التحديد المتزامن للخصائص الريولوجية والعازلة لراتنج إيبوكسي مُعالج بالأمينات

مقدمة

تُستخدم أنظمة الإيبوكسي المتصلبة بالحرارة على نطاق واسع في المواد اللاصقة، والطلاءات، والمواد المركبة، وتطبيقات تغليف المكونات الإلكترونية. وأثناء عملية المعالجة، يتحول الراتنج ذو اللزوجة المنخفضة في البداية إلى شبكة شديدة التشابك، مما يؤدي إلى تغيرات جوهرية في الخصائص الميكانيكية والكهربائية على حد سواء.

يعد فهم مراحل عملية المعالجة أمرًا ضروريًا لتحسين العملية ومراقبة الجودة والتنبؤ بأداء المادة النهائية. توفر تقنيات الريولوجيا نظرة ثاقبة على تطور اللزوجة وسلوك التجلط، في حين يراقب التحليل العازل الكهربائي (DEA) حركة Ionic والديناميكيات الجزيئية المرتبطة بتفاعل المعالجة.

ويوفر الجمع بين التقنيتين في تجربة واحدة رؤية شاملة لعملية المعالجة من خلال تتبع التغيرات الميكانيكية الكلية وحركة الجزيئات المجهرية في آن واحد.

توضح هذه الدراسة القياس المتزامن لراتنج إيبوكسي ثنائي المكونات مُعالج بالأمينات باستخدام مقياس اللزوجة الدوراني Kinexus Prime مقترنًا بمحلل عازلي من شركة DEA 288 Ionic.

تجريبي

المواد

تمت دراسة نظام إيبوكسي ثنائي المكونات يتألف من راتنج إيبوكسي ومُصلب أميني. تم خلط المكونات مباشرة قبل إجراء القياس وفقًا لنسبة الخلط الموصى بها من قبل الشركة المصنعة.

الطرق

أُجريت القياسات باستخدام:

• مقياس اللزوجة الدوراني Kinexus Prime،
• جهاز تحليل الخواص العازلة الكهربائية " DEA 288 Ionic "، و
• نظام القياس المتكامل للريولوجيا والعزل الكهربائي، الموضح في الشكل 1.

مباشرة بعد الخلط، تم وضع التركيبة التفاعلية على اللوح السفلي لجهاز قياس الريولوجيا، والذي عمل في الوقت نفسه كقطب استشعار عازل كهربائي لجهاز DEA 288 Ionic. تم الحفاظ على درجة حرارة النظام عند 50 درجة مئوية.

بعد وضع لوحة القياس العلوية (قطرها 8 مم) وضبط فجوة القياس على 1 مم، تم الحصول على البيانات الريولوجية والعازلة الكهربائية في وقت واحد طوال عملية المعالجة. ويلخص الجدول 1 ظروف القياس.

مقياس الريولوجيا الدوراني من Kinexus: مراقبة تكوين الشبكة الجزيئية

تعكس الاستجابة الريولوجية التغيرات في سلوك التدفق والتشوه للمادة مع تطور الشبكة البوليمرية.

في بداية عملية المعالجة، يُظهر الراتنج غير المعالج سلوكًا شبيهًا بالسائل في الغالب، ويمكن لسلاسل البوليمر أن تتحرك بحرية نسبيًا. ومع تقدم عملية التشابك، تقيد شبكة البوليمر المتنامية حركة الجزيئات بشكل متزايد، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في اللزوجة والمرونة.

وينعكس هذا السلوك في المعلمات الريولوجية التي تُقاس بواسطة مقياس اللزوجة الدوراني. وبالتالي، فإن الإشارة الريولوجية توفر مؤشراً عالي الحساسية لتقدم عملية المعالجة والتطور الهيكلي، خاصةً حول مراحل التجلط والتزجيج، حيث تحدث تغيرات كبيرة في الخصائص اللزجة المرنة.

DEA 288 Ionic: رصد الحركة الجزيئية

تعكس الاستجابة العازلة الحركية للأنواع Ionic والثنائيات القطبية داخل المادة.

في بداية عملية المعالجة، يمكن لحاملات الشحنة ( Ionic ) التحرك بحرية نسبية عبر الراتنج السائل. ومع تقدم عملية التشابك، تعمل شبكة البوليمر المتنامية على تقييد الحركة الجزيئية بشكل متزايد، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في حركة Ionic.

وينعكس هذا السلوك في الزيادة في لزوجة الأيونات التي يقيسها نظام « DEA 288 Ionic ». وبالتالي، توفر الإشارة العازلة مؤشرًا عالي الحساسية لتقدم عملية المعالجة، خاصةً خلال المراحل المبكرة عندما قد تكون التغيرات الريولوجية لا تزال نسبيةً small.

الجدول 1: شروط الاختبار

النتائج والمناقشة

يوضح الشكل 2 منحنيات اللزوجة القصية المركبة وزاوية الطور أثناء الاختبار، بينما يوضح الشكل 3 منحنيات معامل القص المرن (G´)، ومعامل القص اللزج (G´´)، وزاوية الطور، وزاوية الطور الأولية.

السلوك خلال المراحل الأولية من عملية المعالجة

مباشرةً بعد تحميل تركيبة الإيبوكسي المخلوطة حديثًا، تُظهر المادة لزوجة قص معقدة منخفضة. في ظل هذه الظروف، قد تتأثر الاستجابة الريولوجية بتأثيرات القصور الذاتي للأداة، والتي تظهر في بيانات زاوية الطور الأولية.

باستخدام زاوية الطور الأولية المتوفرة في برنامج rSpace ، يمكن تحديد تأثير القصور الذاتي من خلال مقارنة زاوية الطور وزاوية الطور الأولية. في بداية القياس، تتجاوز زاوية الطور الأولية زاوية الطور ذات المغزى الفيزيائي، مما يشير إلى أن الإشارة الريولوجية تتأثر بمساهمات القصور الذاتي بدلاً من أن تعكس استجابة المادة فقط.

وبالتالي، يجب توخي الحذر عند تفسير المعلمات الريولوجية التي يتم الحصول عليها خلال هذه الفترة الأولية، فهي غير مناسبة لتقييم المراحل الأولى من المعالجة. ولهذا السبب، لا يتم عرض المنحنيات الريولوجية التي تتجاوز فيها زاوية الطور غير المصححة زاوية الطور المصححة.

ومن بين الحلول الممكنة تقليل تأثيرات القصور الذاتي عن طريق تقليل الفجوة القياسية، وتقليل قطر اللوحة، و/أو خفض تردد الاختبار.

ومع ذلك، إذا أُجري الاختبار بالاقتران مع جهاز قياس السعة الكهربائية ( DEA 288 Ionic)، فلن يكون من الضروري تكرار القياس للحصول على توصيف كامل لعملية المعالجة. وبما أن البيانات العازلة يتم الحصول عليها في الوقت نفسه، يمكن مراقبة بداية المعالجة مباشرةً من خلال تطور لزوجة الأيونات. وعلى عكس القياسات الريولوجية، لا تتأثر القياسات العازلة بالقصور الذاتي لجهاز قياس الريولوجيا، وبالتالي فهي توفر معلومات موثوقة حول انخفاض حركة Ionic منذ بداية التجربة.

يوضح الشكل 4 تطور اللزوجة الأيونية التي تم تحديدها عن طريق التحليل العازل الكهربائي. وترتبط الزيادة في اللزوجة الأيونية فور بدء القياس لجميع الترددات ببداية تفاعل المعالجة.

التجمد

مع تقدم تفاعل المعالجة، زاد الوزن الجزيئي من خلال تكوين روابط تساهمية بين المجموعات الوظيفية للإيبوكسي والأمين. ونتيجة لذلك، زادت اللزوجة المعقدة بشكل مستمر.

وقد لوحظ الانتقال من سائل لزج في الغالب إلى شبكة مرنة من خلال تطور معاملات اللزوجة المرنة. يمكن تحديد نقطة التجلط من خلال تقاطع معامل القص المرن (G´) ومعامل القص اللزج (G´´) الذي تم رصده عند 116 دقيقة، مما يشير إلى تكوين شبكة ثلاثية الأبعاد لا نهائية.

الخلاصة: الكشف المتزامن عن بدء عملية المعالجة على الرغم من تأثيرات القصور الريولوجي

مع تقدم عملية المعالجة وزيادة اللزوجة، يتضاءل تأثير القصور الذاتي بسرعة. وعندئذ تصبح البيانات الريولوجية ممثلة تمامًا لاستجابة المادة، مما يتيح تحديد تراكم اللزوجة، وتطور الخصائص اللزوجة المرنة، وسلوك التجلط في المراحل اللاحقة.

وبالتالي، فإن الجمع بين التحليل الريولوجي والتحليل الكهربائي يضمن المراقبة المستمرة لعملية المعالجة على مدى نطاق القياس بأكمله. يلتقط تحليل DEA المراحل المبكرة لتكوين الشبكة، بينما يوفر التحليل الريولوجي معلومات تفصيلية عن تطور الخصائص الميكانيكية بمجرد تكوين قوة هيكلية كافية.