• Facebook
  • Instagram
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Klimateknologi

Kemiteknik25. 09. 2021 | heidit

Hold styr på viskositeten ved produktion af komplekse væsker

Kemiteknik25. 09. 2021 By heidit

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2021 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Med et nyudviklet måleinstrument kan kontrol af viskositet automatiseres.

Af Anders L. Østergård og Fridolin Okkels, Fluidan ApS

Hvor svært kan det være? Ret svært, faktisk! I malingproduktion må 10-60 procent af de producerede batches efterjusteres, fordi viskositeten ikke rammer plet i første forsøg. Ved kontinuert produktion af sæber og vaskemidler kan fabrikken lave mange tons, som ikke holder specifikationen, før processen bliver justeret ind – og i situationer med hyppige skift af recept, når man dårligt at få processen under kontrol, før den næste skal i gang.
Roden til problemet er variationer i råvarer og procesforhold, som kan føre til uventede viskositetsudsving, selv om man følger præcist den samme recept som sidst. Og når den eneste måde man kan måle viskositeten på, er ved at udtage en prøve og hver gang bruge 15-90 minutter på at måle på offline-instrumenter, så kan man ikke etablere et effektivt kontrol-loop, hvor udsving hurtigt bliver opdaget og bragt under kontrol. Vi har udviklet et procesreometer (RheoStream), som åbner for helt nye kontrolmuligheder, da det fuldautomatisk måler produktets viskositet hvert 1-3 minut og videregiver måleværdien til fabrikkens kontrolsystem.

Automatisk kapillarreometer til ikke-newtonske væsker
Der findes mange rigtig gode inline viskosimetre, som opfylder vigtige funktioner ved proceskontrol. Imidlertid er de bedst egnet til måling af newtonske væsker, som er kendetegnet ved, at viskositeten ikke varierer ved en ændring af forskydningshastigheden (shear rate). For mange tykke væsker (for eksempel maling) ændrer viskositeten sig med forskydningshastigheden. Viskositeten afhænger også af væskens temperatur (typisk 2-5 procent per °C), og da både den lokale forskydningshastighed og temperaturen kan variere omkring det punkt, hvor et procesviskosimeter er installeret, vil sådan et instrument ikke måle væsken ved de standardbetingelser, som ligger til grund for produktspecifikationen.
I denne artikel fokuseres på måling af ikke-newtonske væsker, som er forskydningsfortyndende (shear thinning). For eksempel kan viskositeten af en maling være omkring 20 Pa∙s ved en forskydningshastighed på 1 s-1, men kun 0,1 Pa∙s ved en forskydningshastighed på 1.000 s-1.
Viskositet er en kritisk kvalitetsparameter for maling, og skal derfor kontrolleres for hver eneste batch. Der findes ingen procesinstrumenter, som måler maling-viskositet pålideligt, og derfor er industrien henvist til at lave manuelle målinger på prøver udtaget fra produktionen. Nogle fabrikker bruger meget simple målemetoder lokalt på fabriksgulvet, mens andre tager prøverne med på QC-laboratoriet og bruger egentlige reometre med god kontrol over temperatur og forskydningshastigheder. Med RheoStream stiles der mod at løse disse udfordringer, og dermed at gøre reologi til en procesparameter, som kan kontrolleres og reguleres automatisk.
RheoStream er et fuldautomatisk kapillarreometer, som installeres på en stander tæt ved den tank eller det rør, hvor væsken skal måles (figur 1). Væsken flyder ind i instrumentet, som dermed kan overtage kontrollen af både forskydningshastighed og temperatur.
Kernen i reometeret er et kapillarrør med en differenstrykmåling. Viskositeten bestemmes som:

ligning (1)

hvor h er viskositeten, s er forskydningsspændingen og y er forskydningshastigheden.
Forskydningsspændingen er proportional med det målte differenstryk. Forskydningshastigheden afhænger af væskens flydehastighed gennem kapillarrøret.
I RheoStream kontrolleres flydehastigheden af en sprøjtepumpe, og ved at variere pumpehastigheden kan målingen omfatte et spænd af forskydningshastigheder. For eksempel er malingproducenter interesserede i viskositeten ved en lav forskydningshastighed (for eksempel under 10 s-1), som er karakteristisk for lagring og langsom omrøring, og de er ofte også interesserede i viskositeten ved for eksempel 1.000 s-1, som repræsenterer påføring med pensel eller rulle (figur 2). Instrumentet bliver derfor programmeret til at pumpe væsken gennem kapillarrøret i en sekvens af flydehastigheder, som dækker det spænd af forskydningshastigheder, som den enkelte bruger har behov for at analysere.

Måling af klæbemiddel i en kontinuert produktionsproces
En større producent af ”hvid lim” opløser polyvinylalkohol (PVOH) i en kontinuert proces, som typisk holdes i gang i dage eller uger, herunder med flere skift af råvarebatch og leverandør. Producenten udtager i dag prøver cirka hver time, og de analyseres manuelt på QC-laboratoriet med et standard Brookfield viskosimeter. Der går typisk 45 minutter fra en prøve udtages, til resultatet foreligger, og der produceres flere tons i denne periode. Med RheoStream installeret måles viskositeten hvert 3. minut ved den ønskede forskydningshastighed. Den friske opløsning af PVOH er 60-70°C, når den suges ind i instrumentet, hvor et kølesystem sørger for, at temperaturen holdes på de ønskede 20±0,5°C. Figur 3 viser et forløb på cirka 2½ døgn (med enkelte stop).
Der ses generelt en god overensstemmelse med QC-metoden, som dog viser lidt større udsving, som tilskrives den manuelle håndtering af prøven og målingen, herunder at tiden fra prøveudtag til måling varierer en del. I den viste måleperiode var kapillarreometeret programmeret til at foretage en grundig selv-skylning hvert 90. minut. Det giver korte ophold i den ellers kontinuerte strøm af viskositetsdata fra instrumentet (ses som stiplet linje uden x’er). Med det nye reometer kan producenten nu undgå de hyppige ture til QC-laboratoriet; de undgår at færdes i produktionsområdet, som er ATEX-zone (mulig eksplosionsfare), og først og fremmest opnår de at have nær-realtids information om viskositeten, så de kan justere opløsningsprocessen automatisk.

Måling af maling i en batchproces
Batchproduktion af maling foregår ved sekventiel tilsætning af råvarerne i en blandetank. Viskositeten kontrolleres ved måling af samples bragt til QC-laboratoriet, når malingen er færdigblandet og er overført til en lagertank. RheoStream kan løbende monitorere viskositeten og kan dermed tillade operatørerne eller kontrolsystemet at færdigjustere batchens viskositet under de sidste tilsætninger af råvarer, hvorved en efterfølgende, længerevarende justeringsproces af reologien helt kan undlades. Et eksempel er vist i figur 4 med målinger fra en testinstallation hos en international malingproducent.
Her er reometeret installeret på en blandingstank, hvor den følger ændringerne i viskositeten, mens de sidste ingredienser tilsættes undervejs i den afsluttende fortyndingsproces (blå serie). Malingproducentens egne viskositetsmålinger (dubletter) udtaget på cirka samme tid er tilføjet (røde romber). De målte viskositeter kan også erstatte manuelt målte QC-viskositeter. I eksemplet i figur 5 er instrumentet installeret i forbindelse med et recirkuleringssystem hos en anden malingproducent, hvorved viskositeterne fra indholdet i de tilknyttede blandetanke kan måles. Figuren viser målinger af en række forskellige batches med RheoStream-målingerne på den lodrette akse, sammenlignet med den nuværende manuelle QC-metode på den vandrette akse. Data på grafen stammer fra måling under produktion af 14 forskellige typer af maling.
Den gode overensstemmelse viser, hvordan det nye reometer kan måle pålidelige viskositetsværdier over en stor gruppe forskellige malinger, og gør det muligt for producenten at erstatte den tidskrævende manuelle procedure og efterfølgende manuelle justering af viskositeten med en fuldautomatisk og langt hurtigere procedure. På DTU har The Hempel Foundation Coatings Science and Technology Centre (CoaST), som er en del af Kemiteknik, undersøgt en tidligere prototype af RheoStream. I et ph.d.-projekt blev målinger sammenlignet med laboratorie-reometer-målinger af en række modelmalinger med særligt fokus på tixotrope malinger [1].

Andre anvendelser
Procesviskosimetre anvendes i mange industrier, primært til monitorering af newtonske væsker. Hvis en produktionsvirksomhed i stedet har valgt at udtage prøver løbende til manuel viskositetskontrol, er det et klart tegn på, at kontrollen af reologi er vigtig, og at normale viskosimetre ikke har været en løsning. Vi har her nævnt klæbemidler og maling som eksempler. Andre processer, som har lignende forhold, er fremstilling af blæk, hudplejeprodukter, flydende vaskemidler og sæber/shampoo samt visse fødevareprocesser, for eksempel chokolade og ketchup.

E-mail:
Anders L. Østergård: anders.ostergard@fluidan.com

Referencer
1. Shicong Luo, Claus Erik Weinell, Fridolin Okkels, Anders Landeira Østergård, Søren Kiil, On-line, non-Newtonian capillary rheometry for continuous and in-line coatings production; J. of Coatings Technology & Research; 18, p. 611-626 (2021).

Boks:
Viskositet og reologi

Viskositet er et mål for en væskes modstand mod at flyde. Hvor tyk er væsken?
Reologi er en bredere term – karakterisering af deformation af materialer.
Viskositet er dermed en af flere parametre, som tilsammen beskriver en væskes flydeegenskaber.
Viskositet er forholdet mellem forskydningsspænding og forskydningshastighed (ligning 1).
Newtonske væsker har samme viskositet ved alle forskydningshastigheder: Kraften, som skal til for at forskyde, er proportional med forskydningshastigheden (for eksempel omrøring). Eksempler er vand, olie og honning.
Mange væsker bliver tyndere (lavere viskositet), når de forskydes (for eksempel omrøres) hurtigere. Det gælder for eksempel maling, flydende vaskemidler og lotioner. Disse betegnes ikke-newtonske.
Når viskositeten af ikke-newtonske væsker skal måles, må man have styr på forskydningshastigheden i sit måleudstyr.

Skrevet i: Kemiteknik

 

Seneste nyt fra redaktionen

Ferietiden er over KemiFokus

Branchenyt29. 06. 2022

I den næste måneds tid holder KemiFokus ferielukket, men vi er tilbage onsdag den 3. august

Ser bare Tour de France – med god klima-samvittighed

Klima og miljø27. 06. 2022

Når verdens største cykelløb kommer til landet om nogle dage, er det et kæmpe arrangement, der er stablet på benene. Nogle vil måske have det lidt svært med den sammenhæmg. For mens cyklen er klimasmart, er hele Tour-karavanen det jo ikke. De skal bl.a. flyves frem og tilbage, så er den

Fiber-flaske kommer et skridt tættere på

Klima og miljø27. 06. 2022

I løbet af sommeren vil forbrugere i otte europæiske lande få mulig for at teste deres Fiber Bottle, der blev præsenteret ved “C40 World Mayors Summit” i 2019, men egentligt har udviklingen været i gang siden 2015. Fiber Bottle-flasken, som Carlsberg nu vil teste i otte europæiske lande (Danmark,

Fra bøvlet etiket-bagpapir til isoleringsmateriale

Branchenyt27. 06. 2022

Det silikone-belagt bagpapir fra etiketter har alle dage været noget bøvlet, hvis man tale om genanvendelse. Men nu er der lys forude, for det er lykkedes for virksomhederne UPM Raflatac, Inosence Polyol Oy og Finnfoam at finde en metode, hvor papiret ender sine dage som isoleringsmateriale.

Et skridt tættere på at kunne nedfryse organer

MedicinalkemiTop24. 06. 2022

Australske forskere har opfundet en slags frostvæske, der skulle gøre dem i stand til at nedfryse organer, ligesom vi kender det var fx æg og sæd. Forskerholdet opdagede, at et såkaldt kryobeskyttelsesmiddel bestående af prolin og glycerol, var effektivt til alle fire testede celletyper,

Epilepsi-medicin kan måske hjælpe patienter med tilstanden NF1

AktueltMedicinalkemi24. 06. 2022

Lægemidlet Lamotrigin, der gives mod både epilepsi og såkaldt stemningsstabiliserende medicin ved bipolar lidelse, har vist sig måske at have en tredje funktion. Det viser et nyt forskningsresultat. Lægemidlet ser ud til at kunne stoppe tumorvæksten ved tilfælde af neurofibromatose type 1 (NF1).

Første carbon-nanobånd i Möbius-form

AktueltNanoteknologi23. 06. 2022

En række forskere er lykkedes med at fremstille et carbon nanobånd med en Möbius-struktur. Et Möbius-bånd har kun én overflade og en kant. Möbius kulstof nanobåndet var et drømmemolekyle i det videnskabelige samfund, efter vi rapporterede den første kemiske syntese af et kulstof nanobånd - et

Glemt reaktor-type giver massevis af energi

Energi22. 06. 2022

Atomaffald lyder som noget ubrugeligt, men affaldet er smækfyldt med energi. Faktisk kan den nuværende mængde atomaffald i USA forsyne netop USA med energi i de næste cirka 100 år. Hemmeligheden, eller rettere den glemte reaktortype, har været kendt siden 1950´erne, og Experimental Breeder

Uddannelse i kvantevidenskab er lige på trapperne

AktueltBranchenyt21. 06. 2022

Kvantevidenskab er stærkt på vej over det meste af verden, og for at kunne holde trit, er Københavns Universitet og DTU gået sammen om at åbne den første uddannelse i kvantevidenskab. Endnu er kvantevidenskaben ikke slået igennem, men der arbejdes hårdt på kvantecomputere. Fx har DTU anvendt

Gavekort fik unge voksne til at nedtone risiciene ved Covid-19

Branchenyt21. 06. 2022

Da covid-19 hærgede tidligere, var mange af de sociale aktiviteter lukket med. Men nu viser ny svensk forskning, at man alene ved hjælp af et gavekort kunne få unge voksne i Sverige, til at nedtone risiciene ved pandemien - så de kunne komme på café og få brugt et gavekortet. Det viser en ny

Tilmeld Nyhedsbrev


Arkiv over seneste nyhedsbreve




Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    Hvordan tjekker du, om dit lithiumbatteri er defekt?

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Skruevakuumpumper til Arc PVD Coating

  • Din foretrukne samarbejdspartner indenfor salg, service og kalibrering af laboratorieudstyr

    Service og kalibrering

  • Mikrolab Aarhus A/S

    Mikrolab Opvaskestativer

  • DENIOS ApS

    Gør din opbevaring og transport af gasflasker sikrere med ét redskab

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Vakuumteknologi forbedrer egenskaberne i fjernvarmenettet

  • LABDAYS – Fagmesse for Laboratorieteknik

    GRATIS Adgangskort til LabDays

  • Drifton

    Peristaltisk pumpe med høj præcision og innovativt flerkanals pumpehoved

  • DENIOS ApS

    Tre ting, du bør tjekke, inden du skyder sommerferien i gang

  • Bisco Vægte A/S

    Få dine vejeresultater over på PC

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Ferietiden er over KemiFokus

    29.06.2022

  • Ser bare Tour de France – med god klima-samvittighed

    27.06.2022

  • Fiber-flaske kommer et skridt tættere på

    27.06.2022

  • Fra bøvlet etiket-bagpapir til isoleringsmateriale

    27.06.2022

  • Et skridt tættere på at kunne nedfryse organer

    24.06.2022

  • Epilepsi-medicin kan måske hjælpe patienter med tilstanden NF1

    24.06.2022

  • Første carbon-nanobånd i Möbius-form

    23.06.2022

  • Glemt reaktor-type giver massevis af energi

    22.06.2022

  • Uddannelse i kvantevidenskab er lige på trapperne

    21.06.2022

  • Gavekort fik unge voksne til at nedtone risiciene ved Covid-19

    21.06.2022

  • Ny metode kan lettere opdage kromosom-fejl

    21.06.2022

  • Kastede corona nogle gode idéer af sig?

    21.06.2022

  • Et billigt jern-mineral, CO2 fra atmosfæren og sollys er vejen til myresyre-brændstof

    20.06.2022

  • Langt flere mænd end tidligere antaget har ekstra kønskromosomer

    14.06.2022

  • Bæredygtigt landbrug kræver en helhedsorienteret vision

    14.06.2022

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk

Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk

Privatlivspolitik
Denne hjemmeside benytter cookies. Acceptér Afvis Læs mere om vores brug af cookies her: Brug af cookies
Privacy & Cookies Policy

Privacy Overview

This website uses cookies to improve your experience while you navigate through the website. Out of these, the cookies that are categorized as necessary are stored on your browser as they are essential for the working of basic functionalities of the website. We also use third-party cookies that help us analyze and understand how you use this website. These cookies will be stored in your browser only with your consent. You also have the option to opt-out of these cookies. But opting out of some of these cookies may affect your browsing experience.
Necessary
Altid aktiveret
Necessary cookies are absolutely essential for the website to function properly. This category only includes cookies that ensures basic functionalities and security features of the website. These cookies do not store any personal information.
Non-necessary
Any cookies that may not be particularly necessary for the website to function and is used specifically to collect user personal data via analytics, ads, other embedded contents are termed as non-necessary cookies. It is mandatory to procure user consent prior to running these cookies on your website.
GEM & ACCEPTÈR