التحليل الحركي للُّزوجة القص للتنبؤ بسلوك المعالجة للمادة اللاصقة الإيبوكسية المكونة من جزأين

مقدمة

يشيع استخدام راتنجات الإيبوكسي في الطلاء والتصفيح والمواد الإلكترونية. ويمتد مجال استخدامها إلى تطبيقات المواد اللاصقة، خاصةً عند الحاجة إلى المتانة والقوة.

تتكون العديد من المواد اللاصقة الإيبوكسية من مكونين هما راتنجات الإيبوكسي والمقوي. وبمجرد خلط المركبين، تبدأ المعالجة: يتم إنشاء روابط بين راتنجات الإيبوكسي والمقسي، مما يشكل شبكة هيكلية. في الممارسة العملية، تكون بداية التفاعل ومدته ذات أهمية. في هذا العمل، يتم فحص التغيرات في الخواص الانسيابية للغراء الإيبوكسي ثنائي الأجزاء أثناء المعالجة عن طريق قياس الانسيابية الدورانية. علاوة على ذلك، تُستخدم القياسات لتحديد حركية التفاعل. وأخيرًا، تسمح معرفة المعلمات الحركية للمعالجة بمحاكاة التفاعل لظروف درجة الحرارة والوقت التي يحددها المستخدم.

شروط القياس

أُجريت قياسات التذبذب على الغراء الإيبوكسي ثنائي الأجزاء باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية NETZSCH Kinexus.

بعد خلط مكوِّنَي الغراء الإيبوكسي ثنائي الأجزاء في درجة حرارة الغرفة، تم وضع الخليط على اللوحة السفلية لجهاز Kinexus. تم ضبط وقت الاختبار على 0 عند بدء خلط كلا المكونين، على الرغم من أنه في هذه اللحظة، لم يتم تحميل المكونات بعد في مقياس الانسيابية.

تم استخدام ألواح يمكن التخلص منها بقطر 8 مم للقياس. تم اختيار هذا القطر الصغير من أجل الحفاظ على الصلابة النهائية للعينة المعالجة منخفضة بما فيه الكفاية مقارنة بصلابة مقياس الانسيابية. استُخدمت فجوة قياس قطرها 1 مم خلال القياس.

ويرد في الجدول 1 الشروط المستخدمة لقياس التذبذب أثناء المعالجة باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus.

الجدول 1: شروط قياس المعالجة

النتائج والمناقشة

يعرض الشكل 1 منحنى قياس معامل القص المعقد. بشكل عام، إذا لم تحدث أي عملية (مثل التفاعل الكيميائي)، فإن تسخين العينة سيؤدي إلى تليينها، أي إلى انخفاض في الصلابة (المعامل). ومع ذلك، في هذا المثال، يكون للتسخين تأثيران: بالإضافة إلى انخفاض المعامل، يؤدي التسخين إلى تسريع معالجة الصمغ. تؤدي هذه العملية إلى ارتفاع في الصلابة (المنحنى الأخضر).

تشير الزيادة الحادة في معامل القص المعقد في بداية القياس إلى بداية المعالجة على خطوتين للعينة. وبين كلتا الخطوتين، يرجع الانخفاض الطفيف في المعامل المعقد إلى هيمنة تأثير درجة الحرارة على تأثير المعالجة: يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى انخفاض الصلابة. انتهى التفاعل تقريبًا بعد خطوة متساوية الحرارة لمدة 5 دقائق. يتم إجراء التبريد اللاحق للكشف عن درجة حرارة التشغيل القصوى التي تحددها درجة حرارة الانتقال الزجاجي. أثناء التبريد إلى 25 درجة مئوية، يزداد معامل القص المعقد مرة أخرى بأكثر من رتبتين من حيث الحجم بين 45 درجة مئوية و25 درجة مئوية. ويرجع ذلك إلى درجة حرارة التحول الزجاجي للراتنج المعالج.

تظهر أيضًا ملامح المعالجة بالإضافة إلى الكشف عن الانتقال الزجاجي من خلال عرض معاملات القص المرنة واللزجة وزاوية الطور (الشكل 2).

في بداية التجربة، يتغلب المكون اللزج (المنحنى البرتقالي) على المكون المرن (المنحنى الأزرق). يمكن ملاحظة هذا السلوك أيضًا من زاوية الطور (المنحنى الرمادي). وهي تصل إلى 90 درجة تقريبًا في بداية التجربة، مما يعني أن العينة لها خصائص شبيهة بالسائل فقط تقريبًا في ظل ظروف القياس هذه. ترتبط الزيادة في منحنى المعامل المرن في بداية الاختبار ببدء المعالجة. ويحدث ذلك على خطوتين، كما يتضح من خطوتي الزيادة في منحنى المكون المرن أو من الانخفاض المكون من خطوتين في منحنى زاوية الطور. بعد الخطوة الأولى، ستظل العينة تتصرف مثل المائع نظرًا لأن معامل اللزوجة له قيمة أعلى من معامل المرونة. على هذا النحو، ستظل العينة تميل إلى السريان تحت المقاييس الزمنية لتردد التذبذب المطبق. وهذا يعني، من الناحية العملية، أن الأجزاء ملتصقة ببعضها البعض، ولكن لا يزال من الممكن أن تتحرك في هذه المقاييس الزمنية.

يتم اكتشاف تقاطع المكونات المرنة واللزجة عند درجة حرارة 67 درجة مئوية. من درجة الحرارة هذه فصاعدًا، تهيمن الخواص الشبيهة بالمادة الصلبة للمادة اللاصقة على الخواص الشبيهة بالسائل.

أثناء التبريد، يحدث الانتقال الزجاجي الذي يفسر الزيادة في المعاملات المرنة واللزوجة والذروة في زاوية الطور عند 34.4 درجة مئوية.

بالنسبة لدرجات الحرارة الأقل من درجة حرارة الانتقال الزجاجي، تكون سلاسل البوليمر في حالة زجاجية غير متبلورة تجمد حركتها على طول محورها الرئيسي. إذا كانت درجة حرارة الانتقال الزجاجي للعينة المعالجة أقل من درجة حرارة المعالجة النهائية التي تبلغ 140 درجة مئوية، فإن تفاعل المعالجة يستمر طالما كانت درجة الحرارة أعلى من درجة حرارة الانتقال الزجاجي ويصل إلى أقصى كثافة شبكة ممكنة لظروف القياس هذه. وبمجرد انخفاض درجة الحرارة عن درجة حرارة الانتقال الزجاجي، يتوقف التفاعل.

التحليل الحركي لتفاعل المعالجة

يسمح برنامج Kinetics Neo بتحديد المعلمات الحركية للتفاعل الكيميائي. ومن الممكن أيضًا التنبؤ باللزوجة المعقدة من القياسات الانسيابية. يتم إجراء القياسات بمعدلات تسخين مختلفة (أو درجات حرارة متساوية الحرارة مختلفة). باستخدام تلك القياسات المختلفة، يستطيع برنامج Kinetics Neo تحديد عدد الخطوات التي تصف تفاعل المعالجة. لكل خطوة من تلك الخطوات، يحسب البرنامج أيضًا المعلمات الحركية، أي نوع التفاعل وطاقة التنشيط وترتيب التفاعل. يعرض الجدول 2 شروط قياس القياسات.

الجدول 2: شروط قياس التحليل الحركي

يوضح الشكل 3 القياسات التي أجريت بمعدلات تسخين مختلفة. ونظرًا لأن القياسات الانسيابية تشير بالفعل إلى تفاعل من خطوتين، فقد تم اختيار نموذج بخطوتين متتاليتين للتحليل الحركي.

يعرض الشكل 4 المنحنيات المقاسة والمنحنيات المحسوبة المقابلة لها بواسطة Kinetics Neo. يوضح الجدول 3 المعلمات الحركية المستخدمة في الحساب. يُظهر التداخل الضعيف بين المنحنيات المقاسة والمحسوبة في الخطوة الأولى الاختلافات في إعداد العينة. ومع ذلك، يسمح معامل الارتباط العالي الذي يزيد عن 0.99 بإجراء تقييم حركي.

الجدول 3: البارامترات الحركية المحسوبة بواسطة Kinetics Neo

محاكاة المعالجة للظروف الخاصة بالمستخدمين

استنادًا إلى معلمات الحركية المحددة، فإن Kinetics Neo قادر على حساب سلوك العينة لأي حالة زمنية/درجة حرارة. وكمثال على ذلك، يوضح الشكلان 5 و6 سلوك المعالجة للعينة عند درجات حرارة متساوية مختلفة على مدار ساعتين و30 ساعة على التوالي. كما هو متوقع، تحدث المعالجة بشكل أسرع عند درجات حرارة أعلى. يتم الوصول إلى خطوة المعالجة الأولى، التي تتوافق مع معدل تحويل يبلغ 40٪ تقريبًا، في الدقائق الأولى لجميع درجات الحرارة المعروضة. ومع ذلك، هناك حاجة إلى فترة زمنية أطول لضمان المعالجة الكاملة للمادة اللاصقة. قد يستغرق الأمر عدة أيام حسب درجة الحرارة.

مقارنة بين المنحنى الذي تمت محاكاته بواسطة Kinetics Neoوالمنحنى الذي تم قياسه بواسطة Kinexus

من أجل التحقق من صلاحية نموذج الحركية للنتائج التي تم الحصول عليها من التجارب، تم إجراء قياس جديد عند درجة حرارة 30 درجة مئوية خلال 12 ساعة. قورنت النتائج بمنحنيات لزوجة القص المعقدة المحسوبة بواسطة Kinetics Neo.

يظهر منحنى لزوجة القص المعقدة المقاسة في الشكل 7. ويرد المنحنى الذي تم الحصول عليه بواسطة Kinetics Neo عند درجة حرارة متساوية عند 30 درجة مئوية في الشكل 8 (المنحنى الأخضر). لا تظهر بداية التفاعل لأنها تحتوي على عدم اليقين بسبب تحضير العينة (خلط كلا المكونين). بين ساعتين و12 ساعة، تؤدي المعالجة إلى زيادة قدرها 1.5 عقد تقريبًا لكل من المنحنيات المقاسة والمحسوبة. وهذا يوضح الارتباط الجيد للنتائج.

الخاتمة

تم تسجيل ملف المعالجة الانسيابية لراتنج الإيبوكسي ثنائي الأجزاء بواسطة مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus. تم إجراء القياسات بمعدلات تسخين مختلفة مع استيراد النتائج إلى برنامج Kinetics Neo لتحديد حركية التفاعل. يذهب هذا البرنامج القوي إلى ما هو أبعد من ذلك، حيث يمكنه أيضًا التنبؤ بسلوك العينة في أي وقت تشغيل/ظروف درجة حرارة.

شكر وتقدير

نود أن نشكر الدكتور أدريان هيل (NETZSCH المملكة المتحدة) على المناقشات العديدة المثيرة للاهتمام.