FI64243C - Foerfarande och apparat foer maetning av tvaerbundenhetsgradeni plast - Google Patents

Description

64243

Menetelmä ja laite muovien ristisilloittumisasteen mittaamiseksi - Förfarande och apparat för mätning av tvärbundenhetsgraden i plast.

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja laite polyeteeni-muovien ristisilloitusasteen mittaamiseksi lähinnä kaapeli-ja putkituotannossa suoraan linjalta on-line periaatteen mukaisesti. Muoveilla on, kuten tunnettua hyvin monta eri käyt-5 töä. Erityisesti polyeteenimuovilla on useita varsin tärkeitä teknillisiä käyttökohteita, joista mainittakoon korkea-jännite kaapeleiden eristys sekä vesi- ja viemäriputket. Poly-eteenimuovien kemiallinen ja sähköinen kestävyys on erinomainen sekä sen mekaaninen kestävyys sellaisenaan on myös vähin-10 tään tyydyttävä. Jos polyeteeniä käytetään esim. kuumavesi- putkena, on selvää, että sen tulee kestää yli 100 asteen lämpötiloja ja sen muutenkin tulee olla kestävää. Lämpötilan kohotessa yli 80 asteen polyeteeni eli PE pyrkii pehmenemään jollei se ole nk. ristisilloitettua polyeteeniä eli PEXiä, jonka läm-15 pötilakestävyys on huomattavasti yli 100 asteen.

Polyeteenituotteita valmistetaan nk. suulakepuristuksessa, jossa sulatilassa oleva muovimassa puristetaan suulakkeen läpi lopulliseen muotoonsa esim. putkeksi tai kaapelin päälle eristeeksi. Tämän jälkeen sille suoritetaan lämpökäsittely eli 20 vulkanointi, jossa polyeteeniin syntyy runsaasti poikittaisia molekyylisidoksia hiiliatomien välille (ristisiltoja), jotka lisäävät sen lujuutta ja kestävyyttä siten, että sitä voidaan käyttää vaikkapa vesijohtoputkena. Kun putkea valmistetaan suulakepuristuksella, on tähän asti ollut hyvin vaikeaa tie-25 tää, onko silloittuminen ollut riittävää. Tuotannosta on otettu näyte, joka on viety laboratorioon, josta silloittumisaste on saatu sitten tietää useita tunteja myöhemmin.

PEX-muovien vulkanoinnin suuruutta kuvaa sen ristisilloit-tumisaste. Esim. vesijohtoputken tulee olla vähintään n. 70% 30 silloittunut, jotta sitä voitaisiin käyttää tarkoitukseensa.

PEXin silloittumisastetta mitataan nykyään erilaatuisilla kemiallisilla ja fysikaalisilla menetelmillä, joista tärkimmät lienevät nk. uuttamismenetlemä ja infrapunamenetelmä, joissa kummassakin mitataan ristisilloittumisen käynnistäneen perok-35 sidin jäännösmäärä. Nämä menetelmät ovat laboratoriomenetelmiä eivätkä sovellu on-line valvontaan ja niitä käytetään vasta 2 64243 kun tuote on valmis, jotta voitaisiin ottaa näyte laboratoriota varten.

Koska PEX muovia valmistetaan jatkuvatoimisen suulakepuris-tuksen avulla, on selvää, että tuotantoa on mahdoton pysäyttää 5 näytteen ottoa varten. On olemassa siten sekä teknillinen että taloudellinen tarve kehittää mittari, joka pystyy mittaamaan PEXin silloittumisastetta suoraan tuotannossa on-line periaatteen mukaisesti. Tällöin oltaisiin varmoja siitä, että lopputuotteen laatu olisi jatkuvasti tasainen ja täyttäisi 10 laatunormit. Mittarin ei tarvitse mitata absoluuttista silloittumisastetta, vaan riittää, että se seuraisi silloittumisasteen muutoksia, jolloin laatu voitaisiin pitää tietyn kynnyksen yläpuolella.

Tämän keksinnön kohteena on jatkuvatoiminen, näytettä koske-15 maton on-line mittari PEXin (ja muiden muovien) ristisilloit- tumisasteen mittaamiseksi. Tämän keksinnön mukainen laite mittaa välittömästi silloittumisasteen ja tulostaa sen elektronisesti; haluttaessa voidaan saada silloittumisaste digitaalisesti. Tällöin laite on kuitenkin kalibroitava tunnetulla näytteellä.

20 Koska laite ei mittaa absoluuttista silloittumisastetta, on se siten kalibroitava hälyttämään silloin, kun saatu elektroninen signaali putoaa tietyn ennakolta asetetun arvon alapuolelle. Tällaisessakin muodossa mittari olisi erinomainen tuotannon laadun tae. On osoittautunut, että nykyisessä muodossa mittari 25 soveltuisi erityisen hyvin vesijohtoputken tuotannon seurantaan sekä kaapelien pinnoituksen seurantaan. Suoritetuissa kokeissa laite on toiminut hyvin high-density muovin kanssa, mutta myös low-density muoveilla on laitetta kokeilty menestyksellä. Korkeajännitekaapeleissa käytetään myös liitutäytteistä PEXiä 30 ja suoritetuissa kokeissa laite on tällöinkin toiminut hyvin.

Sen sijaan nokitäytteisille kaapeleille tulokset ovat olleet heikkoja.

Keksinnön mukainen laite perustuu siihen havaintoon, että PEX muovin fluoresenssin intensiteetti kasvaa silloittumis-35 asteen kasvaessa. Suoritetuissa kokeissa on osoittautunut, että silloittamaton PE muovi fluorisoi hyvin vähän; intensiteetti kasvaa kuitenkin silloittumisasteen funktiona lähes lineaarisesti. Myös fluorosenssin spektri näyttää muuttuvan, mutta intensiteetin seuranta näyttää antavan parhaan tuloksen.

3 64243

Edelleen on osoittautunut, että virittävänä valona tulisi käyttää laservaloa, sillä vain laserista saadaan riittävä intensiteetti fluorosenssin luotettavaksi havaitsemiseksi. E-delleen laservalon spektraalijakautuma on riittävän kapea, jot-5 ta haluttu fluorosenssispektri saadaan esille. Suoritettaessa kokeita tavanomaisilla fluorosenssilampuilla mittaukset ovat olleet paljon hankalampia suorittaa, sillä ensiksikin tavallisen fluorosenssilampun intensiteetti on heikko ja vaihteleva, siitä saatavan valon säteen fokusointi on hankala suorittaa 10 samalla,, kun sen valon säteen ohjailu haluttuun paikkaan ei ole helppoa, sen spektrijakautuma on laaja ja vaatii suodatusta, ja lopuksi fluorosenssilamppujen kestoikä on paljon lyhyempi kuin laservalolähteiden. UV-fluorosenssilampun käyttö saattaa tulla kyseeseen laboratorio-olosuhteissa, mutta teollises-15 sa ympäristössä se voi olla epäkäytännöllistä. Täten laserin käyttö on suositeltavaa. Kapean laservalon ohjailu on myös varsin vaivatonta tuotantokoneen ääressä.

Keksinnön mukaisessa laitteessa valaistaan HeCd laservalo-suihkulla tutkittavaa PEX näytettä pyörivän katkojän läpi.

20 Täten PEX näytteeseen osuu tietyllä taajuudella f intensiteet-timoduloitu valo. PEX muovi ryhtyy viritysvalon johdosta fluo-risoimaan, jolloin fluorosenssi esiintyy samalla taajuudella f kuin tuleva moduloitu valokin on. Seuraamalla fluorosenssin intensiteettiä ja sen vaihteluita saadaan siten selville sil-25 loittumisasteen vaihtelut. Koska fluorosenssi esiintyy tietyllä taajuudella f, on helppoa rakentaa sellainen elektrooninen vahvistin, joka on viritetty samalle taajuudelle f kuin valo-ilmaisimella havaittava fluorosenssi on. Samalla muilla taa-juksilla esiintyvät häiriövalot suodattuvat pois vahvistimessa. 30 Fluorosenssin intensiteettiä seurataan valoilmaisimella, joka voi olla joko valomonistinputki tai puolijohdeilmaisin. Olennaista on, että tämän valoilmaisimen eteen asennetaan optinen suodatin, joka tehokkaasti absorboi juuri virittävän laservalon aallonpituuden pois, jolloin läpi pääsee vain fluorisoiva valo. 35 Parhaimmat tulokset on saatu HeCd-laserin valolla, vaikka esim. argonlaseria tai UV-typpi laseria voitaneen käyttää. Ristisilloittumisen tapahtuessa syntyy useita ristikkäisiä sidoksia hiiliatomien välillä. Sidoksen synty merkitsee uuden energiatason syntyä. Silloittumisen lisääntyessä energia- 4 64243 tasojen määrä kasvaa vastaavasti ja fluorosoivien tasojen määrä lisääntyy. Se seikka, että eri muovit saattavat fluorisoi-da, on sinänsä tunnettua, mutta se, että fluorosenssi kasvaa silloittumisasteen funktiona, on uutta ja se on tämän keksin-5 nön kohteena. Periaate toimii silloinkin, kun muoviin on lisätty liitua täyteaineeksi, mutta ei silloin, jos siinä on nokea.

Vallitsevasta tekniikan tasosta todettakoon US patentti 4,107,245, jossa mitataan polyetyleenin ristisilloittumisastet-10 ta lisäämällä muoviin joitakin kemiallisia väriaineita, joiden väriominaisuudet muuttuvat silloitusasteen kasvaessa. Vaihtoehtoisesti muoviin voidaan lisätä eräänlainen värjätty kalib-rointiteippi, jonka värimuutoksista voidaan päätellä silloitusasteen suuruus. Voidaan ensinnäkin todeta, että kyseisen vä-15 riaineen on oltava tasan jakautunut muoviin, jotta mittaus olisi luotettava. Toiseksi, jos käytetään värjättyä teippiä, on muovikappale leikattava auki siten, että teippi tulee näkyviin. Lopuksi on todennäköistä, että asiakaskunta ei ole kiinnostunut muovista, jossa esiintyy värivaihteluita. Nyt esillä olevassa 20 keksinnössä näitä haittoja ei ole, vaan PEX muovin silloitusas-te paljastuu jo vallitsevan käytännön mukaisilla raaka-aine kombinaatioilla. Edelleen esillä olevan keksinnön mittaustarkkuus on hyvä: verrattaessa standardina olevaan kemialliseen uuttomenetelmään mittaustarkkuus on parempi kuin±3%. Korre-25 laatiokerroin on tällöin suurempi kuin 0.94 vaadittavalla mitta-alueella.

Saksalainen patentti No 2928306 sisältää järjestelyn, jossa mitataan erityisesti rakeisen materiaalin optisia ominaisuuksia kyseisen näytteen ollessa liikkeessä näytekammiossa. Tä-30 män patentin vaatimuksissa esitetään myös fluorosenssin ilmaisu, mutta sillä ei ole mitään yhteyttä ristisilloittumisen kanssa.

Nyt esillä olevassa keksinnössä on tunnusomaista patenttivaatimuksissa olevat seikat.

35 Kuva 1 selventää fluorosenssin syntyä ja sen havaitsemista.

Kuva 2 selventää tämän keksinnön mukaisen laitteen rakenne- periaatetta havainnollisesti.

Kuva 1 selvittää fluorosenssin syntyä nimenomaan siinä tapauksessa, että virittävänä valona käytetään laserin kapeaa 5 64243 spektrijakautumaa. UV lampuilla ei saada yhtä hyviä tuloksia. Kuvassa 1 spektriviiva 1 kuvastaa viritysvaloa, joka on hyvin kapea siksi, että se tulee laserista. Spektri 2 kuvaa taasen syntyvää fluorosenssispektriä, joka on aina pitemmällä aallon-5 pituudella kuin viritysvalo. Pluorosenssi syntyy välittömästi ilman viivettä. Viritysvalon poistava suotimen absorptiospektri 3 absorpoi tehokkaasti valoilmaisimen edessä viritysvalon, jolloin ilmaisin näkee vain fluorosenssin. Koska laserin spektri jakautuma on hyvin kapea, vain vähäinen osa fluorisoivasta 10 valosta jää viritysvalon alle.

Kuva 2 selventää keksinnön mukaisen laitteen rakennetta ja toimintaperiaatetta. Laserista 10 tuleva valonsäde 11 moduloidaan katkojalla 12 siten, että näytteelle 13 osuu kyseisellä modulaatiotaajuudella f oleva valonsäde 14. On olemassa 15 myös sinänsä tunnettuja valon intensiteetin vakavoivia elek-tro-optisia ratkaisuja, mutta niitä ei selosteta tässä, koska ne eivät ole keksinnön kannalta olennaisia. Ristisilloittumi-sesta johtuva, taajuudella f moduloitunut fluorisoiva valo 15 havaitaan valoilmaisimella 16, jonka edessä on viritysvalon 20 absorpoiva suodin 17, joka itse ei saa fluorisoida. Valoilmaisimen perässä on olemassa sinänsä tunnetulla tekniikalla toteutettuja elektroonisia ilmaisimia ja vahvistimia 18, jotka on viritetty taajuudella f. Ilmaisimen 18 ulostulo, joka on tietty funktio ristisilloittuneisuudesta, voidaan viedä esim.

25 mikroprosessoripohjaiseen tietokoneeseen tai johonkin muuhun tarvittavaan säätö- tai hälytyslaitteistoon 19 ja 20. Ilmaisimena voidaan myös käyttää sinänsä tunnettua vaiheilmaisinta, mutta se ei ole keksinnöllisyyden kannalta olennaista.

Keksinnön mukaista laitetta voidaan käyttää mittaamaan on-30 line PEX muovin ristisilloittumista kaapelikoneissa, PEX put-kikoneissa, mutta myös erilaatuisia levyjä, nauhoja tai PEX pinnoitteita valmistavissa koneissa ja laitteissa.

Claims (4)

64243

1. Menetelmä muovien, erityisesti polyeteenin ristisilloitus-asteen mittaamiseksi jatkuvatoimisesti näytettä koskematta tunnettu siitä, että näytteeseen kohdistetaan fluoresenssin synnyttävä valonsäde, jolloin muovissa syntyvän 5 fluoresenssisäteilyn intensiteetti on näytteen silloittumis-asteen funktio.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukaiseen menetelmään perustuva laite muovien, erityisesti polyeteeniä olevien kaapelieristeiden ristisilloittumisasteen jatkuvaksi mittaamiseksi tunnet- 10 tu siitä, että kaapelia valmistavassa koneessa kaapeliin kohdistetaan laserista (10) fluoresenssin synnyttävä moduloitu laservalonsäde (14) jolloin kaapelimuovin synnyttämä fluoresenssisäteily (15) ilmaistaan elektroonisella valoilmaisimella (16) jonka edessä on viritysvalon absorpoiva suo-15 din (17) jolloin valoilmaisimen antama silloitusasteeseen verrannollinen elektrooninen signaali voidaan viedä tarvittaviin elektroonisiin vahvistimiin (18) ja muihin signaalin käsittelyjärjestelmiin (19, 20) tulostamaan kaapelieristeen silloittumisaste.

3. Patenttivaatimuksiin 1 ja 2 perustuva laite muovien, eri tyisesti polyeteeniä olevien putkien ristisilloittumisasteen jatkuvaksi mittaamiseksi tunnettu siitä, että putkea valmistavassa koneessa putkeen kohdistetaan laserista (10) fluoresenssin synnyttävä moduloitu laservalonsäde (14) 25 jolloin putken synnyttämä fluoresenssisäteily (15) ilmaistaan elektroonisella valoilmaisimella (16) jonka edessä on viritysvalon absorpoiva suodin (17) jolloin valoilmaisimen antama silloitusasteeseen verrannollinen elektrooninen signaali voidaan viedä tarvittaviin elektroonisiin vahvistimiin (18) 30 ja muihin signaalin käsittelyjärjestelmiin (19, 20) tulostamaan putken silloitusaste.

4. Patenttivaatimuksiin 1, 2 ja 3 perustuva laite muovien, erityisesti polyeteenin ristisilloittumisasteen jatkuvaksi mittaamiseksi tunnettu siitä, että mitattava 35 näyte on polyeteeniä oleva levy, kalvo tai vastaava pinnoite tai suojaus.