METODO PARA LA MONITORIZACION NO INVASIVA DEL CURADO DE UN MATERIAL PLASTICO TERMOESTABLE MEDIANTE EL USO DE MICROONDAS Y DISPOSITIVO MICROONDAS PARA LA APLICACION DE DICHO METODO.

Método para la monitorización no invasiva del curado de un material plástico termoestable mediante el uso de microondas y dispositivo microondas para la aplicación de dicho método.

La invención se refiere a un método para la monitorización no invasiva de la reacción química ligada al proceso de curado de un material plástico termoestable mediante el uso de las microondas, a partir de las medidas en tiempo real del factor de reflexión de un sensor resonador utilizando un detector que simultáneamente proporcione valores de módulo y fase.La invención se refiere también, como ejemplo de aplicación del método, a un dispositivo para la determinación no invasiva del grado de curado de un material plástico termoestable a frecuencias de microondas.En otro aspecto, la invención propone un método para la determinación de la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados de un resonador de microondas acoplado muy intensamente y un método para determinar la permitividad complejade un material que va sufriendo cambios de densidad, como los que se producen durante el curado del poliuretano

Método para la monitorización no invasiva del curado de un material plástico termoestable mediante el uso de microondas y dispositivo microondas para la aplicación de dicho método.

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo técnico de los métodos empleados para monitorizar el proceso de curado de un material plástico termoestable. En particular, la presente invención emplea las microondas para obtener lecturas con las que poder controlar la evolución del material en su proceso de curado.

Antecedentes de la invención

El curado es una reacción química que convierte un cierto polímero, o combinación de polímeros, en un plástico termoestable.

En el caso concreto del poliuretano (PUR), el curado se produce a partir de dos componentes básicos, líquidos a temperaturas próximas a la de ambiente, que se mezclan en proporciones concretas y reaccionan en un molde con una forma prefijada dando lugar a una pieza sólida. Esencialmente el PUR es un compuesto en base poliol (conocido como componente "A") y un prepolímero de isocianato (conocido como componente "B"). Además de los componentes mencionados, se suelen añadir a la mezcla otros aditivos que ayudan al desarrollo de la reacción, tales como entendedores de cadena, agentes de entrecruzamiento, catalizadores, agentes espumantes, estabilizadores de la luz, aditivos antiestáticos, antihidrolizantes, etc.

Desde el momento del mezclado de los componentes, se inician una serie de reacciones más o menos simultáneas que dan lugar al material termoestable. Por ejemplo, reacciones de polimerización, reacciones de reticulación y reacciones de espumación. Todas estas reacciones tienen lugar en el interior del molde que actúa como reactor ya que una vez finalizado el proceso, el material adquiere un carácter termoestable que le imposibilita su posterior moldeo. Si durante el proceso de fabricación se producen pequeñas alteraciones en la dosificación o mezclado de los componentes o incluso envejecimientos por diferentes causas de dichos componentes, las reacciones que se deben llevar a cabo en el interior del molde puede que no sean las esperadas, produciéndose un material defectuoso que no siempre es detectable a simple vista. En determinados procesos el material que se desperdicia puede llegar hasta un 10%, repercutiendo en costes adicionales y problemáticas ambientales.

Los procesos de curado de plásticos termoestables, en general se desarrollan en tiempos muy cortos (incluso inferiores a 3 segundos en algunos casos) son muy difíciles de controlar, ya que dependen de múltiples factores, como por ejemplo la dosificación de los componentes, la temperatura, la presión, la humedad, el envejecimiento de los componentes, etc. Por ello, hoy en día, la única forma de asegurar una buena calidad de plásticos termoestables, como por ejemplo el poliuretano, es realizar una serie de pruebas a dicho material una vez que el proceso de curado ha finalizado, es decir, se tratan de controles realizados a posteriori.

Si no se realiza ningún control durante el proceso de curado, el proceso se basa en especificaciones del fabricante de polímeros sobre tiempo/temperatura/presión recomendados, obtenidas a través de hipótesis sobre el estado de los materiales antes/durante/después del proceso. Normalmente se utilizan estimaciones conservadoras, lo que hace que el curado sea mucho menos eficiente de lo que podría ser.

En algunas ocasiones se lleva a cabo un sistema de control basado en coladas de la mezcla en recipientes especiales las cuales son analizadas de forma destructiva en el laboratorio, donde se determinan diferentes parámetros directamente relacionados con el proceso de curado. Este sistema de control permite corregir a tiempo determinados fallos, pero presenta los inconvenientes:

- Es destructivo

- Sólo describe una fracción temporal de las reacciones que se producen dentro del molde.

- Requiere la paralización temporal de la producción.

- No permite la automatización de un proceso de control.

- No da información sobre las posibles causas que han originado el problema.

Son conocidos en el estado de la técnica procedimientos que permiten realizar la monitorización del curado, siendo los más relevantes los basados en sensores de temperatura (US 6,490,501), de ultrasonidos (US 5,009,104, US 5,911,159), sensores basados en fibras ópticas (US 5,158,720), piezo-transductores (US 2006/123914), espectrometría de masas (JP 6344366), resonancia magnética nuclear (US 5,321,358) y micro-dielectrometría a bajas frecuencias (US 5,158,720).

Los sensores de temperatura se caracterizan por que sólo pueden monitorizar reacciones exo/endotérmicas, y porque debe haber un cuidadoso control de la forma, peso y tamaño de las muestras de material para poder obtener medidas precisas. Además, la medida de la temperatura se debe realizar únicamente en un punto, que generalmente se sitúa en la superficie, si el proceso no se desea que sea invasivo.

Los sensores de fibra óptica tienen como inconvenientes el hecho de que son muy frágiles y se ven drásticamente afectados por las variaciones de temperatura o presión, por lo que tampoco son adecuados para monitorizar el curado de la mayor parte de plásticos termoestables, por ejemplo el poliuretano.

El funcionamiento de los sensores de ultrasonidos en procesos de curado se ve enormemente limitado porque los materiales empleados absorben gran parte de la señal.

La espectrometría por IR, por otro lado, requiere de unas medidas destructivas, ya que el sensor penetra y perfora el material para realizar la medida, además de su elevado coste y personal muy especializado.

La presente invención describe un nuevo método y un dispositivo, como ejemplo de aplicación de dicho método, para la monitorización no invasiva del proceso de curado de un material plástico termoestable. Durante la evolución del proceso de cambio asociado al curado, la modificación de la viscosidad o el endurecimiento del material se manifiestan también en cambios dinámicos de la permitividad compleja a frecuencias de microondas. Por lo tanto, la medida dinámica y no invasiva de la permitividad compleja del material durante el proceso de cambio, o de algún parámetro dependiente directa o indirectamente de la permitividad compleja, puede ser utilizado para la monitorización del proceso de curado.

Con anterioridad se han descrito técnicas para la medida de la permitividad compleja. Destacan técnicas para la medida de la permitividad compleja en tecnología planar, como circuitos microstrip o coplanar, en las patentes US 5,334,941 y US 6,617,861. En el documento US 5,334,941 se describe un método donde la permitividad se obtiene con la medida de la frecuencia de resonancia y el factor de calidad de un resonador planar a partir de unas expresiones cerradas, basadas en simples expresiones, lo que no permite obtener la permitividad con la precisión ni repetición requerida. En el documento US 6,617,861 se describe otra técnica de medida de las propiedades dieléctricas de materiales sólidos basada en un método iterativo sobre circuitos planares utilizando como instrumento de medida un analizador de redes o un detector de pico para la adquisición del módulo de la reflexión o la transmisión. Así, el hecho de utilizar métodos iterativos dificultarla un seguimiento en tiempo real de reacciones rápidas. Además, al utilizar únicamente el módulo, la frecuencia de resonancia y los factores de calidad medidos no son validos para la caracterización dieléctrica, especialmente cuando el acoplamiento de una cavidad, o resonador, es muy fuerte, como se demuestra en la descripción detallada de la presente invención. En este caso, el conocimiento de la fase de la medida es esencial.

Descripción de la invención

En un primer aspecto, la presente invención se refiere a un método para la monitorización no invasiva de la reacción química ligada al proceso de curado de un material plástico termoestable mediante el uso de las microondas. Dicho material plástico termoestable podrá ser, por ejemplo, el poliuretano.

De acuerdo con la invención, dicho método comprende las siguientes etapas.

En un primer momento, se situarán los componentes poliméricos en un molde para su conformado y curado, los cuales irán adoptando la forma del molde a medida que el proceso de curado evoluciona hasta convertirse en un plástico termoestable con la forma...

1. Método para la monitorización no invasiva de la reacción química ligada al proceso de curado de un material plástico termoestable (2) mediante el uso de las microondas,

caracterizado por que comprende las etapas de:

- situar el material plástico termoestable (2) en un molde (1) para su conformado o curado adoptando la forma del molde (1),

- generar señales en el espectro de las microondas dentro de un rango de frecuencias de entre 300 MHz y 100 GHz,

- conducir dichas señales de microondas hacia dicho material plástico termoestable (2) mediante un dispositivo sensor resonador (4), para que dicho material plástico termoestable (2) refleje parte de la señal conducida y absorba otra parte de la señal conducida, dependiendo del estado del material termoestable (2) en ese instante,

- recibir, a través de la respuesta del sensor resonador (4), la señal reflejada por el material plástico termoestable (2) y obtener de la señal reflejada el módulo y la fase del factor de reflexión, siendo el factor de reflexión la relación entre la señal conducida y la señal reflejada,

- determinar la frecuencia de resonancia descargada, el factor de acoplamiento y/o el factor de calidad descargado a partir del módulo y la fase del factor de reflexión, siendo la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados aquellos valores en los que se elimina la perturbación de la red de acoplamiento (5), también denominado circuito de alimentación del sensor resonador (4), representando la frecuencia de resonancia y factor de calidad reales del sensor resonador (4) sin tener en cuenta el efecto de la red de acoplamiento (5),

- determinar la permitividad compleja del material termoestable (2) a partir de su relación electromagnética con la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados del sensor resonador (2),

- determinar mediante la monitorización en tiempo real de la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados o bien con la monitorización de la parte real y la parte imaginaria de la permitividad compleja, la evolución del proceso de curado del material termoestable (2).

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un procedimiento para obtener la permitividad compleja del material termoestable (2) a partir de la determinación de la frecuencia de resonancia, el factor de acoplamiento y el factor de calidad descargados extraídos de la medida del factor de reflexión de un sensor resonador (4) en contacto con el material plástico termoestable (2), mediante:

- obtención numérica de una relación de parejas de valores que relacionan unas frecuencias de resonancias y unos factores de calidad descargados, que se corresponden a la forma especifica del sensor resonador (4), con valores de la permitividad compleja, constante dieléctrica y factor de pérdidas del material plástico termoestable (2) con el que está en contacto dicho sensor resonador (4), cubriendo los valores posibles de variación del material plástico termoestable (2) en su proceso de curado,

- pre-calibración del sensor resonador (4) empleando materiales con permitividad conocida y con diferentes redes de acoplamiento (5), tanto fuertes como débiles, para determinar en todos los casos, la desintonización que produce la red de acoplamiento (5), entendida dicha desintonización como la desviación de la frecuencia de resonancia descargada respecto a la frecuencia de resonancia medida, correspondiendo dicha frecuencia de resonancia medidas con la frecuencia en la que se produce el pico mínimo del factor de reflexión,

- medida en tiempo real, del módulo y de la fase de la señal reflejada y del factor de reflexión,

- extracción en tiempo real del factor de calidad descargado, el factor de acoplamiento y la frecuencia de resonancia f_min obtenida como el mínimo del factor de reflexión a partir del módulo y la fase del factor de reflexión,

- extracción en tiempo real de la frecuencia de resonancia descargada a partir del factor de acoplamiento y la pre-calibración con la medida de la señal reflejada,

- determinación en tiempo real de los valores de la permitividad compleja tomando como valores de partida la frecuencia de resonancia descargada y el factor de calidad descargado a través de la relación previamente obtenida de pareja de valores de frecuencias de resonancias, factores de calidad descargados y parte real e imaginaria de la permitividad compleja.

3. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado por que las señales de microondas se generan en tiempo real en un rango de frecuencias de entre 1 GHz y 3 GHz.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por que el material plástico termoestable (2) monitorizado es poliuretano.

5. Dispositivo para la monitorización no invasiva y en tiempo real de la reacción química ligada al proceso de curado de un material plástico termoestable (2) situado en el interior de un molde (1) mediante el uso de microondas que comprende un sensor resonador (4), un generador de microondas (7) para la generación de una señal de microondas conectado a dicho sensor resonador (4) a través de un cable de microondas (6) por el que circula la señal generada, un circuito o red de acoplamiento de energía (5) al resonador y un receptor microondas (8) para la recepción de una señal reflejada por el mismo cable microondas (6) y conectado a dicho sensor resonador (4),

caracterizado por que

el sensor resonador (4) se sitúa embebido en el molde (1), comprendiendo dicho sensor resonador (4) una estructura coaxial, de longitud proporcional a la longitud de onda de la señal emitida, con un primer extremo (12) terminado en una pared metálica (14) a modo de cortocircuito, y un segundo extremo (13) contenido en la superficie del molde (1), de modo que el segundo extremo (13) del sensor resonador (4) se adapta a la forma del interior del molde (1) y no modifica la superficie interior de dicho molde (1), conectado el sensor resonador (4) con el generador microondas (7) y receptor microondas (8) por el primer extremo (12) del sensor resonador (4) y configurado el segundo extremo (13) del sensor resonador (4) para conducir la señal microondas generada al material plástico termoestable (2).

6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado por que la longitud del sensor resonador (4) es proporcional en un múltiplo entero impar a un cuarto de longitud de onda de la señal emitida.

7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5-6, caracterizado por que el generador de microondas (7) genera señales de microondas en un rango de frecuencias de entre 300 MHz y 100 GHz.

8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado por que el generador de microondas (7) genera señales microondas en un rango de frecuencias de entre 1 GHz y 3 GHz.

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5-8, caracterizado por que comprende una red separadora (9) para obtener la señal reflejada de la señal conducida por el generador de microondas (7), puesto que ambas señales viajan por el mismo cable de microondas (6).

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5-9, caracterizado por que el receptor microondas (8) comprende un elemento seleccionado de entre: un equipo para medir el módulo y la fase de la señal reflejada en tiempo real, un reflectómetro de 5 ó 6 puertos calibrado, o un analizador de redes conectado con un software de control para obtener automáticamente la frecuencia de resonancia y factor de calidad de la señal de la señal reflejada.

11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5-10, caracterizado por que el circuito de acoplamiento de energía (5) es de tipo capacitivo.

12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5-10, caracterizado por que el circuito de acoplamiento de energía (5) es de tipo inductivo.

13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 10-12, caracterizado por que la red separadora (9) comprende un circuito seleccionado entre: un divisor y un aislador, un divisor y un acoplador direccional, un acoplador direccional dual y un acoplador direccional y un aislador.

14. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5-13, caracterizado por que el material plástico termoestable (2) es poliuretano.