Optimierung von Schmelzklebstoffprozessen (HMA) mit erweiterter Viskositätskontrolle

• 1. Einleitung
• 2. Branchenüberblick
• 2.1 Schmelzklebstoffe HMA
• 2.2 Arten von HMA
• 2.3 Schmelzklebstoff-Herstellungsprozess
• 2.4 Wichtige Überwachungsparameter
• 3. Rheonics Inline-Viskosimeter
• 3.1 SRV-Viskosimeterinstallation für den HMA-Produktionsprozess
• 3.2 Vorteile der Inline-Viskositätsüberwachung
• 4. Referenzen

Schmelzklebstoffe (HMA) sind komplexe Formulierungen aus Polymeren, Harzen, Wachsen und Additiven, die ihnen ihre einzigartigen Eigenschaften verleihen. Kunden verlassen sich auf die gleichbleibende Leistung des Klebstoffs in ihren Anwendungen, wie Verpackungen, Buchbinden, Produktmontage usw. Daher ist eine Möglichkeit zur Inline-Überwachung seiner Zusammensetzung für die Qualitätssicherung von grundlegender Bedeutung. Die Viskosität ist aus zahlreichen Gründen ein wichtiger Parameter zur Überwachung der HMA-Produktion und beeinflusst alles von der Rohstoffqualität bis hin zur Leistung des Endprodukts und der Produktionseffizienz.

Ein Schmelzklebstoff (HMA) oder „Heißkleber“ ist ein thermoplastischer Polymerklebstoff, der bei Raumtemperatur fest ist und durch Erhitzen flüssig aufgetragen wird. Das Erhitzen erfolgt üblicherweise mit Heißluftpistolen oder ähnlichen Geräten. Diese verwandeln den festen Klebstoff in einen geschmolzenen oder flüssigen Zustand, der durch Abkühlen und Erstarren eine Verbindung herstellt. Dieser Aushärtungsmechanismus allein durch Wärmeabgabe ist ein grundlegendes Merkmal und ein Hauptvorteil von HMAs, da er die bei lösemittel- oder wasserbasierten Klebstoffsystemen oft erforderlichen Trocknungs- oder Aushärtungsschritte überflüssig macht [1].

HMA verfügt über wichtige Eigenschaften, die es zu einem weit verbreiteten Klebstoff machen:

• Schnelle Abbindegeschwindigkeit: Bildet innerhalb von Sekunden nach dem Auftragen eine Verbindung.
• Lösemittelfreie Zusammensetzung: Reduziert oder eliminiert die Emission flüchtiger organischer Verbindungen (VOC).
• Vielseitigkeit bei der Substratverklebung: poröse (z. B. Papier, Holz) und nicht poröse Substrate (z. B. Kunststoffe, Metalle).
• Gut zum Füllen von Lücken: Minimale oder keine Schrumpfung nach dem Abkühlen
• Lange Haltbarkeit: Im festen Zustand sind HMAs leicht zu lagern und zu transportieren und erfordern nur minimale Anforderungen zur Erhaltung ihrer Eigenschaften.
• Verschiedene Präsentationen: Wird häufig als Klebestift verwendet, ist aber auch als Pellets, Chips, Kissen, Blöcke und Lamellen erhältlich.

Die Arten von Schmelzklebstoffen (HMAs) werden vorwiegend anhand ihrer primäres Basispolymer. Dies liegt daran, dass das Basispolymer das „Rückgrat“ des Klebstoffs bildet und weitgehend dessen grundlegende Eigenschaften bestimmt, wie z. B. Festigkeit, Flexibilität, Haftung auf verschiedenen Substraten, thermische Stabilität (wie gut es bei hohen oder niedrigen Temperaturen funktioniert), chemische Beständigkeit, Schmelzviskosität, Kosten und offene Zeit. Während Klebrigmacher, Wachse, Weichmacher und andere Zusatzstoffe für die Feinabstimmung bestimmter Leistungsmerkmale entscheidend sind, sorgt das Basispolymer für die inhärenten Fähigkeiten des HMA.

Die HMA-Produktion kann je nach gewünschtem Klebstofftyp variieren. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für einen Produktionsprozess, bei dem der Klebstoff in Tanks gemischt wird. Anschließend wird das geschmolzene Material durch einen Einschneckenextruder und eine Düse gepumpt, die dem Klebstoff seine endgültige Form verleiht. Abschließend wird das HMA in einem Wasserbad abgekühlt und auf die gewünschte Länge zugeschnitten. Im Folgenden werden die wichtigsten Schritte beschrieben.

Rohstoffvorbereitung

Die spezifischen Rohstoffe werden sorgfältig ausgewählt und entsprechend der gewünschten Rezeptur des Schmelzklebstoffs präzise dosiert. Verschiedene Polymere, Klebrigmacher, Wachse und Additive, alle im festen Zustand, werden je nach Anwendungszweck und erforderlichen Leistungseigenschaften ausgewählt.

Schmelzen und Mischen

Die festen Rohstoffe werden anschließend in einen Mischbehälter oder Reaktor mit Doppelmantel überführt, um die gewünschte Schmelztemperatur zu erreichen. Alternativ kann das Mischen in Doppelschneckenextrudern erfolgen, die später auch die endgültige Extrusion übernehmen.

Während des Mischprozesses werden die Materialien auf eine bestimmte Temperatur erhitzt (typischerweise zwischen 100 °C und 235 °C, abhängig von der Formulierung). Durch die Erwärmung werden die intermolekularen Kräfte, die die Polymerketten zusammenhalten, geschwächt, wodurch das Material fließt und einen geschmolzenen, fließfähigen Zustand erreicht, das sogenannte verflüssigte Material. [3] Aus diesem Materialzustand werden wichtige Prozessparameter zur Qualitätssicherung in der Produktion ermittelt, ausgewertet und charakterisiert.

Rührwerke oder Schnecken in einem Extruder sorgen für eine gründliche und homogene Vermischung aller Komponenten. Dieser Schmelz- und Mischschritt ist entscheidend für die gleichbleibende Qualität, Viskosität und Funktionalität des Endprodukts.

Wichtig: Schmelzklebstoffe (HMAs) sind einzigartig, da sie 100 % solide und kein Wasser oder Lösungsmittel als Träger verwendenDies ist ein großer Vorteil, da Trocknungs- oder Aushärtungsschritte entfallen und die mit flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) verbundenen Umweltbedenken reduziert werden. Es handelt sich um ein thermoplastisches Polymer, d. h. es wird beim Erhitzen plastisch oder formbar und verfestigt sich beim Abkühlen.

Hinweis: Die meisten Schmelzklebstoffe sind thermoplastischem, das heißt, sie werden bei Hitze flüssig und erstarren bei Abkühlung. Sie sind außerdem reversibel, das heißt, wenn sie erneut ausreichend erhitzt werden, schmelzen sie wieder und verlieren ihre innere Festigkeit.

Um einen Verlust der Haftfestigkeit bei hohen Temperaturen zu vermeiden (es sei denn, eine Reversibilität ist beabsichtigt), müssen die Polymermoleküle des Klebstoffs chemisch vernetzt nach dem Aushärten. Diese Vernetzung macht die Verbindung dauerhafter und hitzebeständiger. Dies wird durch die Zugabe von spezifische reaktive Komponenten in die Klebstoffformulierung während des Mischens. Heißschmelzen, die diese chemische Reaktion nach dem Abkühlen durchlaufen, werden genannt reaktive Schmelzklebstoffe. Polyurethan-reaktive (PUR) Hotmelts sind ein Beispiel für reaktive HMAs.

Entmagnetisierung

In einigen Fällen, insbesondere bei Anwendungen, bei denen Luftblasen die Leistung beeinträchtigen könnten, ist ein Entgasungsschritt vorgesehen. Dabei wird an die geschmolzene Klebstoffmischung in den Behältern ein Vakuum angelegt, um eingeschlossene Luft oder flüchtige Bestandteile zu entfernen.

Filtration

Der geschmolzene Klebstoff kann durch ein Filtersystem geleitet werden. Dadurch werden Verunreinigungen, ungelöste Partikel und Fremdstoffe entfernt und die Reinheit und Qualität des Endprodukts sichergestellt.

Extrusion und Kühlung

Der geschmolzene Klebstoff wird anschließend durch eine Düse in die gewünschte Form extrudiert, z. B. als Pellets, Chips, Blöcke, Stäbe oder Platten. Unmittelbar nach der Formgebung wird der Schmelzklebstoff schnell abgekühlt, häufig mithilfe von Kühlbändern oder Wasserbädern. Durch die schnelle Abkühlung erstarrt der Klebstoff zu seiner festen Form.

Verpackungs-

Sobald der Schmelzklebstoff alle Qualitätskontrollen bestanden hat, wird er je nach Bedarf des Endverbrauchers in verschiedene für den Vertrieb und die Anwendung geeignete Behälter verpackt, beispielsweise Beutel, Fässer, Kartuschen oder andere spezielle Formen.

Verschiedene Leistungseigenschaften von Schmelzklebstoffen sind entscheidend für reibungslose und effiziente Produktionsprozesse und die Erreichung der gewünschten Klebequalität. Wichtige Parameter in der Produktion werden im flüssigen Zustand gemessen, während andere Tests mit den festen Rohstoffen und dem fertigen Klebstoff durchgeführt werden. Diese sogenannten Auswahlkriterien werden als Parameter bezeichnet [3].

Temperatur:
Die Mischtemperatur ist entscheidend, um sicherzustellen, dass alle Komponenten schmelzen und sich homogen vermischen. Die Schmelztemperatur ist die Temperatur des geschmolzenen Klebstoffs unmittelbar vor der Extrusion oder Verpackung. Sie beeinflusst die endgültige Viskosität und Verarbeitbarkeit.

Viskosität: Die Viskosität, definiert als der Fließwiderstand des geschmolzenen Klebstoffs, ist von größter Bedeutung. Sie bestimmt, wie leicht sich der Klebstoff pumpen und auftragen lässt, wie gut er die Substratoberfläche benetzt, um eine gute Haftung zu gewährleisten, und wie sich die Perlengröße oder das Sprühmuster steuern lassen. Die Viskosität ist stark temperaturabhängig; ein Temperaturanstieg führt typischerweise zu einer Abnahme der Viskosität. Unkontrollierte oder außerhalb der Spezifikation liegende Viskosität während des Mischens und unmittelbar vor der Extrusion ist eine Hauptursache für viele Probleme in der Produktionslinie, von inkonsistenter Anwendung bis hin zu Klebefehlern.

Mischgeschwindigkeit/Scherkraft: Die Mischintensität ist für die Homogenität entscheidend und muss daher kontrolliert werden, um eine gleichmäßige Verteilung der Komponenten zu gewährleisten, ohne scherempfindliche Polymere zu beschädigen.

Druck: Wird in Extrudern oder Mischbehältern überwacht, um einen reibungslosen Fluss zu gewährleisten und Verstopfungen zu vermeiden. Vakuumdruck ist relevant, wenn Vakuum erforderlich ist.

Beim Endprodukt werden nach der Extrusion weitere Parameter ausgewertet, wie beispielsweise:

Erweichungspunkt: Dies ist die Temperatur, bei der das feste HMA weich wird und fließt bzw. plastisch wird. Sie wird maßgeblich durch die Art des Basispolymers sowie die Menge und Art des Wachses in der Formulierung bestimmt. Der Erweichungspunkt bestimmt die Mindestanwendungstemperatur und beeinflusst die Hitzebeständigkeit der fertigen Klebeverbindung.

Offene Zeit: Dies bezeichnet die maximal zulässige Zeitspanne nach dem Auftragen des geschmolzenen Klebstoffs auf das erste Substrat, innerhalb derer das zweite Substrat in Kontakt gebracht werden muss, um eine zufriedenstellende Verbindung herzustellen [4]. Die offene Zeit muss sorgfältig auf die Geschwindigkeit und die Abläufe des Montageprozesses abgestimmt werden. Ist sie zu kurz, führt dies zu einer schlechten Benetzung und einer schwachen Verbindung. Ist sie zu lang, kann dies die Produktionsgeschwindigkeit beeinträchtigen oder dazu führen, dass sich Teile verschieben, bevor die Verbindung fest wird.

Zeit einstellen (Geschwindigkeit einstellen): Dies ist die Zeit, die das HMA benötigt, um ausreichend abzukühlen und zu erstarren, um eine Verbindung mit akzeptabler Festigkeit zu bilden, sodass die montierten Teile gehandhabt oder in die nächste Produktionsstufe überführt werden können. Schnelle Abbindezeiten sind einer der Hauptvorteile von HMAs und tragen zu hohen Produktionsgeschwindigkeiten bei.

Topfzeitstabilität: Diese Eigenschaft beschreibt die Fähigkeit des HMA, seine angegebenen Eigenschaften (z. B. Viskosität, Farbe, Abwesenheit von Verkohlung oder Gelierung) beizubehalten, wenn es über längere Zeit im geschmolzenen Zustand im Tank oder Behälter des Applikationsgeräts aufbewahrt wird. Eine kurze Topfzeit führt zu Klebstoffabbau, was zu Düsenverstopfungen, uneinheitlicher Applikationsqualität und erhöhtem Gerätewartungsaufwand führen kann. HMA-Formulierungen enthalten üblicherweise Antioxidantien, um die Topfzeitstabilität zu verbessern.

Rheonics SRV ist ein Inline-Prozessviskosimeter, das einen weiten Bereich von Viskosität und Temperatur in Echtzeit misst. Es eignet sich für den Einbau in Misch- und Lagertanks sowie in Rohrleitungen zur kontinuierlichen Messung von Prozessflüssigkeiten. Rheonics SRV ist mit Hochgeschwindigkeitsmischprozessen kompatibel und wird durch das Vorhandensein von Blasen in der Flüssigkeit oder externe Vibrationen nicht beeinträchtigt.

Rheonics Die Sensoren basieren auf der patentierten Balanced Torsional Resonator (BTR)-Technologie, die es ermöglicht, dass die Sonde kompakt und leicht, aber dennoch robust für die industrielle Umgebung und kompatibel mit Hochtemperaturanwendungen (bis zu 285 °C), Vakuum- und Hochdruckanwendungen ist. Rheonics SRV hat keine beweglichen Teile, es ist eine hermetisch abgedichtete Sonde aus benetztem Edelstahl 316L.

Der SRV-Sensor wird in verschiedenen Sondenvarianten mit unterschiedlichen Längen und Prozessanschlüssen angeboten, was eine einfache Installation für jede Anwendung gewährleistet. Alle SRV-Sonden verwenden das gleiche Sensorelement, was eine einfache Skalierbarkeit in Produktionsprozessen ermöglicht.

Wie bereits erläutert, ist die Viskosität ein kritischer Parameter für HMAs, da es sich direkt auf deren Verarbeitbarkeit, Anwendungsleistung und letztendlich auf die endgültige Bindungsstärke auswirkt. Durch die Verwendung Rheonics Mit dem SRV-Inline-Viskosimeter können sowohl Viskosität als auch Temperatur inline überwacht werden. Dies ist besonders während Misch- und Extrusionsprozessen zu empfehlen, wie in Abbildung 3.t dargestellt.

Einbau in den Tank

Rheonics SRV kann in Tanks von unten, von der Wand oder von oben eingebaut werden. Dies hängt von der Tankkonstruktion (Größe, ummantelte Wände, Mischwellen usw.) und den Benutzerpräferenzen (Zugänglichkeit, einfache Installation usw.) ab.

Für eine korrekte Installation des SRV-Sensors im Tank zur Überwachung der HMA-Produktion sollte die folgende Empfehlung befolgt werden:

• Stellen Sie sicher, dass das Sensorelement mit dem geschmolzenen Material in Kontakt ist. Bei Installationen von der Oberseite des Tanks aus kann dies die Verwendung eines lange Einfügung SRVVermeiden Sie bei Wand- und Bodeninstallationen tote Zonen, die zu Stagnationszonen führen können, die den Erfassungsbereich beeinträchtigen – siehe Abbildung 5.
• Stellen Sie sicher, dass die SRV-Sonde nicht durch die Mischwellen im Tank beschädigt wird.

  

   

Installation in Linie

Leitungen, die den Schmelzklebstoff vom Mischbehälter zu den Extrudern transportieren, müssen eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufrechterhalten, um konstante Flüssigkeitseigenschaften zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, werden Rohre ummantelt und Verdrängerpumpen wie Zahnrad- oder Kolbenpumpen eingesetzt. Zahnradpumpen werden bevorzugt, um einen gleichmäßigen, kontinuierlichen Durchfluss zu gewährleisten, während Kolbenpumpen einen hohen Druck in den Leitungen ermöglichen, aber einen leicht pulsierenden Durchfluss erzeugen.

Rheonics SRV eignet sich für Inline-Installationen auch bei hohen Temperaturen und Drücken. SRV arbeitet mit ruhenden und fließenden Flüssigkeiten und weist keine Betriebsprobleme bei pulsierendem Durchfluss auf. Die empfohlene SRV-Installation in Rohrleitungen für HMAs erfolgt in einem Krümmer, wobei die Sonde entgegen der Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet ist.

Einbau in Klein- oder Bypassleitungen

Bei der Herstellung von Schmelzklebstoffen werden häufig kleine Leitungen oder Bypass-Leitungen verwendet, die an Hauptleitungen angeschlossen sind, um Proben zu entnehmen und die rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit zu untersuchen. In diesen Leitungen ist es wichtig, einen bestimmten Druck und eine bestimmte Temperatur für die Flüssigkeit einzuhalten.

In diesem Szenario, Rheonics bietet Zubehör wie:

1. Durchflusszellen: Alle SRV Inline-Durchflusszellen anzeigen.
2. Heizkammer: Rheonics STCM-IFP ist eine Inline-Kammer, die eine Temperaturregelung und gute Temperaturisolierung ermöglicht und die Temperatur der Flüssigkeit beim Eintreten aufrechterhält.

   

• Feedback und Kontrolle in Echtzeit:

  Im Gegensatz zu Offline-Labortests, die verzögerte Ergebnisse liefern, Rheonics Inline-SRV-Viskosimeter gibt sofortige, kontinuierliche Daten. Dadurch können Bediener genau verfolgen, wie sich die Viskosität beim Hinzufügen und Mischen der Rohstoffe entwickelt. Dies ermöglicht sofortige Anpassungen um Parameter wie Temperatur, Mischgeschwindigkeit oder sogar Rohstoffzufuhrraten zu verarbeiten.

• Einfache Datenintegration:

  Rheonics SRV verwendet eine leistungsstarke Elektronik, genannt SME. Dieses Gerät erfasst Messwerte vom Sensor und gibt die gemessene Viskosität und Temperatur aus. Es unterstützt außerdem nativ mehrere industrielle Kommunikationsprotokolle wie Modbus, Profinet, Ethernet/IP, HART, usw. zur Integration mit lokalen Überwachungs- und Steuerungssystemen.

• Verbesserte Produktkonsistenz und -qualität:

  Durch eine strengere Kontrolle der Viskosität während der Produktion können Hersteller deutlich Reduzierung von ChargenschwankungenDies führt zu einer gleichbleibenderen Produktqualität, weniger Chargen, die nicht den Spezifikationen entsprechen, und letztendlich zu zufriedeneren Kunden.

• Optimierte Produktionseffizienz:

  Durch frühzeitiges Erkennen von Abweichungen können Probleme behoben werden, bevor eine ganze Charge vernichtet wird. Abfall reduzieren von teuren Rohstoffen und Energie.

  Energieoptimierung: Durch die Kenntnis der genauen Viskosität können der Energieeintrag beim Mischen und Erhitzen optimiert und so möglicherweise Energie gespart werden.

• Prozessverständnis und Fehlerbehebung:

  Rheonics SRV bietet eine umfassende historische Aufzeichnungen der Viskosität und Temperatur von HMAs. Diese Daten sind von unschätzbarem Wert für die Prozessoptimierung, die Erkennung von Trends und die schnelle Diagnose der Grundursache eventuell auftretender Produktionsprobleme.

• Weniger manuelle Eingriffe und mehr Sicherheit:

  Durch die automatisierte Inline-Messung entfällt die Notwendigkeit manueller Probenahmen, die angesichts der hohen Temperaturen geschmolzener HMAs gefährlich sein können. Zudem werden Arbeitskräfte für andere Aufgaben frei.

[1]:Eigenschaften, Arten und Anwendungen von Schmelzklebstoffen

[2]:Hot Melt Klebstoffe

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

[4]: Was ist ein Schmelzklebstoff (HMA)?