介质的使用治疗监测在制造业

欢李Lambient技术LLC的创始人AZoM.com谈论介电治疗监测和生产过程中如何使用它。

你能给我们的读者解释介电治疗监测(DEA)是什么吗?

电介质治疗监测,也称为“介电分析”或DEA技术与热固性材料的电性质和聚合物物理性质如粘度、模量和治疗状态。

电介质治疗监测使用传感器和电气测量获得材料的电阻率和介电常数。频率独立电阻率、直流电阻率通常是凝胶粘度凝胶前和后模量成正比,所以直流电阻率是最有用的财产观察治疗。

从DEA获得什么样的数据,这些数据是如何分析?

粘度和直流电阻率之间的关系,如图1所示,导致使用术语“离子粘度”代替直流电阻率。

图1所示。从电介质治疗监测典型的治疗信息

图1显示了典型的治愈的热固性复合材料。过程温度升高,直到达到所需的值。在这段时间材料软化和流动,因为它的粘度降低。粘度降低,电阻率(“离子粘度”)也减少。用户可以定义一个离子粘度级别表示流的发生。然而,随着温度升高,反应速率增加,最终导致聚合和交联。

在某种程度上反应占主导地位;增加粘度增长的分子网络克服了减少从高温粘度,然后整体粘度开始增加。

图2。离子粘度和边坡介质的粘度离子治疗监测

离子的斜率粘度,叫“斜率”为简便起见,图2所示,还可以提供有用的信息。斜率表示反应速率和峰值斜率是最大反应速率。

最后,治疗结束时不再反应停止和材料进行物理或电气变化。在现实中,这一点可能需要很长时间到达,并实际原因用户可以选择定义一个非零斜率表示的结束治疗。斜率的价值是什么?这取决于应用程序的性质和所需的属性的材料“治愈的终结。”

所以我们可以描述介电治愈曲线的四个关键点:

• CP(1)——一个用户定义的粘度离子水平,它可以识别物料流的发生开始治疗。
• CP(2) -离子粘度最低,这也通常对应于机械粘度最低。这个临界点表示时间的加速反应主导行为系统。离子粘度和粘度之间的比例在热固性处理已经被证明是有用的。知道什么时候材料已达到粘度最低,例如,允许优化应用程序的压力压缩层压板或提取气泡的模制品。
• CP(3)——最大斜率或转折点,它标识时,交联反应开始缓慢。CP(3)经常被用作路标可以与凝胶相关联。
• CP(4) -用户决定斜率,可以定义结束治疗。下降斜率对应于降低反应速率。注意介质治疗监测继续揭示变化变化的材料过去当机械测量粘度是不可能的。

关键点描述热固性的治愈和便于比较不同治疗的曲线。电介质治疗监测的优势是一个简单的电气测量,这就需要最小的样品制备或技能来执行。此外,可以使用相同的传感器和测量技术在实验室或生产地板上。

介电治疗监测结果与结果更传统,纯粹的实验室测试,如动态力学分析(DMA)和差示扫描量热法(DSC)。因此,DEA可以作为“之间”带来的信息制造环境经理对产品质量负责。

DEA如何促进研究与开发(R&D)和材料配方?亚博网站下载

由于研发驱动生产过程,我认为这是好的开始。想象一下你在一个新的热固性,或热固性的新配方。你如何学习当你热吗?的最佳时间是什么时候施加压力挤出空洞?它在120 C的反应有多快?150 C ?180 C ?你可以治愈一个样品一段时间,然后测试它。也许已经达到治疗的结束,也许不是。你怎么知道你是否正在处理的材料超过必要吗?

差示扫描量热法(DSC),研究这些材料的一种方法,测量玻璃化转变温度(Tg),从而改变和治疗状态。亚博网站下载为特定的环氧树脂,图3显示了Tg和DSC测量结果并与电介质治疗监测。

每个DSC数据时间点需要固化材料选择,淬火样品停止治疗,然后进行DSC分析。必须重复这个测试在多个点处理过程中获得足够的数据去看治愈曲线进行非常单调、重复的任务。相比之下,治愈图3曲线从电介质治疗监测得到的单测试。

玻璃化转变温度从介电测量来自一个收益率计算量治疗指数覆盖DSC数据,在这种情况下发生,很好。此外,直流电阻率(也称为离子粘度)提供信息关于粘度和弹性模量,DSC不能做。

离子粘度显示最低粘度时,最大反应速率和结束的时间治疗。所有这些信息可以快速、实时与DSC的流程和测试之间的延迟。

图3。数据从DEA和DSC测试。
来自:高分子材料的介电性能,是由天,Micromet仪器,1987年(图已经重新划定亚博网站下载了清晰)

即使DEA和DSC数据不重叠那么整齐,在图3中,仍有DEA和DSC测量之间的直接通信。所以很快可以使用介质治疗监测评估治疗的进展在给定的条件下,改变这些条件,再看看会发生什么,改变条件是必要的。样品制备DEA非常simple-apply材料传感器和热。使用DEA快速迭代后达到最终配方或过程,然后进行DSC来验证热物性质。结果是大大节约时间,努力和牺牲。

动态力学分析(DMA)是第二个研究热固性治疗的常用技术。根据不同的工况,DMA可以测量某些模的早期治疗或治愈后的部分。DMA直接测量粘度或模量等力学性能,但单模通常不会为整个治疗工作。此外,一些DMA需要仔细的样品制备方法一致的结果。

这里介电治疗监测可以补充DMA。离子粘度成正比在凝胶粘度和凝胶化后模量。通过适当的频率选择、DEA可以测量电气性能直接与力学性能在整个治疗。

事实上,DEA之间的重叠和DMA数据可以用于良好的优势和至少两个主要的热分析仪器制造商提供结合DMA-DEA测试细胞。同时DMA-DEA测试延长固化时间期间的部分力学性能可以测量或推断。

再次,介电治疗监测可以轻松地评估初步配方或流程,允许快速迭代来实现所需的结果。最后的发展,DMA可以用于检验力学性能。

请记住,DEA、DSC和DMA每个措施不同的材料属性。DEA并不取代DSC或DMA,而是赞美他们。在研发或过程开发,DEA的优点是非常简单的样品制备和能力实时测量在整个治疗。电介质治疗监测可以加速研发通过延迟需要费力DSC、DMA测试直到近端发展。

图4。介电分析(DEA)允许在过程开发周期的快速反馈

DEA如何进行?

介电分析或治疗监测要求的传感器与被测物质接触良好。如果传感器是可重用的,它通常是嵌入在滚筒或模具,已降低长期成本的优势在成千上万的测试。传感器是一次性的,材料在传感器和测试后一切都是存储的文档或扔掉。

后将传感器连接到介电测量仪器、软件控制测量process-acquiring,存储和处理数据。如果有必要,好接触传感器的材料被压缩,然后加热到开始治疗。

在什么条件下进行DEA吗?

DEA的优点是允许在各种各样的材料测试条件,在实验室,QA / QC台或制造地板。没有其他方法具有通用性。电介质治疗监测可能在烤箱,热板,在新闻或模具,高压蒸汽或在实际的一部分被开发或制造。当嵌入在一个部分或一个大质量的材料、介电传感器可以直接衡量的温升速率的影响治疗。

相比之下,DMA仅限于实验室。如果样品是液体,它必须被测试在一个特殊的细胞或浸渍的矩阵。如果样品是固体,它必须具有特定几何配置做好准备。DSC同样局限于实验室,样品一个微小的DSC pan-hardly模仿实际的工艺条件。

DEA是如何与生产过程结合使用?

现在,在复合材料的制造,部分是治愈的使用时间和温度的秘诀。就像烤一个蛋糕在175°C 30分钟可能会在年底完成,也可能不是。你必须测试蛋糕从烤箱之前删除它。如果不做,你以后再继续烤和测试它。如果你不能测试你的蛋糕,你唯一的选择是烘烤时间,也许60分钟或更长时间,直到你确定它的做,但它可能被烧毁。

DEA是目前最常用的确认部分一致。例如,汽车车身面板的名义治愈由片状模塑料(SMC)可能看起来像图5。通过提取和比较关键的点,每一个小组的治疗可以被认为是这个名义上的曲线。结果为每个小组可以记录统计质量控制(SQC)。偏差超出限制定义表明,一些在固化过程中漂流和信息从治疗可以纠正这个问题。因此质量是有保证的一部分。

图5。典型的片状模塑料治愈

对高关键部分如复合飞机或飞船组件,每一步生产记录,记录的部分是根据规范和分析失败的事件。

许多制造商测量温度的一部分作为一个非常间接的和不准确的方式来推断治疗的进步。然而,DEA措施离子粘度,直接表明治疗状态。所以电介质治疗监测是有价值的文档,因为没有其他方法可以观察到治疗制造业和实时状态。

复合组件制造的哪些方面你相信DEA可以用来改善吗?

我认为生产力可以最直接受益于电介质治疗监测,特别是对高价值的组件(比如风力涡轮叶片。现在这些叶片,可以超过50米长,模具是捏造出来的。叶片的厚度,从而影响放热曲线,和治疗的速度沿着它的长度不同。制造商使用经验和猜测来决定治疗多久刀片在删除它从模具之前,但他们走了一条很好的路线。删除一个叶片过早,裂纹,因为它不够硬。比必要的删除一个叶片后,吞吐量降低。

介电传感器可以安装在模具在关键位置,或者每隔五米沿着它的长度,例如。电介质治疗监测可以确定当治愈沿整个部分已达到所需的点。只有那时,不早不晚,风涡轮叶片可以从模具中删除了。我不知道一个叶片的价值,但是想象的盈利能力可能会增加如果工厂船一周只有一个或两个叶片。

相关的生产力是闭环过程控制的可能性。图6显示了一个示例临界点随温度的片状模塑料。正如所料,治疗的时间结束(临界点4)随温度上升,在这种情况下减少约15%的10°C的温度增加。

想象一下一个大型复合结构,治疗以不同的速率在不同的点。也许这是一个风力涡轮叶片。也许这是一个复合梁桥梁施工。如果这种结构的各个部分有独立的加热器,介电测量可以提供反馈控制系统。这个系统可以调整温度所有部分治疗为最佳吞吐量以均匀的速度。

图6。随温度变化的临界点片状模塑料的一个示例

你能给任何例子/案例研究制造商利用DEA在哪里?

SMC产品制造商使用计时器来决定何时demold部分按形成。这是标准的做法,必须允许正常过程中温度的变化和其他因素影响的治疗。

保守,demold时间选择保证所有部件至少达到一个给定的治疗状态,导致一些地区可能治愈的时间比必要的。

前一段时间在这样一个公司制造工程师研究了生产力当介电测量数据显示部分已达到一个定义结束治疗。检测的基础上治疗,介电仪器发出信号,自动打开新闻。

相比,媒体定时器设置为70秒,介电治疗监测平均生产周期时间减少了10秒。这周期的改进将会节省了70000美元/年/媒体仅在劳动力成本。

关于欢李

欢李是一位电子工程师有30多年经验的设计复合材料行业的仪表。

他从麻省理工学院的研究生学位,他的研究小组的一部分工作介质治疗监测合同从NASA和其他政府机构。

他也是一个联合创始人Micromet仪器,这第一个商业化技术发达的麻省理工学院。

2009年,他创立Lambient技术有限责任公司与斯蒂芬城堡内预先使用介质的治疗监测热固性材料和复合材料。