Otimizando Processos de Adesivos Hotmelt (HMA) com Controle Avançado de Viscosidade

Tabela de conteúdo

• 1. Introdução
• 2. Visão geral da indústria
• 2.1 Adesivos Hotmelt HMA
• 2.2 Tipos de HMA
• 2.3 Processo de produção de adesivo hotmelt
• 2.4 Parâmetros-chave de monitoramento
• 3. Rheonics Viscosímetro em linha
• 3.1 Instalação do viscosímetro SRV para o processo de produção de HMAs
• 3.2 Benefícios do monitoramento de viscosidade em linha
• 4. Referências

Adesivos hotmelt (HMA) são formulações complexas de polímeros, resinas, ceras e aditivos que lhes conferem propriedades únicas. Os clientes confiam que o adesivo tenha um desempenho consistente em suas aplicações, como embalagens, encadernação, montagem de produtos, etc. Portanto, monitorar sua composição em tempo real é fundamental para a garantia da qualidade. A viscosidade é um parâmetro essencial para monitorar a produção de HMA por uma infinidade de razões, impactando desde a qualidade da matéria-prima até o desempenho do produto final e a eficiência da produção.

Um adesivo hotmelt (HMA) ou “cola quente” é um tipo de adesivo polimérico termoplástico que se encontra no estado sólido à temperatura ambiente e é aplicado como um líquido fundido devido ao aquecimento. O aquecimento é normalmente feito com pistolas de ar quente ou dispositivos similares, que transformam o estado sólido da cola em um estado fundido ou líquido, criando uma ligação por meio do resfriamento e da solidificação. Esse mecanismo de cura por pura perda de calor é uma característica fundamental e uma vantagem primária dos HMAs, pois elimina as etapas de secagem ou cura frequentemente exigidas por sistemas adesivos à base de solvente ou água [1].

O HMA possui características principais que o tornam um adesivo amplamente utilizado:

• Velocidade de configuração rápida: Cria uma ligação em segundos após a aplicação.
• Composição livre de solventes: Reduz ou elimina emissões de Compostos Orgânicos Voláteis (COV).
• Versatilidade na colagem de substratos: substratos porosos (por exemplo, papel, madeira) e não porosos (por exemplo, plásticos, metais).
• Bom para preenchimento de lacunas: Encolhimento mínimo ou inexistente após o resfriamento
• Prazo de validade longo: No seu estado sólido, os HMAs são fáceis de armazenar e transportar com requisitos mínimos para manter as suas características
• Apresentações diferentes: Comumente usados como bastões de cola, mas também disponíveis como pellets, lascas, travesseiros, blocos e ripas.

 

Os tipos de adesivos termofusíveis (HMAs) são predominantemente classificados e compreendidos com base em suas polímero de base primária. Isso ocorre porque o polímero base forma a “espinha dorsal” do adesivo e determina em grande parte suas propriedades fundamentais, como resistência, flexibilidade, adesão a diferentes substratos, estabilidade térmica (quão bem ele funciona em altas ou baixas temperaturas), resistência química, viscosidade de fusão, custo e tempo aberto. Embora agentes de aderência, ceras, plastificantes e outros aditivos sejam cruciais para o ajuste fino de características específicas de desempenho, o polímero base fornece os recursos inerentes do HMA.

Base de polímero HMA	Caracteristicas principais	Faixa típica de viscosidade de fusão (cP na temperatura especificada)	Faixa de temperatura típica de aplicação (°C/°F)	Aplicações comuns
EVA (acetato de etileno-vinila)	Baixo custo, versátil, boa adesão a materiais celulósicos, presa rápida, geralmente fácil de processar	500 - 5,000 cP (típico, varia muito)	150-180 ° C / 302-356 ° F	Embalagem, marcenaria, encadernação, montagem
PE (polietileno)	Bom para substratos porosos (caixas), boa estabilidade térmica, baixo odor, barreira à umidade	1,000 - 3,000 cP	160-190 ° C / 320-374 ° F	Embalagem (selagem de caixa de papelão)
APAO (Polialfaolefina Amorfa)	Alta resistência ao calor, pegajoso, macio, flexível, boa estabilidade térmica, adere a substratos difíceis	500 - 15,000+ cP	160-190 ° C / 320-374 ° F	Produtos de higiene, automotivos, têxteis, montagem de produtos (plásticos, espuma)
mPO (poliolefina de metaloceno)	Propriedades precisas, uso reduzido de material, boa estabilidade térmica, baixo odor, formação mínima de fios, capacidade para temperaturas extremas, alguns graus oferecem conteúdo renovável.	500 - 5,000 cP	150-180 ° C / 302-356 ° F	Embalagem (alimentos, congelador para micro-ondas), montagem, não tecidos
PA (Poliamida)	Resistência a altas temperaturas, aplicação em altas temperaturas, resistência a óleo/produtos químicos, boa adesão a metais e alguns plásticos, pode ser caro	2,000 - 10,000+ cP (geralmente mais alto)	185-215°C+ / 365-419°F+	Automotivo, eletrônicos, marcenaria exigente, filtros
PUR (Poliuretano Reativo)	Ligações muito fortes, cura por umidade (reticulações), excelente resistência térmica/química, flexível, mais caro	2,000 - 60,000+ cP	100-140 ° C / 212-284 ° F	Marcenaria, construção, automotivo, eletrônicos, encadernação, montagem de produtos
SBC (copolímero em bloco estirênico)	À base de borracha, boa flexibilidade em baixas temperaturas, alto alongamento, frequentemente usado para adesivos sensíveis à pressão (PSAs)	500 - 50,000+ cP (para PSAs)	150-180 ° C / 302-356 ° F	Fitas, etiquetas, produtos de higiene, fixação elástica

A produção da HMA pode variar dependendo do tipo de adesivo desejado. A Figura 3 mostra um exemplo de processo de produção em que a mistura do adesivo é feita em tanques, depois o material fundido é bombeado através de uma extrusora de rosca única e uma matriz que dá ao adesivo sua forma final. A HMA é finalmente resfriada em banho-maria e, por fim, cortada no comprimento necessário. A seguir, as principais etapas são descritas.

Preparação de matéria-prima

As matérias-primas específicas são cuidadosamente selecionadas e medidas com precisão, de acordo com a formulação desejada para o adesivo hot melt. Diferentes polímeros, agentes de aderência, ceras e aditivos, todos em estado sólido, são escolhidos com base na aplicação pretendida e nas características de desempenho exigidas.

Derretimento e mistura

As matérias-primas sólidas são então transferidas para um recipiente de mistura ou reator com recipiente encamisado para atingir a temperatura de fusão necessária. Alternativamente, a mistura pode ser feita em extrusoras de dupla rosca, que também realizarão a extrusão final posteriormente.

Durante o processo de mistura, os materiais são aquecidos a uma temperatura específica (tipicamente entre 100 °C e 235 °C, dependendo da formulação). Quando aquecidos, as forças intermoleculares que mantêm as cadeias poliméricas unidas enfraquecem, permitindo que o material flua, resultando em um estado fluido fundido, o chamado material liquefeito. [3] É a partir desse estado do material que os principais parâmetros do processo são obtidos, avaliados e caracterizados para garantir a qualidade da produção.

Agitadores ou parafusos em uma extrusora garantem a mistura completa e homogênea de todos os componentes. Essa etapa de fusão e mistura é crucial para alcançar qualidade, viscosidade e funcionalidade consistentes no produto final.

Importante: Os adesivos hot melt (HMAs) são únicos porque são 100% sólido e não use água ou solvente como veículo. Esta é uma grande vantagem, pois elimina as etapas de secagem ou cura e reduz as preocupações ambientais associadas aos compostos orgânicos voláteis (COVs). Trata-se de um polímero termoplástico, o que significa que se torna plástico ou maleável ao ser aquecido e solidifica ao ser resfriado.

Nota: A maioria dos adesivos hot melt são termoplástico, o que significa que se tornam líquidos quando aquecidos e solidificam quando esfriam. Também são reversíveis, o que significa que, se reaquecidos o suficiente, derreterão novamente e perderão sua resistência interna.

Para evitar a perda da resistência da ligação em altas temperaturas (a menos que a reversibilidade seja pretendida), as moléculas de polímero do adesivo precisam ser quimicamente reticulado após a cura. Essa reticulação torna a ligação mais permanente e resistente ao calor. Isso é conseguido pela adição de componentes reativos específicos na formulação do adesivo durante sua mistura. Os hot melts que sofrem essa reação química após o resfriamento são chamados adesivos hot melt reativos. Os adesivos termofusíveis de poliuretano reativo (PUR) são um exemplo de HMAs reativos.

Desgaseificação

Em alguns casos, especialmente para aplicações onde bolhas de ar podem afetar negativamente o desempenho, uma etapa de desgaseificação é incluída. Isso envolve a aplicação de vácuo na mistura adesiva fundida nos recipientes para remover qualquer ar preso ou componentes voláteis.

Filtração

O adesivo derretido pode passar por um sistema de filtragem. Isso remove impurezas, partículas não dissolvidas ou materiais estranhos, garantindo a pureza e a qualidade do produto final.

Extrusão e Resfriamento

O adesivo fundido é então extrudado através de uma matriz para a forma desejada, como pellets, chips, blocos, bastões ou folhas. Imediatamente após a moldagem, o adesivo hot melt é resfriado rapidamente, frequentemente usando correias de resfriamento ou banhos-maria. Esse resfriamento rápido faz com que o adesivo se solidifique em sua forma sólida.

Embalagens

Depois que o adesivo hot melt passa por todos os controles de qualidade, ele é embalado em vários recipientes adequados para distribuição e aplicação, como sacos, tambores, cartuchos ou outros formatos especializados, dependendo das necessidades do usuário final.

Diversas propriedades de desempenho dos adesivos hotmelt são essenciais para garantir processos de produção suaves e eficientes e alcançar a qualidade de ligação desejada. Parâmetros-chave na produção são medidos no estado liquefeito do material, enquanto outros testes são realizados com as matérias-primas sólidas e o adesivo final, sendo estes chamados parâmetros de critérios de seleção [3].

Temperatura:
A temperatura de mistura é crucial para garantir que todos os componentes derretam e se misturem homogeneamente. A temperatura de fusão é a temperatura do adesivo fundido imediatamente antes da extrusão ou embalagem, o que afeta a viscosidade final e a trabalhabilidade.

Viscosidade: Definida como a resistência do adesivo fundido ao fluxo, a viscosidade é de suma importância. Ela determina a facilidade com que o adesivo pode ser bombeado e aplicado, sua capacidade de molhar a superfície do substrato para uma boa adesão e o controle sobre o tamanho do cordão ou padrão de pulverização. A viscosidade é altamente dependente da temperatura; um aumento na temperatura normalmente leva a uma diminuição na viscosidade. Viscosidade descontrolada ou fora das especificações durante a mistura e imediatamente antes da extrusão é uma das principais causas de muitos problemas na linha de produção, desde aplicações inconsistentes até falhas na aderência.

Velocidade de mistura/cisalhamento: A intensidade da mistura é crítica para a homogeneidade, por isso deve ser controlada para garantir a dispersão uniforme dos componentes sem degradar polímeros sensíveis ao cisalhamento.

Pressão: Monitorado em extrusoras ou vasos de mistura para garantir um fluxo suave e evitar bloqueios. A pressão de vácuo é relevante quando o vácuo é necessário.

Com o produto final, após a extrusão, são avaliados parâmetros adicionais, como:

Ponto de amolecimento: Esta é a temperatura na qual o HMA sólido começa a amolecer e fluir, ou seja, a se tornar plástico. Ela é amplamente determinada pelo tipo de polímero base e pela quantidade e tipo de cera na formulação. O ponto de amolecimento determina a temperatura mínima de aplicação e influencia a resistência ao calor do conjunto final colado.

Tempo aberto: Refere-se ao período máximo permitido após a aplicação do adesivo fundido ao primeiro substrato, dentro do qual o segundo substrato deve ser posto em contato para formar uma ligação satisfatória [4]. O tempo em aberto deve ser cuidadosamente ajustado à velocidade e à mecânica do processo de montagem. Se for muito curto, resultará em umedecimento deficiente e uma ligação fraca. Se for muito longo, a velocidade de produção pode ser comprometida ou as peças podem se deslocar antes que a ligação se fixe.

Definir tempo (definir velocidade): Este é o tempo necessário para que a HMA resfrie e solidifique o suficiente para formar uma ligação com resistência aceitável, permitindo que as peças montadas sejam manuseadas ou movidas para a próxima etapa da produção. Tempos de pega rápidos são uma das principais vantagens das HMAs, contribuindo para altas velocidades de produção.

Estabilidade da vida útil da mistura: Esta propriedade descreve a capacidade do HMA de manter suas características especificadas (por exemplo, viscosidade, cor, ausência de carbonização ou gelificação) quando mantido em estado fundido dentro do tanque ou reservatório do equipamento de aplicação por longos períodos. Um tempo de vida útil curto leva à degradação do adesivo, o que pode causar entupimento do bico, qualidade de aplicação inconsistente e aumento da manutenção do equipamento. Antioxidantes são normalmente incluídos nas formulações de HMA para melhorar a estabilidade do tempo de vida útil.

Rheonics SRV é um viscosímetro de processo em linha que mede uma ampla faixa de viscosidade e temperatura em tempo real. É adequado para instalação em tanques de mistura e armazenamento, bem como em tubulações para medição contínua de fluidos de processo. Rheonics O SRV é compatível com processos de mistura de alta velocidade e não é afetado pela presença de bolhas no fluido ou vibrações externas.

Rheonics Os sensores são baseados na tecnologia patenteada Balanced Torsional Resonator (BTR), que permite que a sonda seja compacta e leve, mas robusta para o ambiente industrial e compatível com aplicações de alta temperatura (até 285 °C), vácuo e alta pressão. Rheonics O SRV não possui partes móveis, é uma sonda hermeticamente selada, oferecida em material umedecido em aço inoxidável 316L.

O sensor SRV é oferecido em diferentes variantes de sonda, variando em comprimento e conexão de processo, o que garante fácil instalação para cada aplicação. Todas as sondas SRV utilizam o mesmo elemento sensor, o que permite fácil escalabilidade nos processos de produção.

Como explicado anteriormente, a viscosidade é uma parâmetro crítico para HMAs, pois impacta diretamente sua processabilidade, desempenho da aplicação e, por fim, a resistência final da ligação. Ao usar Rheonics Viscosímetro em linha SRV, tanto a viscosidade quanto a temperatura podem ser monitoradas em linha, especialmente recomendado durante processos de mistura e extrusão, conforme mostrado na Figura 3.t.

Instalação no Tanque

Rheonics A SRV pode ser instalada em tanques pela parte inferior, pela parede ou pela parte superior. Isso depende do projeto do tanque, ou seja, tamanho, paredes revestidas e interferências nos poços de mistura, etc., e das preferências do usuário, como acessibilidade, facilidade de instalação, etc.

Para uma instalação correta do sensor SRV no tanque para monitoramento da produção de HMAs, a seguinte recomendação deve ser seguida:

• Certifique-se de que o elemento sensor esteja em contato com o material fundido. Para instalações a partir do topo do tanque, pode ser necessário o uso de um SRV de inserção longa. Em instalações de parede e fundo, evite zonas mortas que podem levar a zonas de estagnação afetando a área de detecção – veja Figura 5.
• Certifique-se de que a sonda SRV não será danificada pelos eixos de mistura dentro do tanque.

  

   

Instalação em Linha

As linhas utilizadas para transportar o adesivo hotmelt do tanque de mistura para as extrusoras precisam manter alta temperatura e pressão para garantir propriedades de fluido constantes. Para isso, os tubos são revestidos e bombas de deslocamento positivo são utilizadas, como bombas de engrenagem ou de pistão. Bombas de engrenagem são preferíveis para garantir um fluxo suave e contínuo, enquanto as bombas de pistão permitem alta pressão nas linhas, mas produzem um fluxo ligeiramente pulsante.

Rheonics A SRV é adequada para instalações em linha, mesmo em altas temperaturas e pressões. A SRV opera com fluidos estáticos e em fluxo, e não apresenta problemas de operação com fluxo pulsante. A instalação recomendada da SRV em tubulações para HMAs é em um cotovelo, com a sonda contra a direção do fluxo do fluido.

Instalação em linha pequena ou bypass

É comum usar linhas pequenas ou de derivação conectadas às linhas principais na produção de adesivo hotmelt para coletar amostras e estudar as propriedades reológicas do fluido. Nessas linhas, é fundamental manter a pressão e a temperatura do fluido em níveis adequados.

Neste cenário, Rheonics oferece acessórios como:

1. Células de fluxo: Veja todas as células de fluxo em linha SRV.
2. Câmara de aquecimento: Rheonics O STCM-IFP é uma câmara em linha que permite o controle da temperatura e um bom isolamento térmico, mantendo a temperatura do fluido conforme ele entra.

   

• Feedback e controle em tempo real:

  Ao contrário dos testes de laboratório offline que fornecem resultados atrasados, Rheonics viscosímetro SRV em linha fornece dados instantâneos e contínuosIsso permite que os operadores vejam com precisão como a viscosidade se desenvolve à medida que as matérias-primas são adicionadas e misturadas. Isso permite ajustes imediatos para processar parâmetros como temperatura, velocidade de mistura ou até mesmo taxas de alimentação de matéria-prima.

• Fácil integração de dados:

  Rheonics O SRV utiliza uma eletrônica potente, chamada SMEEste dispositivo realiza leituras da sonda do sensor e emite a viscosidade e a temperatura medidas. Ele também executa diversos protocolos de comunicação industrial nativamente, como Modbus, Profinet, Ethernet/IP, HART, etc. para integração com sistemas locais de monitoramento e controle.

• Melhoria na consistência e qualidade do produto:

  Ao manter um controle mais rigoroso sobre a viscosidade durante a produção, os fabricantes podem significativamente reduzir variações de lote para lote. Isso resulta em uma qualidade de produto mais consistente, menos lotes fora das especificações e, por fim, clientes mais felizes.

• Eficiência de produção otimizada:

  A detecção precoce de desvios significa que os problemas podem ser corrigidos antes que um lote inteiro seja arruinado, reduzindo o desperdício de matérias-primas e energia caras.

  Otimização Energética: Conhecer a viscosidade exata permite otimizar a entrada de energia da mistura e o aquecimento, o que pode levar à economia de energia.

• Compreensão do processo e solução de problemas:

  Rheonics SRV fornece um registro histórico abrangente da viscosidade e temperatura dos HMAs. Esses dados são inestimáveis para a otimização de processos, identificação de tendências e diagnóstico rápido da causa raiz de quaisquer problemas de produção que possam surgir.

• Intervenção manual reduzida e segurança:

  A medição automatizada em linha reduz a necessidade de amostragem manual, que pode ser perigosa devido às altas temperaturas dos HMAs fundidos. Também libera mão de obra para outras tarefas.

[1]:Propriedades, tipos e aplicações de adesivos hot melt

[2]:Adesivos Hot Melt

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

[4]: O que é um adesivo hot melt (HMA)?