أدوات مبتكرة للتطبيقات المباشرة والإنتاجية

يُعد الضبط الصحيح لخصائص تدفق المواد المانعة للتسرب والمواد اللاصقة المتصلبة بالحرارة أمرًا بالغ الأهمية لأدائها في بيئات الإنتاج عالية السرعة والأتمتة.

يتطلب التطبيق الآلي للمواد المانعة للتسرب والمواد اللاصقة، على سبيل المثال في صناعة السيارات، تطبيق كميات قابلة للتنبؤ والتكرار، وأن تتدفق هذه المواد بشكل صحيح وتثبت في مكانها خلال فترة التصلب النهائية. وفي صناعة الطباعة، تتم عملية تغليف الأغشية البلاستيكية باستخدام آلات متخصصة عالية السرعة تتطلب تحكمًا دقيقًا في لزوجة المادة اللاصقة. أما الراتنجات المستخدمة في تغليف الألياف النسيجية والحصائر لتصنيع المواد المركبة المشبعة مسبقًا، فتتطلب تحديدًا دقيقًا لمراحل راتنج المصفوفة.

تُقاس خصائص تدفق مواد منع التسرب والمواد اللاصقة تقليديًا باستخدام مقياس اللزوجة، وهو جهاز مخبري دقيق يتطلب مشغلًا ماهرًا للحصول على نتائج دقيقة ومتسقة. تستغرق قياسات مقياس اللزوجة وقتًا طويلاً، مما يحد من استخدامها لمكونات الراتنج قبل الخلط، وفي حالة الأنظمة بطيئة التصلب، بعد الخلط مباشرة. وأخيرًا، غالبًا ما تكون نتائج اختبارات قياس اللزوجة في المختبر محدودة الفائدة في مراقبة الإنتاج، لأنها تُعطي نظرة على الحالة السابقة للمادة المستخدمة، وليس حالتها الحالية.

تُعدّ مقاييس اللزوجة القائمة على العناصر المهتزة بديلاً عملياً للقياسات الريولوجية. فهي تُعطي قراءات سريعة ودقيقة، وتُناسب بشكل خاص التركيبات المباشرة في خطوط الإنتاج. يُمكن تركيب المجسات الرنانة مباشرةً في خطوط الإنتاج التي تحمل مواد مانعة للتسرب أو مواد لاصقة أو سوائل أخرى، ويُمكن استخدامها إما لمراقبة خصائص السائل المتدفق، أو توصيلها بأنظمة تحكم تُعدّل خصائص تدفق السائل ديناميكياً بإضافة مواد مخففة أو إضافات أخرى. يُعدّ هذا النوع من التحكم في لزوجة العملية طريقة معروفة ومُثبتة، على سبيل المثال، للحفاظ على دقة الألوان أثناء عمليات الطباعة الطويلة وعالية السرعة في مصانع الطباعة الفلكسوغرافية والحفرية. [1]

تُشكّل المواد اللاصقة والمواد المانعة للتسرب تحديًا إضافيًا لقياس اللزوجة والتحكم بها نظرًا لخصائص تدفقها غير النيوتونية. فالسوائل النيوتونية تُظهر لزوجة ثابتة بغض النظر عن سرعة دوران جهاز القياس، مثل مقياس اللزوجة أو مقياس الريولوجيا. أما السوائل غير النيوتونية فهي حساسة لمعدل القص، إذ تعتمد لزوجتها المقاسة على سرعة دوران مقياس الريولوجيا الدوراني، أو على خصائص اهتزاز جهاز يعتمد على رنان ميكانيكي.

يُعدّ السلوك المعتمد على القصّ أساسيًا لمعظم المواد اللاصقة والمانعة للتسرب. يجب أن تتدفق هذه المواد بحرية عند وضعها على السطح، وأن تبقى ثابتة في مكانها حتى تجفّ تمامًا، دون أن تترهل أو تتقطر من الوصلة. لا تعتمد هذه المواد على معدل القصّ فحسب، بل قد تتطلب أيضًا قدرًا معينًا من القوة لتحريكها. تتصرف هذه المواد كالمواد الصلبة عندما لا تتعرض لأي اضطراب، ولكن عند تطبيق قوة معينة، فإنها تتصرف كالمواد الصلبة. إجهاد الخضوع إذا تجاوزت حدًا معينًا، فإنها تتدفق كالسوائل. وقد تكون هذه التدفقات مرتبطة بالوقت، أو ثيكسوتروبي، وتبقى سائلة بعد تعرضها للقص ولا تعود إلى شكلها الصلب إلا بعد فترة استعادة معينة.

تُتيح أجهزة قياس اللزوجة (وإلى حدٍ أقل، أجهزة قياس اللزوجة الدورانية) إمكانية الحصول على سلسلة كاملة من القياسات التي تُمكن من وصف سلوك حتى السوائل غير النيوتونية المعقدة وصفًا دقيقًا في بيئة المختبر. إلا أن تفسير بيانات قياس اللزوجة للتنبؤ بسلوك هذه المواد المعقدة في الواقع العملي يُعدّ أمرًا صعبًا، وغالبًا ما يكون تطبيقه غير عملي في العمليات الصناعية. في المقابل، تُولّد أجهزة الاستشعار التي تعتمد على العناصر المهتزة نقطة واحدة تقيس هذه الأجهزة اللزوجة الظاهرية عند قيمة واحدة لمعدل القص، والتي غالبًا ما تكون أعلى بكثير من معدلات القص المستخدمة في الأجهزة الدورانية. ولهذا السبب، لا تتطابق القياسات التي تُجرى على السوائل غير النيوتونية باستخدام مقاييس اللزوجة الرنانة عادةً مع تلك التي تُجرى باستخدام الأجهزة الدورانية. وعلى الرغم من هذا الاختلاف في قيم اللزوجة المُقاسة بين نوعي الأجهزة، فقد أثبتت مقاييس اللزوجة الاهتزازية جدواها في رصد ومراقبة لزوجة السوائل غير النيوتونية.

توجد مجالان رئيسيان لتطبيقات مقاييس اللزوجة الاهتزازية، حيث تجعلها سهولة استخدامها ومتانتها مثالية لمراقبة المواد اللاصقة والمانعة للتسرب والتحكم بها. أولهما مراقبة اللزوجة أثناء عملية التطبيق. وثانيهما مراقبة عملية التصلب في عمليات الإنتاج الدفعي، حيث يُعدّ اكتشاف اقتراب انتهاء صلاحية الخلطة أمرًا بالغ الأهمية.

مراقبة اللزوجة المباشرة لأجهزة التطبيق

يجب أن تتدفق مواد منع التسرب بحرية أثناء عملية التطبيق، ولكن يجب ألا تسيل أو تترهل بعد التطبيق قبل أن تجف تمامًا. يتطلب هذا أن تكون لزوجة المادة الفعالة شديدة الاعتماد على القص، بحيث تكون منخفضة عند معدلات القص العالية التي تحدث في الأنابيب التي تغذي جهاز التطبيق وفي فوهة جهاز التطبيق نفسه، وعالية، أو حتى ذات مقاومة خضوع بعد التوزيع.

على الرغم من أهمية خصائص تدفق المواد اللاصقة والمواد المانعة للتسرب، وخاصة في حالة التوزيع والتطبيق التلقائي عالي السرعة، إلا أن هناك القليل من المعلومات المتاحة أو لا توجد معلومات على الإطلاق حول استخدام أجهزة القياس المدمجة لمراقبة أو التحكم في اتساق المواد اللاصقة والمواد المانعة للتسرب.

Rheonics قامت الشركة بتركيب مقاييس لزوجة SRV المدمجة في مكبس تغليف عالي السرعة، حيث يُعدّ التحكم في اللزوجة أمرًا بالغ الأهمية. وقد جرّب مشغل المكبس مقاييس اللزوجة الدورانية لمراقبة لزوجة المادة اللاصقة، إلا أن تراكم المادة اللاصقة الجافة على الأجزاء الدوارة جعل استخدامها غير عملي. حاليًا، تُستخدم أكواب التدفق لمراقبة اللزوجة، ولكنها غير دقيقة بشكل ملحوظ، ولا تُعدّ قياسًا مباشرًا. كما أن استخدامها يستغرق وقتًا طويلاً، مما يجعل القياس المتكرر غير عملي، وبالتالي يسمح بتقلبات أكبر من المرغوب فيها في اللزوجة، وبالتالي في خصائص تدفق المادة اللاصقة المستخدمة في التغليف. وتتفاقم المشكلة في آلات التغليف عالية السرعة لأن أسطوانة التطبيق عادةً ما تعمل في حوض مفتوح من المادة اللاصقة، حيث يتبخر المذيب باستمرار، كما هو موضح في الرسم التوضيحي التالي:

 

كما هو الحال في حالة أحبار الطباعة في آلات الطباعة الفلكسوغرافية والطباعة الغائرة، فإن هذا التبخر التدريجي يزيد من لزوجة الوسط تدريجياً، مما يتطلب إضافة المذيب بشكل دوري لتثبيت الوسط عند لزوجة ثابتة تقريباً، مما يضمن التطبيق السليم طوال عمليات التشغيل الطويلة وعالية السرعة.

تحتوي مستشعرات اللزوجة الاهتزازية على رنانات تعمل عادةً بترددات تتراوح من بضع مئات من الهرتز إلى عشرات الكيلوهرتز، وذلك تبعًا لمبدأ التشغيل المحدد. ورغم أنه لا يمكن تحديد معدل القص الفعلي، إلا أن نطاق معدلات القص واسع، إذ يساوي أو يتجاوز تلك الموجودة في معدات التوزيع. ولهذا السبب، تُعد مستشعرات اللزوجة الاهتزازية مفيدة لمراقبة قوام المادة اللاصقة وكيفية تفاعلها أثناء عملية التوزيع.

تعمل مقاييس اللزوجة الاهتزازية عن طريق قياس تخامد الاهتزاز الناتج في رنان ميكانيكي مغمور في السائل. تنقسم الرنانات المستخدمة في هذه المقاييس إلى فئتين رئيسيتين: الرنانات التي تهتز عرضيًا، مثل الشوكات الرنانة والعوارض الكابولية، والرنانات التي تهتز التوائية. تتميز الرنانات الالتوائية بميزة خاصة في قياس اللزوجة العالية التي غالبًا ما تُصادف في مواد منع التسرب والمواد اللاصقة، نظرًا لأن الاهتزازات العرضية تميل إلى أن تكون أكثر تخامدًا في السوائل عالية اللزوجة. كما تميل الرنانات الالتوائية إلى أن تكون أقل حساسية لقربها من جدران الأنابيب والأوعية الأخرى، مما يجعل خيارات التركيب أكثر مرونة. عند قياس اللزوجة ضمن نظام التطبيق، قد يكون الحجم الميكانيكي الصغير ميزة، نظرًا لأن خطوط التدفق غالبًا ما تكون ذات قطر صغير ومعدلات تدفق منخفضة نسبيًا مقارنةً بتطبيقات العمليات الأخرى. بما أن أجهزة الاستشعار الاهتزازية تميل إلى إنتاج قوى رد فعل في تركيبها يمكن أن تؤثر على حساسيتها، فإن أجهزة الاستشعار المتوازنة اهتزازيًا تكون خالية بشكل خاص من التأثيرات البيئية التي تؤثر على الرنانات غير المتوازنة. Rheonics يعتمد مقياس اللزوجة المدمج SRV على هذا الرنان المتوازن الالتوائي الحاصل على براءة اختراع. [2]

مراقبة درجة التصلب في المواد اللاصقة المخلوطة على دفعات

من المجالات المهمة الأخرى في مجال المواد اللاصقة مراقبة درجة تصلب المواد اللاصقة والراتنجات. يُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية في تطبيقات المواد اللاصقة لتحديد ما إذا كانت دفعة معينة من المواد قد حققت الخصائص الميكانيكية المطلوبة، بدلاً من الاعتماد فقط على مواصفات الشركات المصنعة وتعديل معايير العملية. كما أنه مهم في عمليات التشكيل لتحديد الوقت المناسب لإخراج الجزء المتصلب من القالب بأمان، وفي تصنيع المواد المركبة لتحديد متى يكون الجزء المُرقّق قد تصلب تمامًا.

نُشرت العديد من الطرق لمراقبة درجة التصلب، لكن معظمها يعتمد على قياسات غير مباشرة، مثل الخصائص الكهربائية أو البصرية، بدلاً من القياس المباشر للخواص الميكانيكية. تتوفر طرق تجريبية باستخدام الموجات فوق الصوتية، لكنها عادةً ما تقتصر على عينات صغيرة جدًا في ظروف مضبوطة بدقة، نظرًا لأن توهين الموجات فوق الصوتية قد يكون كبيرًا جدًا أثناء عمليات التصلب [3]. كما أن قياسات الموجات فوق الصوتية تُجرى عادةً في نطاق ترددات الميغاهرتز، وهو ما قد لا يعكس سلوك المواد غير النيوتونية عند معدلات إجهاد أقرب إلى تلك الموجودة في تطبيقاتها العملية.

جهاز، الـ Rheonics يخضع جهاز CureTrack™ حاليًا للاختبار من قبل Rheonics شركة ذات مسؤولية محدودة. تتنبأ هذه التقنية بتصلب دفعات من المواد اللاصقة والمواد المانعة للتسرب المُجهزة مسبقًا. يوضح الشكل 2 أدناه جهاز CureTrack، مع استخدامه في تجربة معملية.

 

يعتمد جهاز CureTrack على Rheonics مستشعر لزوجة SRV مزود بوصلة لوير في طرفه تسمح بتوصيل إبرة جرعات تقليدية للاستخدام لمرة واحدة لتمديد عنصره الحساس. باستخدام وصلة التمديد، لا يتعرض المستشعر نفسه للمادة اللاصقة؛ ويمكن ببساطة فصل الإبرة والتخلص منها مع المادة المتصلبة أو المتجمدة.

يُخرج جهاز CureTrack قيمتين: التخميد وتردد الرنان الخاص بالجهاز. يعتمد التخميد على لزوجة المادة، بينما يعتمد التردد على صلابتها. وبالتالي، يُعطي خرج جهاز CureTrack لمحةً عن السلوك المرن اللزج للمادة أثناء مرورها بعمليتي التصلب والتصلب.

يوضح الشكلان 3 و4 منحنيات التصلب لنظامين مختلفين من الإيبوكسي، كما سجلها جهاز CureTrack. الأول هو لاصق إيبوكسي استهلاكي مع مُصلِّب قائم على الثيول، وهو Pacer Technology PT39 Z-Poxy 30 Minute Epoxy. يتميز هذا المنتج بوقت تصلب يبلغ 30 دقيقة، ويُباع عادةً في متاجر الهوايات لبناء النماذج. أما الثاني فهو راتنج Axson Epolam 2017 مع مُصلِّب Epolam 2018، وهو نظام تصلب أميني يُستخدم في تصنيع المواد المركبة المُصفَّحة بتقنية الترقق الرطب. يبلغ وقت التصلب المُقدَّر 6 ساعات عند نسبة وزن الراتنج إلى المُصلِّب 100:30 عند درجة حرارة 23 درجة مئوية في عملية الترقق، حيث تحدّ مساحة السطح الكبيرة من التسخين الطارد للحرارة وتسريع عملية التصلب.

 

 

وبالتالي فإن المؤشر الرئيسي للتصلب الوشيك هو الارتفاع السريع في اللزوجة المشار إليها، يليه زيادة في تردد الرنين لمستشعر الرنين.

تُظهر هذه المنحنيات عمليتين متميزتين، وثلاث مناطق.

تتضمن هذه العمليات التصلب والتصلب. يتميز التصلب بزيادة التخميد والتردد، مما يعكس ارتفاع لزوجة وصلابة الراتنج. وتتحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الهلامية. أما التصلب، فيتميز بانخفاض التخميد وزيادة الصلابة، وهو العملية التي تلي التصلب، والتي تحول المادة من كتلة لزجة عالية اللزوجة إلى مادة صلبة. وتحدد هاتان العمليتان أيضًا ثلاث حالات تمر بها المادة أثناء التصلب والتصلب:

1. منطقة سائلة، حيث تكون صلابة المادة منخفضة للغاية، وينعكس ذلك في التردد المنخفض والثابت نسبيًا لرنان جهاز CureTrack. في هذه المنطقة، تكون اللزوجة منخفضة نسبيًا أيضًا، كما يتضح من انخفاض قيمة التخميد.
2. المنطقة المتجمدة، حيث تزداد صلابة المادة وتخميدها بسرعة. تكون المادة في هذه المنطقة لزجة - أي ذات لزوجة عالية تصل إلى أقصى حد، مما يشير إلى ذروة عملية التجمد قبل بدء التصلب. تصبح المادة أكثر صلابة، مكونة كتلة مطاطية قبل التصلب النهائي.
3. منطقة صلبة. انخفض التخميد مرة أخرى إلى قيمة منخفضة وثابتة نسبيًا. يُنتج الرنان الآن بشكل أساسي قصًا مرنًا للمادة، مع تبديد ضئيل ناتج عن قوى اللزوجة.

توضح مجموعتا المنحنيات قدرة جهاز CureTrack على استشعار بداية عملية التصلب، بالإضافة إلى تقديم بيانات كمية تسمح بتتبع عملية المعالجة بأكملها.

شيمكين [4] نشر مقالاً ممتازاً يستعرض فيه حالة مراقبة تصلب المواد اللاصقة. وخلص إلى أنه على الرغم من توفر عدد من الطرق لمراقبة وقت التصلب، إلا أن هناك نقصاً في قاعدة الأجهزة التجارية، فضلاً عن نقص عام في المعايير، وبالتالي عدم وجود اتفاق بين طرق القياس المختلفة.

معظم الطرق التي يناقشها شيمكين غير مباشرة، مثل التحليل العازل، إذ تقيس خاصيةً لنظام الراتنج مرتبطةً بخصائصه الميكانيكية، لكنها لا تقيس مباشرةً الخصائص المهمة وظيفيًا في تطبيق نظام الراتنج. وبناءً على ذلك، فإن أي تقنية قياس تقيس مباشرةً خصائص مثل التصلب والتجمد توفر معلومات فورية ومباشرة عن حالة الراتنج.

تطبيقات تقنية CureTrack

إن القياس المباشر للخواص الميكانيكية لنظام الراتنج له تطبيقات في كل من المختبر وفي أرضية المصنع، حيث يتم خلط الراتنجات وتطبيقها ومعالجتها في بيئة إنتاجية.

في المختبر، يمكن استخدام أداة تحليل ميكانيكية متطورة مثل تقنية CureTrack لأغراض البحث والتطوير ومراقبة الجودة. في مختبر البحث والتطوير، تُستخدم هذه التقنية لتحليل خصائص معالجة الراتنجات والتركيبات الجديدة. وبفضل بساطتها، واستخدامها لعناصر استشعار رخيصة الثمن وقابلة للاستخدام لمرة واحدة، يُمكن تحليل أعداد كبيرة من العينات بكفاءة اقتصادية دون خطر إتلاف أجهزة الاستشعار باهظة الثمن، أو الحاجة إلى تنظيف مُطوّل ومُستهلك للوقت للمخلفات التي يصعب إزالتها. ولأغراض مراقبة الجودة، يُمكن مراقبة عينات الراتنجات المختلطة في المختبر دون الحاجة إلى تحضير أو تنظيف مُطوّل.

وبالمثل، ولأغراض مراقبة الجودة، تتيح متانة هذه التقنية إمكانية مراقبة دفعات الإنتاج المختلطة في أرضية المصنع، بدلاً من الحاجة إلى أخذ عينات للتحليل المختبري. ويمكن إدخال أجهزة مثل CureTrack مباشرةً في وعاء الراتنج لمراقبة حالته أثناء تقدم الإنتاج، وإصدار إنذار تحذيري عند اقتراب التصلب، ويجب التخلص من أي مادة متبقية قبل أن تتصلب.

سيركز التطوير المستقبلي لهذه التقنية أيضًا على مراقبة عملية التصلب في سيناريوهات الإنتاج الفعلية. على سبيل المثال، يمكن وضع طرف المسبار على سطح طبقة مشبعة بالراتنج لمراقبة حالة مادة المصفوفة. أو يمكن إدخال طرف المسبار إلى عمق محدد في مكون مصبوب وإخراجه عند بدء عملية التصلب.

بما أن درجة الحرارة عامل أساسي في تحديد معدلات التصلب، فقد زودت شركة CureTrack جهاز استشعار حراري يقيس درجة الحرارة عند طرف المسبار. يستطيع هذا الجهاز قياس درجة الحرارة بدقة في موضع التصلب والتصلب، مما يتيح مراقبة درجة حرارة الراتنج وتتبع الحرارة المتولدة أثناء عملية التصلب.

مراجع حسابات

1. يمكن العثور على روابط لمعلومات حول استخدام قياس اللزوجة المدمج في تطبيقات الطباعة في https://rheonics.com/solutions/
2. https://rheonics.com/products/inline-viscometer-srv/
3. المواد 2013، 6، 3783-3804؛ doi:10.3390/ma6093783، ISSN 1996-1944، www.mdpi.com/journal/materials، مراجعة: مراقبة حالة تصلب الراتنجات المتصلبة بالحرارة باستخدام الموجات فوق الصوتية، فرانشيسكا ليونيتو ​​وألفونسو مافيزولي
4. ISSN 1070-3632، المجلة الروسية للكيمياء العامة، 2016، المجلد 86، العدد 6، الصفحات 1488-1493. دار نشر Pleiades المحدودة، 2016. النص الروسي الأصلي من تأليف أ. أ. شيمكين، 2014، نُشر في المجلة الروسية للكيمياء، 2014، المجلد 58، العددان 3-4، الصفحات 55-61.