Optimización de los procesos de adhesivos termofusibles (HMA) con control avanzado de la viscosidad

• 1. Introducción
• 2. Visión general de la industria
• 2.1 Adhesivos termofusibles HMA
• 2.2 Tipos de HMA
• 2.3 Proceso de producción de adhesivo termofusible
• 2.4 Parámetros clave de seguimiento
• 3. Rheonics Viscosímetro en línea
• 3.1 Instalación del viscosímetro SRV para el proceso de producción de HMA
• 3.2 Beneficios del monitoreo de la viscosidad en línea
• 4. referencias

Los adhesivos termofusibles (HMA) son formulaciones complejas de polímeros, resinas, ceras y aditivos que les confieren sus propiedades únicas. Los clientes confían en que el adhesivo tenga un rendimiento consistente en sus aplicaciones, como embalaje, encuadernación, ensamblaje de productos, etc. Por lo tanto, es fundamental supervisar su composición en línea para garantizar la calidad. La viscosidad es un parámetro clave para supervisar la producción de HMA por diversas razones, que influye en todos los aspectos, desde la calidad de la materia prima hasta el rendimiento del producto final y la eficiencia de la producción.

Un adhesivo termofusible (HMA) o «pegamento caliente» es un tipo de adhesivo polimérico termoplástico que se encuentra en estado sólido a temperatura ambiente y se aplica como líquido fundido mediante calentamiento. El calentamiento se realiza normalmente con pistolas de calor o dispositivos similares, que transforman el adhesivo del estado sólido al estado líquido o fundido, creando una unión mediante enfriamiento y solidificación. Este mecanismo de fraguado, basado únicamente en la pérdida de calor, es una característica fundamental y una ventaja fundamental de los HMA, ya que elimina los pasos de secado o curado que suelen requerir los sistemas adhesivos a base de disolventes o agua [1].

El HMA tiene características clave que lo convierten en un adhesivo ampliamente utilizado:

• Velocidad de fraguado rápida: Crea un vínculo en cuestión de segundos después de la aplicación.
• Composición libre de disolventes: Reduce o elimina las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV).
• Versatilidad en la unión de sustratos: sustratos porosos (por ejemplo, papel, madera) y no porosos (por ejemplo, plásticos, metales).
• Bueno para rellenar huecos: Contracción mínima o nula después del enfriamiento
• Larga vida útil: En su estado sólido, los HMA son fáciles de almacenar y transportar con requisitos mínimos para mantener sus características.
• Diferentes presentaciones: Se utiliza comúnmente en barras de pegamento, pero también está disponible en forma de pellets, chips, almohadas, bloques y listones.

Los tipos de adhesivos termofusibles (HMA) se clasifican y comprenden principalmente en función de su polímero de base primariaEsto se debe a que el polímero base forma la “columna vertebral” del adhesivo y determina en gran medida sus propiedades fundamentales, como resistencia, flexibilidad, adhesión a diferentes sustratos, estabilidad térmica (qué tan bien se desempeña a temperaturas altas o bajas), resistencia química, viscosidad de fusión, costo y tiempo abiertoSi bien los adhesivos, ceras, plastificantes y otros aditivos son cruciales para ajustar las características de rendimiento específicas, el polímero base proporciona las capacidades inherentes del HMA.

La producción de HMA puede variar según el tipo de adhesivo deseado. La Figura 3 muestra un ejemplo de proceso de producción donde la mezcla del adhesivo se realiza en tanques. Posteriormente, el material fundido se bombea a través de una extrusora de un solo tornillo y una matriz que le da su forma final. Finalmente, el HMA se enfría en un baño de agua y se corta a la longitud requerida. A continuación, se describen los pasos principales.

Preparación de materia prima

Las materias primas específicas se seleccionan cuidadosamente y se miden con precisión según la formulación deseada para el adhesivo termofusible. Se seleccionan diferentes polímeros, agentes de pegajosidad, ceras y aditivos, todos en estado sólido, según la aplicación prevista y las características de rendimiento requeridas.

Derretir y mezclar

Las materias primas sólidas se transfieren a un recipiente de mezcla o a un reactor con camisa para alcanzar la temperatura de fusión requerida. Como alternativa, la mezcla puede realizarse en extrusoras de doble tornillo que también realizarán la extrusión final posteriormente.

Durante el proceso de mezcla, los materiales se calientan a una temperatura específica (normalmente entre 100 °C y 235 °C, según la formulación). Al calentarse, las fuerzas intermoleculares que unen las cadenas de polímero se debilitan, permitiendo que el material fluya y se convierta en un estado fluido fundido, el llamado material licuado. [3] A partir de este estado del material, se toman, evalúan y caracterizan los parámetros clave del proceso para garantizar la calidad de la producción.

Los agitadores o tornillos de una extrusora garantizan una mezcla completa y homogénea de todos los componentes. Este paso de fusión y mezcla es crucial para lograr una calidad, viscosidad y funcionalidad constantes en el producto final.

Importante: Los adhesivos termofusibles (HMA) son únicos porque son 100% sólido y No utilice agua ni disolvente como portador.Esta es una gran ventaja, ya que elimina los pasos de secado o curado y reduce las preocupaciones ambientales asociadas con los compuestos orgánicos volátiles (COV). Se trata de un polímero termoplástico, lo que significa que se vuelve plástico o maleable al calentarse y se solidifica al enfriarse.

Nota: La mayoría de los adhesivos termofusibles son termoplástico, lo que significa que se vuelven líquidos al calentarse y se solidifican al enfriarse. Además, son reversibles; es decir, si se recalientan lo suficiente, se fundirán de nuevo y perderán su resistencia interna.

Para evitar perder la resistencia de la unión a altas temperaturas (a menos que se desee reversibilidad), las moléculas de polímero del adhesivo deben ser reticulado químicamente después de que hayan fraguado. Esta reticulación hace que la unión sea más permanente y resistente al calor. Se logra añadiendo componentes reactivos específicos En la formulación del adhesivo durante su mezcla. Los adhesivos termofusibles que experimentan esta reacción química después del enfriamiento se denominan adhesivos termofusibles reactivosLos adhesivos termofusibles reactivos de poliuretano (PUR) son un ejemplo de HMA reactivos.

Desgasificación

En algunos casos, especialmente en aplicaciones donde las burbujas de aire podrían afectar negativamente el rendimiento, se incluye un paso de desgasificación. Este consiste en aplicar vacío a la mezcla adhesiva fundida en los recipientes para eliminar el aire atrapado o los componentes volátiles.

Filtración

El adhesivo fundido puede pasar por un sistema de filtración. Este elimina impurezas, partículas no disueltas o materias extrañas, garantizando así la pureza y la calidad del producto final.

Extrusión y enfriamiento

El adhesivo fundido se extruye a través de una matriz hasta obtener la forma deseada, como gránulos, chips, bloques, barras o láminas. Inmediatamente después de moldearlo, el adhesivo termofusible se enfría rápidamente, a menudo mediante bandas de enfriamiento o baños de agua. Este enfriamiento rápido hace que el adhesivo se solidifique.

Embalaje

Una vez que el adhesivo termofusible pasa todos los controles de calidad, se envasa en varios contenedores adecuados para su distribución y aplicación, como bolsas, tambores, cartuchos u otras formas especializadas, según las necesidades del usuario final.

Varias propiedades de rendimiento de los adhesivos termofusibles son cruciales para garantizar procesos de producción fluidos y eficientes, y lograr la calidad de adhesión deseada. Los parámetros clave de producción se miden en estado líquido, mientras que otras pruebas se realizan con las materias primas sólidas y el adhesivo final; estos se denominan parámetros de selección [3].

Temperatura:
La temperatura de mezcla es crucial para garantizar que todos los componentes se fundan y combinen homogéneamente. La temperatura de fusión es la temperatura del adhesivo fundido justo antes de la extrusión o el envasado; esta influye en la viscosidad final y la trabajabilidad.

Viscosidad: Definida como la resistencia del adhesivo fundido a fluir, la viscosidad es fundamental. Determina la facilidad con la que se bombea y aplica el adhesivo, su capacidad para humedecer la superficie del sustrato para una buena adhesión y el control del tamaño del cordón o del patrón de pulverización. La viscosidad depende en gran medida de la temperatura; un aumento de esta suele provocar una disminución de la viscosidad. Una viscosidad descontrolada o fuera de las especificaciones durante la mezcla y justo antes de la extrusión es una causa principal de muchos problemas en la línea de producción, desde una aplicación inconsistente hasta fallos de adhesión.

Velocidad de mezcla/corte: La intensidad de la mezcla es fundamental para la homogeneidad, por lo que debe controlarse para garantizar una dispersión uniforme de los componentes sin degradar los polímeros sensibles al cizallamiento.

Presión: Se monitorea dentro de las extrusoras o recipientes de mezcla para garantizar un flujo fluido y evitar obstrucciones. La presión de vacío es relevante cuando se requiere vacío.

Con el producto final, luego de la extrusión, se evalúan parámetros adicionales, como:

Punto de ablandamiento: Esta es la temperatura a la que el HMA sólido comienza a ablandarse y fluir, o a volverse plástico. Está determinada en gran medida por el tipo de polímero base y la cantidad y el tipo de cera en la formulación. El punto de ablandamiento guía la temperatura mínima de aplicación e influye en la resistencia térmica del ensamblaje final.

Tiempo abierto: Se refiere al tiempo máximo permitido tras la aplicación del adhesivo fundido al primer sustrato, dentro del cual el segundo sustrato debe entrar en contacto para formar una unión satisfactoria [4]. El tiempo abierto debe ajustarse cuidadosamente a la velocidad y la mecánica del proceso de ensamblaje. Si es demasiado corto, se producirá una humectación deficiente y una unión débil. Si es demasiado largo, la velocidad de producción puede verse afectada o las piezas pueden desplazarse antes de que la unión se fije.

Establecer hora (velocidad de ajuste): Este es el tiempo que el HMA necesita para enfriarse y solidificarse lo suficiente como para formar una unión con una resistencia aceptable, lo que permite manipular las piezas ensambladas o trasladarlas a la siguiente etapa de producción. Los tiempos de fraguado rápidos son una de las principales ventajas del HMA, lo que contribuye a una alta velocidad de producción.

Estabilidad de la vida útil de la mezcla: Esta propiedad describe la capacidad del HMA para mantener sus características específicas (p. ej., viscosidad, color, ausencia de carbonización o gelificación) al mantenerse fundido dentro del tanque o depósito del equipo de aplicación durante periodos prolongados. Una vida útil reducida provoca la degradación del adhesivo, lo que puede causar la obstrucción de las boquillas, una calidad de aplicación inconsistente y un mayor mantenimiento del equipo. Generalmente, se incluyen antioxidantes en las formulaciones de HMA para mejorar la estabilidad de la vida útil.

Rheonics SRV Es un viscosímetro de proceso en línea que mide un amplio rango de viscosidad y temperatura en tiempo real. Es apto para su instalación en tanques de mezcla y almacenamiento, así como en tuberías para la medición continua de fluidos de proceso. Rheonics SRV es compatible con procesos de mezcla de alta velocidad y no se ve afectado por la presencia de burbujas en el fluido o vibraciones externas.

Rheonics Los sensores se basan en la tecnología patentada Balanced Torsional Resonator (BTR), que permite que la sonda sea compacta y ligera, pero robusta para el entorno industrial y compatible con aplicaciones de alta temperatura (hasta 285 °C), aplicaciones de vacío y alta presión. Rheonics SRV no tiene partes móviles, es una sonda sellada herméticamente ofrecida en material humedecido en acero inoxidable 316L.

El sensor SRV se ofrece en diferentes variantes de sonda, con diferentes longitudes y conexiones a proceso, lo que garantiza una fácil instalación para cada aplicación. Todas las sondas SRV utilizan el mismo elemento sensor, lo que facilita su escalabilidad en los procesos de producción.

Como se explicó anteriormente, la viscosidad es una parámetro crítico para los HMA, ya que afecta directamente su procesabilidad, el rendimiento de la aplicación y, en última instancia, la resistencia final de la unión. Al usar Rheonics Viscosímetro en línea SRV, tanto la viscosidad como la temperatura se pueden monitorear en línea, especialmente recomendado durante los procesos de mezcla y extrusión, como se muestra en la Figura 3.t.

Instalación en tanque

Rheonics La SRV puede instalarse en tanques desde la parte inferior, la pared o la parte superior. Esto depende del diseño del tanque (es decir, del tamaño, las paredes encamisadas y las interferencias de los pozos de mezcla, etc.) y de las preferencias del usuario, como la accesibilidad y la facilidad de instalación.

Para una correcta instalación del sensor SRV en el tanque para el monitoreo de la producción de HMAs, se debe seguir la siguiente recomendación:

• Asegúrese de que el elemento sensor esté en contacto con el material fundido. Para instalaciones desde la parte superior del tanque, esto puede requerir el uso de un SRV de inserción largaEn instalaciones de pared y suelo, evite las zonas muertas que pueden generar zonas de estancamiento que afecten el área de detección (véase la Figura 5).
• Asegúrese de que la sonda SRV no se dañe por los ejes de mezcla dentro del tanque.

  

   

Instalación en línea

Las líneas utilizadas para transportar el adhesivo termofusible desde el tanque de mezcla hasta las extrusoras deben mantener una temperatura y presión elevadas para garantizar propiedades de fluido constantes. Para ello, las tuberías están encamisadas y se utilizan bombas de desplazamiento positivo, como bombas de engranajes o de pistón. Las bombas de engranajes son preferibles para garantizar un flujo uniforme y continuo, mientras que las bombas de pistón permiten una alta presión en las líneas, pero producen un flujo ligeramente pulsante.

Rheonics La válvula SRV es adecuada para instalaciones en línea, incluso a altas temperaturas y presiones. Funciona con fluidos estáticos y fluidos, y no presenta problemas de funcionamiento con flujo pulsante. La instalación recomendada de la válvula SRV en tuberías para HMA es en un codo, con la sonda en sentido contrario al flujo del fluido.

Instalación en línea pequeña o by-pass

En la producción de adhesivo termofusible, es común utilizar líneas pequeñas o de derivación conectadas a las líneas principales para tomar muestras y estudiar las propiedades reológicas del fluido. En estas líneas, es fundamental mantener una presión y temperatura adecuadas para el fluido.

En este escenario, Rheonics ofrece accesorios como:

1. Celdas de flujo: Ver todas las celdas de flujo en línea SRV.
2. Cámara de calentamiento: Rheonics STCM-IFP es una cámara en línea que permite el control de la temperatura y un buen aislamiento de la temperatura, manteniendo la temperatura del fluido tal como viene.

   

• Retroalimentación y control en tiempo real:

  A diferencia de las pruebas de laboratorio fuera de línea que brindan resultados retrasados, Rheonics El viscosímetro SRV en línea proporciona datos instantáneos y continuosEsto permite a los operadores ver con precisión cómo se desarrolla la viscosidad a medida que se agregan y mezclan las materias primas. Esto permite ajustes inmediatos para procesar parámetros como la temperatura, la velocidad de mezcla o incluso las tasas de alimentación de materia prima.

• Fácil integración de datos:

  Rheonics SRV utiliza una electrónica potente, llamada SMEEste dispositivo toma lecturas de la sonda del sensor y emite la viscosidad y la temperatura medidas. Además, es compatible con múltiples protocolos de comunicación industrial, como Modbus, Profinet y Ethernet/IP. HART, etc. para la integración con sistemas de monitoreo y control locales.

• Consistencia y calidad mejoradas del producto:

  Al mantener un control más estricto sobre la viscosidad durante la producción, los fabricantes pueden mejorar significativamente reducir las variaciones de lote a loteEsto conduce a una calidad de producto más consistente, menos lotes fuera de especificación y, en última instancia, clientes más satisfechos.

• Eficiencia de producción optimizada:

  Detectar desviaciones de forma temprana significa que los problemas se pueden corregir antes de que se arruine un lote entero. reduciendo desperdicio de materias primas y energía costosas.

  Optimización de energía: Conocer la viscosidad exacta permite optimizar el aporte de energía durante la mezcla y el calentamiento, lo que potencialmente genera ahorros de energía.

• Comprensión del proceso y solución de problemas:

  Rheonics SRV proporciona una registro histórico completo de la viscosidad y la temperatura de los HMA. Estos datos son invaluables para optimizar los procesos, identificar tendencias y diagnosticar rápidamente la causa raíz de cualquier problema de producción que pueda surgir.

• Reducción de la intervención manual y seguridad:

  La medición automatizada en línea reduce la necesidad de muestreo manual, que puede ser peligroso dadas las altas temperaturas de los HMA fundidos. Además, libera mano de obra para otras tareas.

[1]:Propiedades, tipos y aplicaciones de los adhesivos termofusibles

[2]:Adhesivos Hot Melt

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

[4]: ¿Qué es un adhesivo termofusible (HMA)?