مراقبة اللزوجة أثناء عملية تصنيع راتنجات الإيبوكسي

1.2 مقارنة بين عمليات الإنتاج الدفعية وعمليات الإنتاج المستمرة

في صناعة راتنجات الإيبوكسي، يتميز كل من نموذجي الإنتاج الدفعي والمستمر بمزايا وعيوب واضحة، مما يؤدي إلى اختلافات جوهرية في متطلبات التحكم باللزوجة. تتضمن المعالجة الدفعية تغذية المواد الخام في مفاعل على دفعات منفصلة، ​​حيث تخضع لسلسلة من التفاعلات الكيميائية والتبادلات الحرارية. تُستخدم هذه الطريقة غالبًا للإنتاج على نطاق صغير، أو التركيبات المخصصة، أو المنتجات ذات التنوع العالي، مما يوفر مرونة في إنتاج راتنجات متخصصة بخصائص محددة. مع ذلك، يرتبط الإنتاج الدفعي بدورات إنتاج أطول وجودة منتج غير متسقة بسبب المناولة اليدوية، وتفاوت المواد الخام، وتقلبات العملية. لهذا السبب تحديدًا، يُشير مهندسو الإنتاج والعمليات غالبًا إلى "ضعف اتساق الدفعات" كأحد التحديات الرئيسية.

في المقابل، يعتمد الإنتاج المستمر على تدفق ثابت للمواد والمنتجات عبر سلسلة من المفاعلات والمضخات والمبادلات الحرارية المتصلة ببعضها. يُفضّل هذا النموذج في التصنيع واسع النطاق وللمنتجات القياسية ذات الطلب العالي، إذ يوفر كفاءة إنتاجية فائقة واتساقًا أكبر للمنتجات بفضل أنظمة التحكم الآلية التي تقلل من تباينات العملية. مع ذلك، تتطلب العمليات المستمرة استثمارًا أوليًا أكبر وأنظمة تحكم أكثر تطورًا للحفاظ على استقرارها.

تؤثر الاختلافات الجوهرية بين هذين النمطين بشكل مباشر على قيمةمراقبة اللزوجة المباشرةبالنسبة للإنتاج على دفعات، تعتبر بيانات اللزوجة في الوقت الفعلي ضرورية للتعويض عن التناقضات الناتجة عن التدخل اليدوي واختلافات العملية، مما يتيح للمشغلين إجراء تعديلات قائمة على البيانات بدلاً من الاعتماد على الخبرة وحدها.Iإن مراقبة اللزوجة عبر الإنترنت تحول بشكل جذري عملية فحص الجودة التفاعلية التي تتم بعد الإنتاج إلى عملية تحسين استباقية في الوقت الفعلي.

1.3 الدور الحاسم للزوجة

تُعرَّف اللزوجة بأنها مقاومة السائل للتدفق، أو مقياس احتكاكه الداخلي. بالنسبة لراتنجات الإيبوكسي السائلة، لا تُعدّ اللزوجة مُعاملًا فيزيائيًا مُنعزلًا، بل مؤشرًا أساسيًا يرتبط ارتباطًا مباشرًا بتقدم تفاعل البلمرة، والوزن الجزيئي، ودرجة التشابك، وأداء المنتج النهائي.

أثناء تفاعل التخليق، تحدث تغييرات فيلزوجة راتنج الإيبوكسييعكس ذلك بشكل مباشر نمو السلاسل الجزيئية وعملية التشابك. في البداية، مع ارتفاع درجة الحرارة، تنخفض لزوجة راتنج الإيبوكسي نتيجةً لزيادة الطاقة الحركية الجزيئية. ولكن مع بدء تفاعل البلمرة وتكوّن شبكة ثلاثية الأبعاد متشابكة، تزداد اللزوجة بشكل كبير حتى يتصلب المادة تمامًا. من خلال المراقبة المستمرة للزوجة، يستطيع المهندسون تتبع تقدم التفاعل بدقة وتحديد نقطة نهايته بدقة. هذا لا يمنع المادة من التصلب داخل المفاعل فحسب، مما يوفر الوقت والجهد المبذولين في إزالتها يدويًا، بل يضمن أيضًا أن المنتج النهائي يفي بمواصفات الوزن الجزيئي والأداء المستهدفة.

علاوة على ذلك، تؤثر اللزوجة بشكل مباشر على التطبيقات اللاحقة وسهولة المعالجة. فعلى سبيل المثال، في تطبيقات الطلاء والمواد اللاصقة والتغليف، تحدد اللزوجة السلوك الريولوجي للراتنج، وقابليته للانتشار، وقدرته على إطلاق فقاعات الهواء المحتبسة. تسهل الراتنجات منخفضة اللزوجة إزالة الفقاعات ويمكنها ملء الفراغات الدقيقة، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الصب العميق. في المقابل، تتميز الراتنجات عالية اللزوجة بخصائص عدم التقطير أو الترهل، مما يجعلها مثالية للأسطح الرأسية أو تطبيقات منع التسرب.

لذا، يوفر قياس اللزوجة رؤية أساسية لسلسلة تصنيع راتنجات الإيبوكسي بأكملها. ومن خلال تطبيق مراقبة دقيقة للزوجة في الوقت الفعلي، يمكن تشخيص عملية الإنتاج بأكملها وتحسينها في الوقت الفعلي.

2. تقنيات مراقبة اللزوجة: تحليل مقارن

2.1 مبادئ تشغيل مقاييس اللزوجة المدمجة

2.1.1 مقاييس اللزوجة الاهتزازية

مقاييس اللزوجة الاهتزازيةأصبحت هذه التقنية خيارًا شائعًا لمراقبة العمليات المباشرة نظرًا لتصميمها المتين ومبادئ تشغيلها الفعّالة. ويكمن جوهر هذه التقنية في عنصر استشعار صلب يهتز داخل السائل. وأثناء اهتزاز المستشعر في السائل، يفقد طاقةً نتيجةً لمقاومة لزوجة السائل. ومن خلال قياس هذا التبديد للطاقة بدقة، يربط النظام القراءة بلزوجة السائل.

تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لمقاييس اللزوجة الاهتزازية في قدرتها على العمل بمعدل قص عالٍ، مما يجعل قراءاتها غير حساسة عمومًا لحجم الأنبوب أو معدل التدفق أو الاهتزازات الخارجية، ما يضمن قياسات عالية الدقة وقابلة للتكرار. مع ذلك، من المهم ملاحظة أن لزوجة السوائل غير النيوتونية، مثل راتنجات الإيبوكسي، تتغير بتغير معدل القص. وبالتالي، قد ينتج عن تشغيل مقياس اللزوجة الاهتزازي بمعدل قص عالٍ لزوجة مختلفة عن تلك المقاسة بواسطة مقياس لزوجة مخبري منخفض القص، مثل مقياس اللزوجة الدوراني أو كوب التدفق. لا يعني هذا الاختلاف عدم دقة القياس، بل يعكس السلوك الريولوجي الحقيقي للسائل في ظل ظروف مختلفة. تكمن القيمة الأساسية لمقياس اللزوجة المدمج في قدرته على تتبع...التغير النسبيفي اللزوجة، وليس لمجرد مطابقة قيمة مطلقة من اختبار معملي.

2.1.2 مقاييس اللزوجة الدورانية

تُحدد مقاييس اللزوجة الدورانية اللزوجة عن طريق قياس عزم الدوران اللازم لتدوير محور أو بكرة داخل سائل. تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في كل من المختبرات والبيئات الصناعية. ومن أهم مزايا مقاييس اللزوجة الدورانية قدرتها على قياس اللزوجة عند معدلات قص مختلفة عن طريق ضبط سرعة الدوران. وهذا أمر بالغ الأهمية خاصةً للسوائل غير النيوتونية، مثل العديد من تركيبات الإيبوكسي، التي لا تكون لزوجتها ثابتة، بل تتغير بتغير إجهاد القص المُطبق.

2.1.3 مقاييس اللزوجة الشعرية

تقيس مقاييس اللزوجة الشعرية اللزوجة عن طريق قياس الزمن اللازم لتدفق سائل عبر أنبوب ذي قطر معلوم تحت تأثير الجاذبية أو ضغط خارجي. تتميز هذه الطريقة بدقة عالية وقابلية تتبعها وفقًا للمعايير الدولية، مما يجعلها أساسية في مختبرات مراقبة الجودة، لا سيما بالنسبة للسوائل النيوتونية الشفافة. مع ذلك، تُعد هذه التقنية معقدة، إذ تتطلب تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة وتنظيفًا متكررًا. كما أن طبيعتها غير المتصلة بالشبكة تجعلها غير مناسبة للمراقبة المستمرة واللحظية للعمليات في بيئة الإنتاج.

2.1.4 التقنيات الناشئة

إلى جانب الأساليب التقليدية، يجري استكشاف تقنيات أخرى لتطبيقات متخصصة. فعلى سبيل المثال، استُخدمت أجهزة الاستشعار فوق الصوتية للمراقبة الآنية للزوجة البوليمرية عند درجات حرارة عالية. بالإضافة إلى ذلك، يجري البحث في أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية للمراقبة غير التداخلية والمباشرة لعملية التشابك والتصلب في راتنجات الإيبوكسي.

2.2 مقارنة تقنيات قياس اللزوجة

يقدم الجدول أدناه تحليلاً مقارناً لتقنيات قياس اللزوجة الرئيسية المدمجة لمساعدة المهندسين على اتخاذ قرار مستنير بناءً على متطلبات عملياتهم المحددة في تصنيع راتنجات الإيبوكسي.

الجدول 1: مقارنة تقنيات مقياس اللزوجة المدمج