raffreddamento

L'adesivo fuso viene quindi estruso attraverso una filiera nella forma desiderata, come pellet, scaglie, blocchi, bastoncini o fogli. Immediatamente dopo la formatura, l'adesivo hot melt viene raffreddato rapidamente, spesso utilizzando nastri di raffreddamento o bagni d'acqua. Questo rapido raffreddamento fa sì che l'adesivo si solidifichi nella sua forma solida.

Packaging

Una volta superati tutti i controlli di qualità, l'adesivo hot melt viene confezionato in vari contenitori adatti alla distribuzione e all'applicazione, come sacchetti, fusti, cartucce o altre forme specializzate, a seconda delle esigenze dell'utente finale.

Diverse proprietà prestazionali degli adesivi hotmelt sono fondamentali per garantire processi di produzione fluidi ed efficienti e ottenere la qualità di adesione desiderata. I parametri chiave in produzione vengono misurati allo stato liquido, mentre altri test vengono eseguiti sulle materie prime solide e sull'adesivo finale; questi sono chiamati parametri dei criteri di selezione [3].

Temperatura:
La temperatura di miscelazione è fondamentale per garantire che tutti i componenti si fondano e si mescolino in modo omogeneo. La temperatura di fusione è la temperatura dell'adesivo fuso appena prima dell'estrusione o del confezionamento, e influisce sulla viscosità finale e sulla lavorabilità.

Viscosità: Definita come la resistenza dell'adesivo fuso allo scorrimento, la viscosità ha un'importanza fondamentale. Determina la facilità di pompaggio e applicazione dell'adesivo, la sua capacità di bagnare la superficie del substrato per una buona adesione e il controllo della dimensione del cordolo o del getto di spruzzo. La viscosità dipende fortemente dalla temperatura; un aumento della temperatura porta in genere a una diminuzione della viscosità. Una viscosità incontrollata o fuori specifica durante la miscelazione e subito prima dell'estrusione è una delle principali cause di molti problemi nelle linee di produzione, dall'applicazione non uniforme alla rottura dell'adesione.

Velocità di miscelazione/taglio: L'intensità della miscelazione è fondamentale per l'omogeneità, pertanto deve essere controllata per garantire una dispersione uniforme dei componenti senza degradare i polimeri sensibili al taglio.

Pressione: Monitorato all'interno di estrusori o recipienti di miscelazione per garantire un flusso regolare e prevenire ostruzioni. La pressione del vuoto è rilevante quando è richiesto il vuoto.

Con il prodotto finale, dopo l'estrusione, vengono valutati ulteriori parametri, quali:

Punto di ammorbidimento: Questa è la temperatura alla quale l'HMA solido inizia ad ammorbidirsi e a fluire, ovvero a diventare plastico. È determinata in gran parte dal tipo di polimero di base e dalla quantità e dal tipo di cera nella formulazione. Il punto di rammollimento determina la temperatura minima di applicazione e influenza la resistenza al calore dell'assemblaggio finale incollato.

Tempo aperto: Si riferisce al periodo massimo consentito dopo l'applicazione dell'adesivo fuso al primo substrato, entro il quale il secondo substrato deve essere portato a contatto per formare un legame soddisfacente [4]. Il tempo di apertura deve essere attentamente adattato alla velocità e alla meccanica del processo di assemblaggio. Se è troppo breve, si otterrà una scarsa bagnatura e un legame debole. Se è troppo lungo, la velocità di produzione potrebbe essere compromessa o i pezzi potrebbero spostarsi prima che il legame si solidifichi.

Tempo di impostazione (velocità di impostazione): Questo è il tempo necessario all'HMA per raffreddarsi e solidificarsi a sufficienza per formare un legame di resistenza accettabile, consentendo la movimentazione dei componenti assemblati o il loro trasferimento alla fase successiva di produzione. I rapidi tempi di presa sono uno dei principali vantaggi degli HMA, contribuendo ad aumentare la velocità di produzione.

Stabilità della durata di conservazione: Questa proprietà descrive la capacità dell'HMA di mantenere le sue caratteristiche specifiche (ad esempio, viscosità, colore, assenza di carbonizzazione o gelificazione) quando mantenuto allo stato fuso all'interno del serbatoio o della vasca dell'apparecchiatura di applicazione per periodi prolungati. Un pot life insufficiente porta alla degradazione dell'adesivo, che può causare l'intasamento degli ugelli, una qualità di applicazione incoerente e una maggiore necessità di manutenzione dell'apparecchiatura. Gli antiossidanti sono in genere inclusi nelle formulazioni di HMA per migliorare la stabilità del pot life.

Rheonics SRV è un viscosimetro di processo in linea che misura un ampio intervallo di viscosità e temperatura in tempo reale. È adatto per l'installazione in serbatoi di miscelazione e stoccaggio e in tubazioni per la misurazione continua del fluido di processo. Rheonics SRV è compatibile con processi di miscelazione ad alta velocità e non è influenzato dalla presenza di bolle nel fluido o da vibrazioni esterne.

Rheonics I sensori si basano sulla tecnologia brevettata Balanced Torsional Resonator (BTR), che consente alla sonda di essere compatta e leggera, ma al tempo stesso robusta per l'ambiente industriale e compatibile con applicazioni ad alta temperatura (fino a 285°C), vuoto e alta pressione. Rheonics SRV non ha parti mobili, è una sonda ermeticamente sigillata realizzata in materiale bagnato in acciaio inossidabile 316L.

Il sensore SRV è disponibile in diverse varianti di sonda, con lunghezze e connessioni di processo variabili, per garantire una facile installazione in ogni applicazione. Tutte le sonde SRV utilizzano lo stesso elemento sensibile, consentendo una facile scalabilità nei processi produttivi.

Come spiegato in precedenza, la viscosità è una parametro critico per gli HMA in quanto influisce direttamente sulla loro lavorabilità, sulle prestazioni applicative e, in definitiva, sulla forza di legame finale. Utilizzando Rheonics Viscosimetro in linea SRV: sia la viscosità che la temperatura possono essere monitorate in linea, particolarmente consigliato durante i processi di miscelazione ed estrusione, come mostrato nella Figura 3.t.

Installazione nel serbatoio

Rheonics L'SRV può essere installato nei serbatoi dal fondo, dalla parete o dalla parte superiore. Ciò dipende dal design del serbatoio, ovvero dalle dimensioni, dalle pareti incamiciate e dalle interferenze degli alberi di miscelazione, ecc., e dalle preferenze dell'utente, come accessibilità, facilità di installazione, ecc.

Per una corretta installazione del sensore SRV nel serbatoio per il monitoraggio della produzione di HMA, è necessario seguire le seguenti raccomandazioni:

• Assicurarsi che l'elemento sensibile sia a contatto con il materiale fuso. Per le installazioni dalla parte superiore del serbatoio, potrebbe essere necessario utilizzare un SRV a inserimento lungoNelle installazioni a parete e sul fondo, evitare zone morte che possono portare a zone di ristagno che influiscono sull'area di rilevamento – vedere Figura 5.
• Assicurarsi che la sonda SRV non venga danneggiata dagli alberi di miscelazione all'interno del serbatoio.

  

   

Installazione in linea

Le linee utilizzate per trasportare l'adesivo hotmelt dal serbatoio di miscelazione agli estrusori devono mantenere temperatura e pressione elevate per garantire proprietà fluide costanti. Per raggiungere questo obiettivo, le tubazioni sono rivestite e vengono utilizzate pompe volumetriche, come pompe a ingranaggi o a pistoni. Le pompe a ingranaggi sono preferite per garantire un flusso regolare e continuo, mentre le pompe a pistoni consentono un'elevata pressione nelle linee, ma producono un flusso leggermente pulsante.

Rheonics La valvola SRV è adatta per installazioni in linea anche ad alte temperature e pressioni. La valvola SRV funziona con fluidi statici e continui e non presenta problemi di funzionamento con flussi pulsanti. L'installazione consigliata della valvola SRV nelle tubazioni per HMA è in un gomito, con la sonda in direzione opposta al flusso del fluido.

Installazione in linea piccola o di bypass

Nella produzione di adesivi hotmelt, è comune utilizzare linee di piccole dimensioni o linee di bypass collegate alle linee principali per prelevare campioni e studiarne le proprietà reologiche. In queste linee, è fondamentale mantenere una determinata pressione e temperatura per il fluido.

In questo scenario, Rheonics offre accessori quali:

1. Celle di flusso: Visualizza tutte le celle di flusso in linea SRV.
2. Camera di riscaldamento: Rheonics STCM-IFP è una camera in linea che consente il controllo della temperatura e un buon isolamento termico, mantenendo la temperatura del fluido così come arriva.

   

• Feedback e controllo in tempo reale:

  A differenza dei test di laboratorio offline che forniscono risultati ritardati, Rheonics il viscosimetro SRV in linea fornisce dati istantanei e continuiCiò consente agli operatori di vedere con precisione come si sviluppa la viscosità man mano che le materie prime vengono aggiunte e miscelate. Ciò consente aggiustamenti immediati per elaborare parametri quali temperatura, velocità di miscelazione o persino velocità di alimentazione delle materie prime.

• Facile integrazione dei dati:

  Rheonics SRV utilizza un'elettronica potente, chiamata SMEQuesto dispositivo acquisisce le letture dalla sonda del sensore e fornisce in uscita i valori di viscosità e temperatura misurati. Supporta inoltre diversi protocolli di comunicazione industriale in modo nativo, come Modbus, Profinet, Ethernet/IP. HART, ecc. per l'integrazione con i sistemi di monitoraggio e controllo locali.

• Miglioramento della coerenza e della qualità del prodotto:

  Mantenendo un controllo più stretto sulla viscosità durante la produzione, i produttori possono ridurre significativamente ridurre le variazioni da lotto a lottoCiò si traduce in una qualità del prodotto più costante, in un minor numero di lotti fuori specifica e, in definitiva, in clienti più soddisfatti.

• Efficienza produttiva ottimizzata:

  Rilevare le deviazioni in anticipo significa che i problemi possono essere corretti prima che un intero lotto venga rovinato, ridurre gli sprechi di materie prime costose ed energia.

  Ottimizzazione energetica: Conoscere l'esatta viscosità consente di ottimizzare l'apporto energetico di miscelazione e il riscaldamento, con conseguente potenziale risparmio energetico.

• Comprensione del processo e risoluzione dei problemi:

  Rheonics SRV fornisce un documentazione storica completa della viscosità e della temperatura degli HMA. Questi dati sono preziosi per l'ottimizzazione del processo, l'identificazione delle tendenze e la rapida diagnosi della causa principale di eventuali problemi di produzione.

• Interventi manuali ridotti e sicurezza:

  La misurazione automatizzata in linea riduce la necessità di campionamento manuale, che può essere pericoloso date le elevate temperature degli HMA fusi. Inoltre, libera manodopera per altre attività.

[1]:Proprietà, tipi e applicazioni degli adesivi hot melt

[2]:Adesivi hot melt

[3]: https://www.klebstoffe.com/wp-content/uploads/2020/04/TKH_4_englisch.pdf

[4]: Cos'è un adesivo hot-melt (HMA)?