I. Het belang van viscositeitsmeting van rubber bij de productie van SBR.
De succesvolle productie van styreenbutadieenrubber (SBR) is afhankelijk van de nauwkeurige beheersing en monitoring van de reologische eigenschappen. Viscositeit, die de weerstand van een materiaal tegen stroming kwantificeert, is de meest kritische fysisch-chemische parameter die zowel de verwerkbaarheid van de tussenproducten als de uiteindelijke kwaliteitsindex van de eindproducten bepaalt.
In desynthetisch rubberfabricageprocesViscositeit biedt een directe, meetbare indicator voor de fundamentele structurele kenmerken van het polymeer, met name het molecuulgewicht (MW) en de molecuulgewichtsverdeling (MWD). Inconsistentviscositeitsmeting van rubberDit brengt de materiaalverwerking en de prestaties van het eindproduct direct in gevaar. Zo leggen compounds met een te hoge viscositeit ernstige beperkingen op aan vervolgprocessen zoals extrusie of kalanderen, wat leidt tot een hoger energieverbruik, een grotere operationele belasting en mogelijk defecten aan de apparatuur. Omgekeerd kunnen compounds met een zeer lage viscositeit de vereiste smeltsterkte missen om de dimensionale integriteit te behouden tijdens het vormen of de uiteindelijke uithardingsfase.
Styreen-butadieenrubber (SBR)
*
Naast de loutere mechanische verwerking is viscositeitscontrole essentieel voor het verkrijgen van een uniforme dispersie van cruciale versterkende additieven, zoals roet en silica. De homogeniteit van deze dispersie bepaalt de uiteindelijke mechanische eigenschappen van het materiaal, waaronder kritische parameters zoals treksterkte, slijtvastheid en het complexe dynamische gedrag dat na de verwerking wordt vertoond.vulkanisatieproces van rubber.
II. Grondbeginselen van styreenbutadieenrubber (SBR)
Wat is styreenbutadieenrubber??
Styreenbutadieenrubber (SBR) is een veelzijdig synthetisch elastomeer dat veelvuldig wordt gebruikt vanwege de uitstekende prijs-prestatieverhouding en de grote beschikbaarheid. SBR wordt gesynthetiseerd als een copolymeer dat voornamelijk bestaat uit 1,3-butadieen (ongeveer 75%) en styreenmonomeren (ongeveer 25%). Deze monomeren worden gecombineerd door middel van een chemische reactie genaamd copolymerisatie, waarbij lange, meerdelige polymeerketens worden gevormd. SBR is specifiek ontworpen voor toepassingen die een hoge duurzaamheid en uitzonderlijke slijtvastheid vereisen, waardoor het een ideale keuze is voor bandenprofielen.
Productieproces van synthetisch rubber
De synthese van SBR wordt bereikt via twee verschillende industriële polymerisatiemethoden, die resulteren in materialen met verschillende inherente eigenschappen en specifieke viscositeitscontrole vereisen tijdens de vloeibare fase.
Emulsiepolymerisatie (E-SBR):Bij deze klassieke methode worden de monomeren gedispergeerd of geëmulgeerd in een waterige oplossing met behulp van een zeepachtig oppervlakteactief middel. De reactie wordt geïnitieerd door vrije-radicaalinitiatoren en vereist stabilisatoren om productbederf te voorkomen. E-SBR kan worden geproduceerd met zowel hoge als lage procestemperaturen; koud geproduceerde E-SBR staat met name bekend om zijn superieure slijtvastheid, treksterkte en lage veerkracht.
Oplossingspolymerisatie (S-SBR):Deze geavanceerde methode omvat anionische polymerisatie, waarbij doorgaans een alkyllithium-initiator (zoals butyllithium) wordt gebruikt in een koolwaterstofoplosmiddel, meestal hexaan of cyclohexaan. S-SBR-kwaliteiten hebben over het algemeen een hoger moleculair gewicht en een smallere verdeling, wat resulteert in verbeterde eigenschappen zoals een betere flexibiliteit, een hoge treksterkte en een aanzienlijk lagere rolweerstand in banden. Dit maakt S-SBR een premium, duurder product.
Cruciaal is dat in beide processen de polymerisatiereactie nauwkeurig moet worden beëindigd door een ketenstopper of afbreekmiddel aan het reactoruitstroom toe te voegen. Dit regelt de uiteindelijke ketenlengte, een stap die direct het initiële molecuulgewicht en bijgevolg de basis bepaalt.viscositeit van rubbervóór het samenstellen.
Eigenschappen van styreenbutadieenrubber
SBR wordt gewaardeerd om zijn sterke profiel van fysieke en mechanische eigenschappen:
Mechanische prestaties:Belangrijke sterke punten zijn de hoge treksterkte, die doorgaans varieert van 500 tot 3000 PSI, in combinatie met een uitstekende slijtvastheid. SBR vertoont ook een goede weerstand tegen vervorming door compressie en een hoge slagvastheid. Bovendien is het materiaal van nature scheurbestendig, een belangrijke eigenschap die de toevoeging van grote hoeveelheden versterkende vulstoffen, zoals roet, mogelijk maakt om de sterkte en UV-bestendigheid te verbeteren.
Chemisch en thermisch profiel:Hoewel SBR over het algemeen bestand is tegen water, alcohol, ketonen en bepaalde organische zuren, vertoont het opmerkelijke kwetsbaarheden. Het is slecht bestand tegen oliën op aardoliebasis, aromatische koolwaterstofbrandstoffen, ozon en gehalogeneerde oplosmiddelen. Thermisch gezien behoudt SBR flexibiliteit over een breed temperatuurbereik, met een maximale continue gebruikstemperatuur van ongeveer 107 °C en flexibiliteit bij lage temperaturen tot -16 °C.
Viscositeit als belangrijkste indicator voor moleculair gewicht en ketenstructuur
De reologische eigenschappen van het ruwe polymeer worden in wezen bepaald door de moleculaire structuur – de lengte en de mate van vertakking van de polymeerketens – die tijdens de polymerisatiefase tot stand komt. Een hoger moleculair gewicht vertaalt zich over het algemeen in een hogere viscositeit en overeenkomstige lagere smeltstroomdebieten (MFR/MVR). Het meten van de intrinsieke viscositeit (IV) direct bij de reactoruitlaat is daarom functioneel equivalent aan het continu monitoren van de vorming van de beoogde moleculaire architectuur.
III. Reologische principes die de SBR-verwerking beheersen
Reologische principes, afhankelijkheid van de schuifsnelheid, temperatuur-/drukgevoeligheid.
Reologie, de studie van hoe materialen vervormen en vloeien, biedt het wetenschappelijke kader voor het begrijpen van het gedrag van SBR onder industriële verwerkingsomstandigheden. SBR wordt gekarakteriseerd als een complex visco-elastisch materiaal, wat betekent dat het eigenschappen vertoont die een combinatie zijn van viskeuze (permanente, vloeistofachtige stroming) en elastische (herstelbare, vaste-stofachtige vervorming) reacties. De dominantie van deze eigenschappen hangt sterk af van de snelheid en de duur van de toegepaste belasting.
SBR-verbindingen zijn in principe niet-Newtoniaanse vloeistoffen. Dit betekent dat hun schijnbarerubberviscositeitis geen constante waarde, maar vertoont een cruciaalafhankelijkheid van de schuifsnelheidDe viscositeit neemt aanzienlijk af naarmate de schuifsnelheid toeneemt, een fenomeen dat bekend staat als schuifverdunning. Dit niet-Newtoniaanse gedrag heeft grote gevolgen voor de kwaliteitscontrole. Viscositeitswaarden die worden verkregen bij lage schuifsnelheden, zoals die gemeten worden in traditionele Mooney-viscometertests, geven mogelijk een onvoldoende beeld van het gedrag van het materiaal bij de hoge schuifsnelheden die inherent zijn aan meng-, kneed- of extrusieprocessen. Naast schuifkracht is viscositeit ook zeer gevoelig voor temperatuur; proceswarmte verlaagt de viscositeit, wat de vloei bevordert. Hoewel druk ook van invloed is op de viscositeit, is het van cruciaal belang om een stabiele temperatuur en een consistente schuifgeschiedenis te handhaven, aangezien de viscositeit dynamisch kan variëren met schuifkracht, druk en verwerkingstijd.
Invloed van weekmakers, vulstoffen en verwerkingshulpmiddelen op de viscositeit van SBR
DerubberverwerkingDeze fase, ook wel compounding genoemd, omvat het integreren van tal van additieven die de reologie van het basis-SBR-polymeer drastisch veranderen:
Weekmakers:Procesoliën zijn cruciaal voor het verbeteren van de flexibiliteit en de algehele verwerkbaarheid van SBR. Ze verlagen de viscositeit van het composietmateriaal, wat tegelijkertijd de uniforme verspreiding van vulstoffen bevordert en de polymeermatrix verzacht.
Vulstoffen:Versterkingsmiddelen, voornamelijk roet en silica, verhogen de viscositeit van het materiaal aanzienlijk, wat leidt tot complexe fysische verschijnselen die worden veroorzaakt door interacties tussen vulstofdeeltjes onderling en tussen vulstofdeeltjes en polymeer. Het bereiken van een optimale dispersie is een kwestie van balans; middelen zoals glycerol kunnen worden gebruikt om lignosulfonaatvulstoffen te verzachten, waardoor de viscositeit van de vulstof dichter bij de viscositeit van de SBR-matrix komt te liggen. Dit vermindert de vorming van agglomeraten en verbetert de homogeniteit.
Vulkanisatiemiddelen:Deze chemicaliën, waaronder zwavel en versnellers, brengen aanzienlijke veranderingen teweeg in de reologie van het onuitgeharde mengsel. Ze beïnvloeden factoren zoals de weerstand tegen aanbranden (weerstand tegen voortijdige verknoping). Andere gespecialiseerde additieven, zoals pyrogeen siliciumdioxide, kunnen strategisch worden ingezet als viscositeitsverhogende middelen om specifieke reologische doelen te bereiken, zoals het produceren van dikkere films zonder het totale gehalte aan vaste stoffen te veranderen.
Het verband tussen reologie, vulkanisatie van rubber en de uiteindelijke dwarsbindingsdichtheid.
De reologische conditionering die tijdens het mengen en vormen plaatsvindt, is direct gekoppeld aan de uiteindelijke prestaties van het gevulkaniseerde product.
Uniformiteit en spreiding:Inconsistente viscositeitsprofielen tijdens het mengen – vaak gecorreleerd met een niet-optimale energietoevoer – resulteren in een slechte dispersie en een inhomogene verdeling van het crosslinkingpakket (zwavel en versnellers).
Het vulkanisatieproces van rubber:Dit onomkeerbare chemische proces omvat het verhitten van de SBR-compound, meestal met zwavel, om permanente dwarsverbindingen tussen de polymeerketens te creëren, waardoor de sterkte, elasticiteit en duurzaamheid van het rubber aanzienlijk worden verbeterd. Het proces bestaat uit drie fasen: de inductiefase (verhitting) waarin de eerste vormgeving plaatsvindt; de fase van dwarsverbindingen of uitharding (snelle reactie bij 250 tot 400 °F); en de optimale toestand.
Dwarsverbindingsdichtheid:De uiteindelijke mechanische eigenschappen worden bepaald door de bereikte crosslinkdichtheid. Een hogere D-waarde resulteert in een hogere mechanische dichtheid.cDe waarden belemmeren de beweging van moleculaire ketens, waardoor de opslagmodulus toeneemt en de niet-lineaire visco-elastische respons van het materiaal wordt beïnvloed (bekend als het Payne-effect). Daarom is nauwkeurige reologische controle in de onuitgeharde verwerkingsfasen essentieel om ervoor te zorgen dat de moleculaire voorlopers correct worden voorbereid op de daaropvolgende uithardingsreactie.
IV. Bestaande problemen bij viscositeitsmeting
Beperkingen van traditioneel offline testen
De wijdverbreide afhankelijkheid van conventionele, discontinue en arbeidsintensieve kwaliteitscontrolemethoden legt aanzienlijke operationele beperkingen op aan de continue SBR-productie, waardoor snelle procesoptimalisatie wordt belemmerd.
Voorspelling en vertraging van de Mooney-viscositeit:Een belangrijke kwaliteitsindicator, de Mooney-viscositeit, wordt traditioneel offline gemeten. Vanwege de fysieke complexiteit en de hoge viscositeit van de industriële producten.rubberproductieprocesHet kan niet direct in realtime in de interne menger worden gemeten. Bovendien is het lastig om deze waarde nauwkeurig te voorspellen met behulp van traditionele empirische modellen, met name voor mengsels die vulstoffen bevatten. De vertraging die gepaard gaat met laboratoriumtesten vertraagt corrigerende maatregelen, waardoor het financiële risico van het produceren van grote hoeveelheden materiaal dat niet aan de specificaties voldoet, toeneemt.
Gewijzigde mechanische geschiedenis:Capillaire rheometrie, hoewel het stromingsgedrag kan karakteriseren, vereist een uitgebreide monstervoorbereiding. Het materiaal moet vóór de meting in specifieke cilindrische afmetingen worden gebracht, een proces dat de mechanische geschiedenis van de verbinding verandert. Bijgevolg kan de gemeten viscositeit de werkelijke toestand van de verbinding tijdens industrieel gebruik mogelijk niet nauwkeurig weergeven.rubberverwerking.
Onvoldoende gegevens van één enkel punt:Standaard smeltstroomindex (MFR) of smeltvolumestroomindex (MVR) testen leveren slechts één stroomindex op onder vaste omstandigheden. Dit is onvoldoende voor niet-Newtoniaans SBR. Twee verschillende batches kunnen identieke MVR-waarden vertonen, maar toch zeer uiteenlopende viscositeiten hebben bij de hoge schuifsnelheden die relevant zijn voor extrusie. Deze discrepantie kan leiden tot onvoorspelbare verwerkingsfouten.
Kosten en logistieke lasten:Het vertrouwen op externe laboratoriumanalyses brengt aanzienlijke logistieke kosten en vertragingen met zich mee. Continue monitoring biedt een economisch voordeel doordat het aantal monsters dat extern geanalyseerd moet worden drastisch wordt verminderd.
De uitdaging van het meten van hoogviskeuze en meerfasige SBR-verbindingen
De industriële verwerking van rubbermengsels betreft materialen met extreem hoge viscositeit en complex visco-elastisch gedrag, wat unieke uitdagingen met zich meebrengt voor directe metingen.
Verschuiving en breuk:Hoogviskeuze, visco-elastische rubbermaterialen zijn gevoelig voor problemen zoals wandslip en door elasticiteit veroorzaakte monsterbreuk bij testen in traditionele rheometers met open grenzen. Gespecialiseerde apparatuur, zoals de oscillerende matrijs-rheometer met een gekarteld ontwerp met gesloten grenzen, is nodig om deze effecten te ondervangen, vooral bij gevulde materialen waar complexe interacties tussen polymeer en vulstof optreden.
Onderhoud en reiniging:Standaard online doorstroom- of capillaire systemen hebben vaak last van verstoppingen als gevolg van de kleverige, zeer viskeuze aard van polymeren en vulstoffen. Dit vereist uitgebreide reinigingsprotocollen en leidt tot kostbare stilstand, een groot nadeel in continue productieomgevingen.
De behoefte aan een robuust instrument voor het meten van de intrinsieke viscositeit van polymeeroplossingen.
In de initiële oplossing- of suspensiefase, na polymerisatie, is de cruciale meting de intrinsieke viscositeit (IV), die rechtstreeks correleert met het molecuulgewicht en de prestaties van het polymeer. Traditionele laboratoriummethoden (bijv. GPC of glazen capillairen) zijn te traag voor realtime controle.
De industriële omgeving vereist een geautomatiseerd en robuust systeem.instrument voor intrinsieke viscositeitModerne oplossingen, zoals de IVA Versa, automatiseren het hele proces met behulp van een dubbele capillaire relatieve viscometer om de viscositeit van de oplossing te meten. Hierdoor wordt het contact van de gebruiker met oplosmiddelen geminimaliseerd en een hoge precisie bereikt (RSD-waarden lager dan 1%). Voor inline-toepassingen in de smeltfase kunnen Side Stream Online-Rheometers (SSR) een IV-Rheo-waarde bepalen op basis van continue schuifviscositeitsmetingen bij een constante schuifsnelheid. Deze meting levert een empirische correlatie op die het mogelijk maakt om veranderingen in het molecuulgewicht in de smeltstroom te volgen.
V. Kritische procesfasen voor viscositeitsmonitoring
Het belang van online metingen bij het lossen van de polymerisatiereactor, tijdens het mengen/kneden en bij het voorvormen vóór extrusie.
Het implementeren van online viscositeitsmeting is belangrijk omdat de drie belangrijkste procesfasen – polymerisatie, compounding (mengen) en uiteindelijke vorming (extrusie) – elk specifieke, onomkeerbare reologische eigenschappen creëren. Controle op deze punten voorkomt dat kwaliteitsgebreken verder in het proces terechtkomen.
Afvoer van polymerisatiereactor: monitoring van conversie en moleculair gewicht.
Het voornaamste doel in deze fase is het nauwkeurig beheersen van de momentane reactiesnelheid en de uiteindelijke molecuulgewichtsverdeling (MW) van het SBR-polymeer.
Kennis van het evoluerende molecuulgewicht is cruciaal, omdat dit de uiteindelijke fysische eigenschappen bepaalt; traditionele technieken meten het molecuulgewicht echter vaak pas na afloop van de reactie. Realtime monitoring van de viscositeit van de suspensie of oplossing (die de intrinsieke viscositeit benadert) geeft direct inzicht in de ketenlengte en de vorming van de architectuur.
Door gebruik te maken van realtime viscositeitsfeedback kunnen fabrikanten dynamische, proactieve controle implementeren. Dit maakt een nauwkeurige aanpassing mogelijk van de stroom van de molecuulgewichtsregelaar of het stopmiddel.voorDe monomeerconversie bereikt zijn maximum. Deze mogelijkheid tilt de procesbeheersing naar een hoger niveau, van reactieve kwaliteitscontrole (waarbij afgekeurde batches worden afgekeurd of opnieuw gemengd) naar continue, geautomatiseerde regulering van de basisstructuur van het polymeer. Continue monitoring zorgt er bijvoorbeeld voor dat de viscositeit van het ruwe polymeer Mooney aan de specificaties voldoet wanneer de conversiesnelheid 70% bereikt. Het gebruik van robuuste, inline torsieresonatorprobes, die ontworpen zijn om de hoge temperaturen en drukken te weerstaan die kenmerkend zijn voor reactoruitstromen, is hierbij cruciaal.
Mengen/kneden: Optimalisatie van de verspreiding van additieven, beheersing van de schuifkracht en energieverbruik.
Het doel van de mengfase, die doorgaans plaatsvindt in een interne menger, is het bereiken van een uniforme, homogene dispersie van het polymeer, de versterkende vulstoffen en de verwerkingshulpmiddelen, terwijl de thermische en schuifgeschiedenis van het mengsel nauwlettend wordt gecontroleerd.
Het viscositeitsprofiel dient als de definitieve indicator voor de mengkwaliteit. De hoge schuifkrachten die door de rotoren worden gegenereerd, breken het rubber af en zorgen voor dispersie. Door de viscositeitsverandering te monitoren (vaak afgeleid uit realtime koppel en energie-input), kan de exacte mengkwaliteit worden bepaald.eindpuntDe duur van de mengcyclus kan nauwkeurig worden bepaald. Deze aanpak is aanzienlijk beter dan het vertrouwen op vaste mengcyclustijden, die kunnen variëren van 15 tot 40 minuten en gevoelig zijn voor variabiliteit tussen operators en externe factoren.
Het beheersen van de viscositeit van de compound binnen het gespecificeerde bereik is essentieel voor de materiaalkwaliteit. Onvoldoende controle leidt tot een slechte dispersie en defecten in de uiteindelijke materiaaleigenschappen. Voor rubber met een hoge viscositeit is een adequate mengsnelheid cruciaal om de benodigde dispersie te bereiken. Gezien de moeilijkheid om een fysieke sensor in de turbulente, viskeuze omgeving van een interne menger te plaatsen, is geavanceerde controle afhankelijk vansoft sensorsDeze datagestuurde modellen gebruiken procesvariabelen (rotorsnelheid, temperatuur, energieverbruik) om de uiteindelijke kwaliteit van de batch te voorspellen, zoals de Mooney-viscositeit, en bieden daarmee een realtime schatting van de kwaliteitsindex.
De mogelijkheid om het optimale meng-eindpunt te bepalen op basis van het realtime viscositeitsprofiel leidt tot aanzienlijke winst in doorvoer en energiebesparing. Als een batch de gewenste dispersieviscositeit sneller bereikt dan de voorgeschreven vaste cyclustijd, leidt het voortzetten van het mengproces tot energieverspilling en het risico op beschadiging van de polymeerketens door overmatig mengen. Optimalisatie van het proces op basis van het viscositeitsprofiel kan de cyclustijden met 15-28% verkorten, wat zich direct vertaalt in efficiëntie- en kostenbesparingen.
Voor-extrusie/vorming: zorgt voor een consistente smeltstroom en dimensionale stabiliteit.
In deze fase wordt de massieve rubbercompoundstrip geplastificeerd en door een matrijs geperst om een doorlopend profiel te vormen, wat vaak geïntegreerde vervorming vereist.
Viscositeitscontrole is hier van cruciaal belang, omdat deze direct de smeltsterkte en vloeibaarheid van het polymeer bepaalt. Een lagere smeltstroom (hogere viscositeit) heeft over het algemeen de voorkeur bij extrusie, omdat dit een hogere smeltsterkte oplevert. Dit is essentieel voor het beheersen van de vorm (dimensionale stabiliteit) van het profiel en het beperken van matrijszwelling. Inconsistente smeltstroom (MFR/MVR) leidt tot productiefouten: een hoge stroom kan leiden tot braamvorming, terwijl een lage stroom kan leiden tot onvolledige vulling van het onderdeel of porositeit.
De complexiteit van viscositeitsregeling bij extrusie, die zeer gevoelig is voor externe verstoringen en niet-lineair reologisch gedrag, vereist geavanceerde besturingssystemen. Technieken zoals Active Disturbance Rejection Control (ADRC) worden toegepast om viscositeitsvariaties proactief te beheersen, waardoor betere prestaties worden behaald bij het handhaven van de gewenste schijnbare viscositeit in vergelijking met conventionele proportioneel-integrale (PI) regelaars.
De consistentie van de smeltviscositeit bij de matrijskop is de uiteindelijke bepalende factor voor de productkwaliteit en geometrische acceptatie. Extrusie maximaliseert visco-elastische effecten en dimensionale stabiliteit is zeer gevoelig voor variaties in smeltviscositeit, met name bij hoge schuifsnelheden. Online meting van de smeltviscositeit direct vóór de matrijs maakt een snelle, geautomatiseerde aanpassing van procesparameters (bijv. schroefsnelheid of temperatuurprofiel) mogelijk om een constante schijnbare viscositeit te handhaven, geometrische precisie te garanderen en afval te minimaliseren.
Tabel II illustreert de monitoringvereisten in de gehele SBR-productieketen.
Tabel II. Vereisten voor viscositeitsmonitoring tijdens de verschillende SBR-verwerkingsfasen.
| Procesfase | Viscositeitsfase | Doelparameter | Meettechnologie | Controleactie ingeschakeld |
| Reactorontlading | Oplossing/Slurry | Intrinsieke viscositeit(Moleculair gewicht) | Side Stream Rheometer (SSR) of geautomatiseerde IV | Pas de stroomsnelheid van het kortsluitmiddel of de regelaar aan. |
| Mengen/kneden | Verbinding met hoge viscositeit | Mooney-viscositeit (voorspelling van het schijnbare koppel) | Soft Sensor (Modellering van koppel-/energie-input) | Optimaliseer de mengcyclustijd en de rotorsnelheid op basis van de eindviscositeit. |
| Voor-extrusie/vorming | Polymeersmelt | Schijnbare smeltviscositeit (MFR/MVR-correlatie) | Inline torsieresonator of capillaire viscometer | Stel de schroefsnelheid/temperatuur zo in dat de dimensionale stabiliteit en de consistente zwelling van de matrijs gewaarborgd zijn. |
Leer meer over dichtheidsmeters
VI. Online viscositeitsmeettechnologie
Lonnmeter vloeistofviscositeitsmeter (inline)
Om de inherente beperkingen van laboratoriumtesten te overkomen, worden modernerubberverwerkingVereist robuuste, betrouwbare instrumentatie. Torsieresonatortechnologie vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang in continue, inline reologische metingen, die kunnen functioneren in de uitdagende omgeving van SBR-productie.
Apparaten zoals deLonnmeter vloeistofviscositeitsmeter (inline)Het apparaat werkt met behulp van een torsieresonator (een trillend element) dat volledig in de procesvloeistof is ondergedompeld. Het meet de viscositeit door de mechanische demping te kwantificeren die de resonator ondervindt als gevolg van de vloeistof. Deze dempingsmeting wordt vervolgens, vaak samen met dichtheidsmetingen, verwerkt door eigen algoritmes om nauwkeurige, reproduceerbare en stabiele viscositeitsresultaten te leveren.
Deze technologie is door haar robuuste operationele mogelijkheden bij uitstek geschikt voor SBR-toepassingen:
Robuustheid en immuniteit:De sensoren hebben doorgaans een volledig metalen constructie (bijvoorbeeld 316L roestvrij staal) en hermetische, metaal-op-metaal afdichtingen, waardoor het gebruik van elastomeren, die bij hoge temperaturen en blootstelling aan chemicaliën zouden kunnen opzwellen of bezwijken, overbodig is.
Breed toepassingsgebied en vloeistofcompatibiliteit:Deze systemen kunnen monitorenviscositeit van rubberverbindingen over een breed bereik, van zeer lage tot extreem hoge waarden (bijv. 1 tot meer dan 1.000.000 cP). Ze zijn even effectief in het monitoren van niet-Newtoniaanse, eenfasige en meerfasige vloeistoffen, wat essentieel is voor SBR-slurries en gevulde polymeersmelten.
Extreme bedrijfsomstandigheden:Deze instrumenten zijn gecertificeerd voor gebruik binnen een breed scala aan drukken en temperaturen.
Voordelen van realtime, online, multidimensionale viscositeitssensoren (robuustheid, data-integratie)
De strategische inzet van realtime, inline sensoren zorgt voor een continue stroom aan gegevens over materiaalkarakterisering, waardoor de productie verschuift van intermitterende kwaliteitscontroles naar proactieve procesregulering.
Continue monitoring:Realtime data vermindert de afhankelijkheid van vertraagde, kostbare laboratoriumanalyses aanzienlijk. Het maakt onmiddellijke detectie mogelijk van subtiele procesafwijkingen of batchvariaties in binnenkomende grondstoffen, wat cruciaal is om kwaliteitsproblemen verderop in het productieproces te voorkomen.
Weinig onderhoud:De robuuste, uitgebalanceerde resonatorontwerpen zijn ontworpen voor langdurig gebruik zonder onderhoud of herconfiguratie, waardoor de operationele uitvaltijd tot een minimum wordt beperkt.
Naadloze gegevensintegratie:Moderne sensoren bieden gebruiksvriendelijke elektrische aansluitingen en industriestandaard communicatieprotocollen, waardoor viscositeits- en temperatuurgegevens direct kunnen worden geïntegreerd in gedistribueerde besturingssystemen (DCS) voor geautomatiseerde procesaanpassingen.
Selectiecriteria voor het instrument dat gebruikt wordt om de viscositeit in verschillende SBR-fasen te meten.
De selectie van de juisteinstrument dat gebruikt wordt om de viscositeit te metenhangt cruciaal af van de fysieke toestand van het materiaal op elk punt in derubberproductieproces:
Oplossing/Slurry (Reactor):De eis is het meten van de intrinsieke of schijnbare viscositeit van de slurry. Technologieën omvatten Side Stream Rheometers (SSR), die continu smeltmonsters analyseren, of zeer gevoelige torsiesondes die geoptimaliseerd zijn voor het monitoren van vloeistoffen/slurries.
Hoogviskeuze verbinding (mengen):Directe fysieke meting is mechanisch onhaalbaar. De optimale oplossing is het gebruik van voorspellende softsensoren die de zeer nauwkeurige procesinputs (koppel, energieverbruik, temperatuur) van de interne menger correleren met de vereiste kwaliteitsparameter, zoals de Mooney-viscositeit.
Polymeersmelt (vóór extrusie):Voor de uiteindelijke bepaling van de stroomkwaliteit is een hogedruksensor in de smeltbuis nodig. Dit kan worden bereikt met behulp van robuuste torsieresonatorprobes of gespecialiseerde inline capillaire viscometers (zoals de VIS), die de schijnbare smeltviscositeit kunnen meten bij hoge schuifsnelheden die relevant zijn voor extrusie, waarbij de gegevens vaak worden gecorreleerd aan MFR/MVR.
Deze hybride detectiestrategie, die robuuste hardware-sensoren combineert waar de stroming beperkt is met voorspellende software-sensoren waar mechanische toegang beperkt is, biedt een zeer nauwkeurige besturingsarchitectuur die nodig is voor effectieverubberverwerkingbeheer.
VII. Strategische implementatie en kwantificering van de voordelen
Online besturingsstrategieën: het implementeren van feedbackloops voor geautomatiseerde procesaanpassingen op basis van realtime viscositeit.
Geautomatiseerde besturingssystemen maken gebruik van realtime viscositeitsgegevens om responsieve feedbackloops te creëren, waardoor een stabiele en consistente productkwaliteit wordt gegarandeerd die de menselijke mogelijkheden te boven gaat.
Geautomatiseerde dosering:Tijdens het mengen kan het besturingssysteem de consistentie van het mengsel continu bewaken en automatisch componenten met een lage viscositeit, zoals weekmakers of oplosmiddelen, in precieze hoeveelheden doseren op het moment dat ze nodig zijn. Deze strategie zorgt ervoor dat de viscositeitscurve binnen een nauw gedefinieerd betrouwbaarheidsbereik blijft, waardoor afwijkingen worden voorkomen.
Geavanceerde viscositeitsregeling:Omdat SBR-smelten niet-Newtoniaans zijn en gevoelig voor verstoringen tijdens extrusie, zijn standaard proportioneel-integraal-derivatieve (PID) regelaars vaak onvoldoende voor het regelen van de smeltviscositeit. Geavanceerde methoden, zoals Active Disturbance Rejection Control (ADRC), zijn dan noodzakelijk. ADRC beschouwt verstoringen en modelonnauwkeurigheden als actieve factoren die moeten worden onderdrukt, wat een robuuste oplossing biedt voor het handhaven van de gewenste viscositeit en het waarborgen van dimensionale precisie.
Dynamische afstemming van het molecuulgewicht:Bij de polymerisatiereactor worden continu gegevens verzameld van deinstrument voor het meten van de intrinsieke viscositeitwordt teruggekoppeld naar het besturingssysteem. Dit maakt proportionele aanpassingen aan de stroomsnelheid van de ketenregelaar mogelijk, waardoor kleine afwijkingen in de reactiekinetiek direct worden gecompenseerd en het molecuulgewicht van het SBR-polymeer binnen de nauwe specificatieband blijft die nodig is voor de specifieke SBR-kwaliteit.
Efficiëntie- en kostenbesparingen: kwantificering van verbeteringen in doorlooptijden, minder herwerk, geoptimaliseerd energie- en materiaalgebruik.
De investering in online reologiesystemen levert directe, meetbare rendementen op die de algehele winstgevendheid van de onderneming verhogen.proces van rubberproductie.
Geoptimaliseerde cyclustijden:Door gebruik te maken van viscositeitsgebaseerde eindpuntdetectie in de interne menger, elimineren fabrikanten het risico op overmenging. Een proces dat normaal gesproken afhankelijk is van vaste cycli van 25-40 minuten, kan worden geoptimaliseerd om de vereiste dispersieviscositeit in 18-20 minuten te bereiken. Deze operationele verschuiving kan resulteren in een reductie van de cyclustijd met 15-28%, wat zich direct vertaalt in een hogere doorvoer en capaciteit zonder nieuwe kapitaalinvesteringen.
Minder herwerk en minder afval:Continue monitoring maakt het mogelijk om procesafwijkingen direct te corrigeren voordat ze leiden tot grote hoeveelheden materiaal dat niet aan de specificaties voldoet. Deze mogelijkheid reduceert de kostbare herwerking en afval aanzienlijk, waardoor het materiaalgebruik verbetert.
Geoptimaliseerd energieverbruik:Door de mengfase nauwkeurig te beperken op basis van het realtime viscositeitsprofiel, wordt de energie-input geoptimaliseerd om een goede dispersie te bereiken. Dit elimineert het parasitaire energieverlies dat gepaard gaat met overmatig mengen.
Flexibiliteit in materiaalgebruik:Gerichte viscositeitsaanpassing is essentieel bij de verwerking van variabele of niet-nieuwe grondstoffen, zoals gerecyclede polymeren. Continue monitoring maakt snelle aanpassing van processtabilisatieparameters en gerichte viscositeitsregeling mogelijk (bijvoorbeeld door het verhogen of verlagen van het molecuulgewicht met behulp van additieven) om betrouwbaar aan de gewenste reologische doelstellingen te voldoen en het nut van diverse en potentieel goedkopere materialen te maximaliseren.
De economische gevolgen zijn aanzienlijk, zoals samengevat in tabel III.
Tabel III. Verwachte economische en operationele voordelen van online viscositeitsregeling
| Metrisch | Basislijn (offline controle) | Doelwit (online besturing) | Meetbare winst/implicatie |
| Batchcyclustijd (mengen) | 25-40 minuten (vaste tijd) | 18-20 minuten (viscositeitseindpunt) | 15-28% hogere doorvoer; lager energieverbruik. |
| Batchpercentage dat niet aan de specificaties voldoet | 4% (gebruikelijk tarief in de sector) | <1% (Continue correctie) | Tot wel 75% minder herwerk/afval; minder verlies aan grondstoffen. |
| Processtabilisatietijd (gerecyclede input) | Uren (vereist meerdere laboratoriumtests) | Minuten (Snelle IV/Rheo-aanpassing) | Geoptimaliseerd materiaalgebruik; verbeterd vermogen om variabele grondstoffen te verwerken. |
| Onderhoud van apparatuur (mengmachines/extruders) | Reactieve storing | Voorspellende trendmonitoring | Vroegtijdige foutdetectie; minder catastrofale uitval en lagere reparatiekosten. |
Voorspellend onderhoud: gebruikmaken van continue monitoring voor vroegtijdige foutdetectie en preventieve maatregelen.
Online viscositeitsanalyse gaat verder dan kwaliteitscontrole en is uitgegroeid tot een instrument voor operationele excellentie en het bewaken van de conditie van apparatuur.
Foutdetectie:Onverwachte schommelingen in continue viscositeitsmetingen die niet verklaard kunnen worden door variaties in het materiaal stroomopwaarts, kunnen dienen als een vroeg waarschuwingssignaal voor mechanische slijtage in de machine, zoals slijtage van extruderschroeven, rotorveroudering of verstopping van filters. Dit maakt proactief en gepland preventief onderhoud mogelijk, waardoor het risico op kostbare, catastrofale storingen wordt geminimaliseerd.
Validatie van de softsensor:De continue procesgegevens, inclusief apparaatsignalen en sensorinputs, kunnen worden gebruikt om voorspellende modellen (soft sensors) te ontwikkelen en te verfijnen voor cruciale parameters zoals de Mooney-viscositeit. Bovendien kunnen deze continue datastromen ook dienen als een mechanisme om de prestaties van andere fysieke meetapparaten in de lijn te kalibreren en te valideren.
Diagnose van materiaalvariabiliteit:Viscositeitstrends bieden een cruciale bescherming tegen inconsistenties in grondstoffen die niet worden opgemerkt door standaard kwaliteitscontroles bij binnenkomst. Schommelingen in het continue viscositeitsprofiel kunnen direct wijzen op variaties in het molecuulgewicht van het basispolymeer of op inconsistenties in het vochtgehalte of de kwaliteit van vulstoffen.
De continue verzameling van gedetailleerde reologische gegevens – zowel van inline sensoren als van voorspellende softsensoren – vormt de basis voor het digitaal weergeven van de rubbersamenstelling. Deze continue, historische dataset is essentieel voor het bouwen en verfijnen van geavanceerde empirische modellen die complexe prestatiekarakteristieken van het eindproduct, zoals visco-elastische eigenschappen of vermoeiingsweerstand, nauwkeurig voorspellen. Dit niveau van uitgebreide controle verhoogt de kwaliteit van de producten.instrument voor het meten van de intrinsieke viscositeitvan een eenvoudig kwaliteitsinstrument tot een essentieel strategisch middel voor formuleringoptimalisatie en procesrobuustheid.
VIII. Conclusie en aanbevelingen
Samenvatting van de belangrijkste bevindingen met betrekking tot de viscositeitsmeting van rubber.
De analyse bevestigt dat de conventionele afhankelijkheid van discontinue, offline reologische testen (Mooney-viscositeit, MFR) een fundamentele beperking vormt voor het bereiken van hoge precisie en het maximaliseren van de efficiëntie in moderne, grootschalige SBR-productie. De complexe, niet-Newtoniaanse en visco-elastische aard van styreenbutadieenrubber vereist een fundamentele verschuiving in de controlestrategie – van eenmalige, vertraagde metingen naar continue, realtime monitoring van de schijnbare viscositeit en het volledige reologische profiel.
De integratie van robuuste, speciaal ontwikkelde inline-sensoren, met name die gebruikmaken van torsieresonatortechnologie, in combinatie met geavanceerde besturingsstrategieën (zoals voorspellende soft sensing in mengers en ADRC in extruders), maakt geautomatiseerde aanpassingen in een gesloten regelkring mogelijk voor alle kritische fasen: het waarborgen van de molecuulgewichtsintegriteit tijdens de polymerisatie, het maximaliseren van de vulstofdispersie-efficiëntie tijdens het mengen en het garanderen van dimensionale stabiliteit tijdens de uiteindelijke smeltvorming. De economische rechtvaardiging voor deze technologische transitie is overtuigend en biedt meetbare winst in doorvoer (15-28% reductie van de cyclustijd) en aanzienlijke verminderingen van afval en energieverbruik. Neem contact op met ons verkoopteam voor een offerteaanvraag.
