• 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
  • Link til 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

Højere hastigheden og mindre kompleksiteten skal sikre den europæiske konkurrenceevne

AktueltBranchenyt27. 03. 2023

Skal man koge det ned til ganske få ord, vil EU have mindre bøvl omkring sagsbehandlingerne. Det stod klat efter EU’s stats- og regeringschefer blev enige om, at man vil gøre reguleringen mere enkel og sagsbehandlingen i EU, mens hastigheden for sagsbehandlingen skal op i de enkelte

Dansk-tysk aftale er første skridt på vejen til en brintrørledning på tværs af grænsen

Energi24. 03. 2023

Brint og Power-to-X er set som værende en af de helt store teknologier i en mere grøn fremtid med vedvarende energi. For at det skal lykkedes, skal man have opbygget en infrastruktur, der kan håndtere fx brinten. Og det nu er første skridt taget til en fremtidig brintrørledning mellem Danmark og

Prisvindende gymnasielærer er fanatisk omkring STEM-fagene på den positive måde

BranchenytTop24. 03. 2023

Man forbinder det sjældent med noget godt, når folk er fanatiske, men i tilfældet med gymnasielærer Klaus Møller Kristensen fra Tradium Teknisk Gymnasium i Randers forholder det sig anderledes. For selv om han betegner sig som fanatisk omkring STM-fagene, er det på en så positiv måde, at han har

Pas på ramløgens giftige familiemedlemmer – de kan i værste fald være dødelige

AktueltMedicinalkemi23. 03. 2023

Med forårets komme er den populære urt ramsløg ved at titte frem i de danske skove. Og der er intet forgjort ved at tilsætte den til sin mad. Men man skal passe på, for den velsmagende urt har en giftig fætter - eller to. Den mest kendte er liljekonval. Planten indeholder en række toxiner, men

Hestebønner

Så er det lykkedes – afkodning af det gigantiske hestebønnegenom er gennemført

FødevarekemiKlima og miljøTop17. 03. 2023

Den proteinrige hestebønne anses for at have en lovende fremtid som fødevare. Den største udfordring hidtil har været, at hestebønnegenomet er så stort og komplekst, at det ikke har været muligt at karakterisere det. Det største kromosom i hestebønnegenomet svarer til hele det humane genom. Uden

Danmark er en blød mellemvare på ranglisten over kvindelige opfindere

AktueltBranchenyt17. 03. 2023

En europæiske liste over patentansøgninger viser det tydeligt. Danske opfindelser er udtænkt af mænd. Kun ved én ud af ti danske patentansøgninger står en kvinde bag, og det gør Danmark i bedste fald en blød mellemvare på det område. Det lave antal kvindelige opfindere i forhold til antal mænd,

Pulje med midler til grøn bioraffinering er blevet løbet over ende

AktueltBioteknologi17. 03. 2023

Interessen for at komme i gang med bioraffinering er stor. Så stor, at en pulje, der har midler som kan støtte op om udviklingen af teknologien, er blevet løbet over ende. Puljen rummer 5 mio. kr. til uddeling i 2022, 2023 og 2024, og i år har Landbrugsstyrelsen modtaget ansøgninger om tilskud

Bedre forståelse af den græske Ouzo-effekt kan på sigt føre til bedre emulsioner

KemiteknikMedicinalkemi17. 03. 2023

Nogle kalder drikken Ouzo for Grækenland på flaske, men den anissmagende græske brændevin, der er landets nationaldrik, gemmer også på en hemmelighed, der på sigt kan føre til bedre emulsioner. Normalt er Ouzo en klar væske, men når den blandes med vand forvandles den til en mælkehvid opløsning.

Lettere adgang til supercomputere rummer store perspektiver for dansk forskningsmiljø

Branchenyt16. 03. 2023

Bedre medicin, klimaoptimeret byggeri og mere viden om fjerne galakser. Mulighederne er store, når man har den massive regnekraft fra supercomputere til rådighed. Og dem får forskere nu lettere adgang til takket være DeiC Integration Portal. Bag initiativet til den nye portal står The Danish

Hvordan fungerer en LED-lyskilde?

Energi16. 03. 2023

LED-lys har i de seneste år taget verden med storm og har vundet popularitet som en energieffektiv, holdbar og alsidig form for belysning. Men hvad er kemien bag LED-lys? LED (Light Emitting Diode) fungerer ved hjælp af en halvleder, der er placeret mellem to ledende materialer. Når en elektrisk

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





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

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    Sådan sparer du rengøringen efter vedligeholdelsesarbejde

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Sikker køling af salat takket være vakuumteknologi

  • Metrohm Nordic

    Kom med på IC-kursus med Metrohm!

  • MD Scientific

    Shodex polymer-baserede HPLC kolonner – se det nye katalog

  • Mikrolab Aarhus A/S

    Kom til Mikrolab Seminardag d. 25 april!

  • Kem-En-Tec Nordic

    ANB Sensors går i partnerskab med Kem-En-Tec Nordic A/S i distributionen af nye, revolutionerende pH sensorer i Danmark, Sverige, Norge og Finland

  • DENIOS ApS

    Øg sikkerheden ved dit opsamlingskar med tre små justeringer

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Vakuum bevarer den gode smag

  • Metrohm Nordic

    NIRS DS2500 Analyzers – til polymerer, petrokemi, kemikalier, pharma, palmeolie, produkter til personlig pleje m.m.

  • DENIOS ApS

    35 krav du ikke må misse, når du opbevarer gasflasker udendørs

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Højere hastigheden og mindre kompleksiteten skal sikre den europæiske konkurrenceevne

    27.03.2023

  • Dansk-tysk aftale er første skridt på vejen til en brintrørledning på tværs af grænsen

    24.03.2023

  • Prisvindende gymnasielærer er fanatisk omkring STEM-fagene på den positive måde

    24.03.2023

  • Pas på ramløgens giftige familiemedlemmer – de kan i værste fald være dødelige

    23.03.2023

  • Så er det lykkedes – afkodning af det gigantiske hestebønnegenom er gennemført

    17.03.2023

  • Danmark er en blød mellemvare på ranglisten over kvindelige opfindere

    17.03.2023

  • Pulje med midler til grøn bioraffinering er blevet løbet over ende

    17.03.2023

  • Bedre forståelse af den græske Ouzo-effekt kan på sigt føre til bedre emulsioner

    17.03.2023

  • Lettere adgang til supercomputere rummer store perspektiver for dansk forskningsmiljø

    16.03.2023

  • Hvordan fungerer en LED-lyskilde?

    16.03.2023

  • Danske forskere på vej med en løsning til at fjerne og nedbryde PFAS i ét trin

    15.03.2023

  • Millionbevillig til patentvoucherordning skal give flere blod på tanden

    15.03.2023

  • Minister vil teste for næsten dobbelt så mange PFAS-stoffer i drikkevandet

    15.03.2023

  • Nyt sekventeringsudstyr til SDU efter million-bevilling fra A.P. Møller Fonden

    15.03.2023

  • Den er god nok – gigtramte kan godt forudsige omskift i vejret

    14.03.2023

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
Cookiepolitik