مقدمة
يُعد التحليل الدقيق لخصائص المواد أمرًا ضروريًّا لتحسين الأداء والجودة في البيئات الصناعية والبحثية. ويتيح دمج مقياس اللزوجة Kinexus مع التحليل العازل الكهربائي (DEA) التقييم المتزامن للسلوك الميكانيكي والكهربائي ضمن إطار تجريبي واحد. ويؤدي الجمع بين هذه التقنيات المتكاملة إلى فهم أعمق للمواد المعقدة، بما في ذلك البوليمرات والمواد المركبة وأنظمة المعالجة. ويتيح هذا النهج فهمًا شاملاً للخصائص اللزجة المرنة والاستجابات العازلة، مما يوفر بيانات قيّمة لتطوير العمليات ومراقبة الجودة وأبحاث المواد المتقدمة.
مبدأ القياس: قياس اللزوجة الدورانية
يُحدد قياس اللزوجة الدورانية الخصائص اللزجة المرنة للمادة من خلال قياس استجابتها للتشوه المفروض عليها في ظل ظروف خاضعة للرقابة. وفي اختبار التذبذب النموذجي، تُوضع العينة بين شكلين هندسيين — عادةً ما يكونا صفيحتين متوازيتين أو تركيبة مكونة من مخروط وصفيحة. تتأرجح إحدى اللوحات بينما تظل الأخرى ثابتة (انظر الشكل 1)، مما يؤدي إلى فرض قوة قص على العينة.
يتم تطبيق إزاحة زاوية أو عزم دوران مُحكَم، مما يؤدي إلى توليد إجهاد قص، γ(t):
المواد التي تستجيب لإجهاد القص القابل للقياس:
هنا، يمثلγ₀ سعة الانفعال، وω التردد الزاوي، وτ₀ سعة الإجهاد، وδ تأخر الطور بين الانفعال المطبق والإجهاد المقاس. ويعكس تأخر الطور هذا الخصائص اللزجة المرنة للمادة.
تشمل المعلمات الريولوجية الرئيسية معامل القص المرن (G´)، ومعامل القص اللزج (G´´)، واللزوجة المركبة (η*). وتُستمد هذه المعلمات من استجابات الإجهاد والانفعال المقاسة، وتشير إلى بنية المادة.
ومع تعرض المادة للتغيرات (مثل المعالجة)، تتطور قدرتها على مقاومة التشوه. ويؤدي تكوين شبكة بوليمرية إلى زيادة الصلابة وتعديل سلوك نسبة معامل القص اللزج G´´ إلى معامل القص المرن G´.
مبدأ القياس: التحليل العازل الكهربائي
يُستخدم التحليل العازل الكهربائي (DEA) لرصد التغيرات في الخصائص العازلة الكهربائية للمادة خلال برنامج زمني/درجتي حرارة خاضعين للتحكم. وفي تجربة DEA نموذجية، تُوضع العينة بين قطبين كهربائيين – إما على شكل صفائح متوازية أو مستشعرات مشطية متشابكة (انظر الشكل 2).
يتم تطبيق جهد كهربائي جيبي:
تستجيب المادة بتيار كهربائي:
توفر الشوائب الموجودة داخل المادة حاملات شحنة تنتقل نحو الأقطاب الكهربائية، بينما تتوجه الجزيئات ثنائية القطب (مثل المونومرات أو الأوليغومرات) في اتجاه المجال الكهربائي. وينتج عن هذا السلوك التيار المقاس.
مع تقدم عملية المعالجة، تتشكل شبكة بوليمرية ثلاثية الأبعاد، مما يقلل من حركة الأيونات ويحد من قدرة الأجسام ثنائية القطب على إعادة التوجيه. وهذا يقيد حركة حاملات الشحنة وإزاحة الأجسام ثنائية القطب. ومن المعلمات الرئيسية المستمدة من القياس الموصلية الأيونية، σ. وتعتمد هذه الموصلية الأيونية على حركة حاملات الشحنة الحرة وعلى الطاقة المبددة من خلال إعادة توجيه الأقطاب الثنائية. وتُعرَّف اللزوجة الأيونية، ρ، على النحو التالي:
مع تقدم عملية التصلب، تؤدي شبكة البوليمر المتوسعة إلى انخفاض التوصيلية الأيونية. وهذا يتوافق مع زيادة اللزوجة الأيونية.
شروط القياس
أُجري القياس المركب باستخدام مقياس الريومتر ذي الألواح المتوازية (القطر: 8 مم) والتحليل العازل الكهربائي (DEA) على مادة UHU Plus Endfest 300 (غراء إيبوكسي) عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 60 درجة مئوية. عمل جهاز قياس اللزوجة بإجهاد قص مرن بنسبة 1٪ وتردد قدره 1 هرتز. وتم تسجيل القوة العمودية، ومعامل القص (G´)، ومعامل القص اللزج (G´´)، ولزوجة القص المركبة (η*) كدالة للزمن. وأُجري قياس التحليل الكهربائي (DEA) في الوقت نفسه، باستخدام ترددات إثارة تبلغ 100 مللي هرتز، و10 هرتز، و100 هرتز، و1 كيلوهرتز، مع تتبع اللوغاريتم (لللزوجة) بوحدة أوم·سم مع مرور الوقت.
نتائج القياس
يُظهر القياس الريولوجي منحنى معالجة نموذجيًّا يعتمد على الزمن للمادة اللاصقة الإيبوكسية عند درجة حرارة 60 درجة مئوية (الشكل 3). في البداية، يكون معامل القص اللزج، G´´، أعلى من معامل القص المرن، G´، مما يشير إلى حالة شبيهة بالسائل في ظل ظروف الاختبار المطبقة. ومع تقدم عملية المعالجة، تزداد كلتا القيمتين، حيث يتجاوز G´ قيمة G´´ عند 57 درجة مئوية، مما يعكس الانتقال من الحالة السائلة إلى حالة شبيهة بالهلام، ثم أخيرًا إلى شبكة صلبة. ويتوافق هذا التقاطع بين G´ وG´´ مع نقطة الهلام على النطاق الزمني للتردد المطبق (1 هرتز).
يوضح الشكل 4 تطور اللزوجة القصية المركبة (مقياس اللزوجة) جنبًا إلى جنب مع اللزوجة الأيونية (DEA). وتشير الزيادة في اللزوجة الأيونية المقاسة لجميع الترددات إلى انخفاض في الحركة ثنائية القطب والأيونية مع زيادة الترابط. وتشير المرحلة المستقرة إلى اكتمال عملية المعالجة. وكلما ارتفع التردد، زادت سرعة الوصول إلى مرحلة الاستقرار. أما عند الترددات المنخفضة، مثل 100 ميللي هرتز، فلا تصل الإشارة إلى مرحلة الاستقرار بحلول نهاية القياس، مما يشير إلى أن التفاعل لم يكتمل بعد. ويعكس اعتماد الإشارات على التردد اختلاف حساسيتها تجاه الحركات المقطعية السريعة والبطيئة.
يتمثل أحد الجوانب المهمة للتحليل المركب في الحساسية التكميلية للطريقتين. ففي حين توفر البيانات الريولوجية معلومات موثوقة حول تكوين الشبكة والتحولات الميكانيكية، تقل قيمة المعلومات التي يقدمها قياس الريولوجيا بمجرد أن تصبح العينة شديدة الصلابة: حيث تميل البيانات الميكانيكية إلى الاستقرار عند مستوى معين، نظراً لعدم إمكانية تحديد تطور الشبكة بشكل أكبر من خلال التشوه الماكروسكوبي. في المقابل، يظل التحليل العازل الكهربائي (DEA) شديد الحساسية تجاه الديناميكيات الجزيئية المستمرة والتغيرات في حركة الأيونات، حتى بعد أن تصبح العينة شديدة الصلابة بحيث يتعذر تشوهها ميكانيكيًا. ويتضح ذلك من خلال منحنى التحليل الكهربائي (DEA) عند 100 ميجاهرتز، الذي يستمر في التطور ويشير إلى استمرار التفاعل، حتى عندما يصل المنحنى الريولوجي إلى مرحلة الاستقرار. وبالتالي، يوفر التحليل الكهربائي (DEA) رؤية إضافية قيّمة حول المراحل المتأخرة من عملية المعالجة ويضمن صورة أكثر اكتمالاً لتقدم التفاعل.
الخلاصة
يوضح هذا التطبيق ميزة الجمع بين قياس الريولوجيا وتحليل DEA لمراقبة عملية معالجة الإيبوكسي. يوفر نظام تحليل DEA ( NETZSCH ) بيانات ميكانيكية وعازلة في آن واحد، مما يتيح للمستخدمين تتبع التغيرات على المستويين الكلي والجزيئي طوال العملية بأكملها. وفي حين يتفوق قياس الريولوجيا في تحديد التحولات الميكانيكية ونقطة التجلط، يواصل تحليل DEA تقديم معلومات تفصيلية عن تقدم التفاعل، حتى بعد أن تصبح العينة صلبة للغاية بحيث يتعذر إجراء المزيد من الفحوصات الميكانيكية. ونتيجة لذلك، يقدم تحليل DEA قيمة فريدة من نوعها من خلال ضمان الرؤية الكاملة لعملية المعالجة الجارية، ودعم تحسين العملية، وضمان منتجات عالية الجودة ومعالجة بالكامل.