مقدمة
راتنجات الإيبوكسي عبارة عن بوليمرات متعددة الاستخدامات ومتعددة الاستخدامات تستخدم على نطاق واسع في الطلاءات والمواد اللاصقة الهيكلية والمواد المركبة المقواة بالألياف. يتم معالجتها من خلال تفاعلات البلمرة التي تبدأ كيميائيًا وتفاعلات التشابك. تؤثر درجة المعالجة تأثيرًا كبيرًا على الخواص الحرارية والميكانيكية والكيميائية للمادة. ولذلك، فإن التحكم الدقيق في ظروف المعالجة أمر ضروري لتحسين الأداء وتقليل العيوب وضمان كفاءة الإنتاج.
تحليل العازل الكهربائي
تحليل العزل الكهربائي (DEA) هو طريقة حساسة للغاية لمراقبة حالة المعالجة في الوقت الحقيقي. تقدم هذه المذكرة التطبيقية سلوك المعالجة لراتنج الإيبوكسي بمعدلات تسخين مختلفة باستخدام NETZSCH تحليل العزل الكهربائي (DEA) وبرنامج Kinetics Neo للتحليل الحركي والتنبؤ وتحسين العملية.
يوضح الشكل 1 أداة تحليل العزل الكهربائي (DEA)، والتي تتيح قياسات في الموقع لسلوك المعالجة لمختلف المواد التفاعلية. تسمح أجهزة الاستشعار المتعددة بقياس درجة الحرارة بدقة، مما يضمن الأداء والجودة المثلى.
شروط القياس
ترد شروط القياس في الجدول 1.
الجدول 1: شروط القياس
| الأداة | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| المادة | راتنجات الإيبوكسي |
| معدل التسخين | 1 و2 و3 كلفن/دقيقة |
| المستشعر | مستشعر Idex |
| التردد | 1 كيلوهرتز |
نتائج القياس والمناقشة
يوضح الشكل 2 منحنى البيانات التجريبي النموذجي عند معدل تسخين 1 كلفن/دقيقة، الذي تم الحصول عليه باستخدام معلمات القياس في الجدول 1. تم تطبيق خط الأساس المماسي. وينجم الانخفاض الأولي في اللزوجة Ionic عن اعتماد درجة حرارة اللزوجة الأيونية أثناء التسخين. ويعتمد خط الأساس المماسي (DEA الديناميكي) على درجة الحرارة ويُحسب على صورة exp(Eav/RT) بافتراض طاقة تنشيط أرهينيوس، Eav، للُّزوجة الأيونية. ومع ذلك، يتم تحديد معلمات خط الأساس مبدئيًا بشكل منفصل للمتفاعلات (يسار) والنواتج (يمين). يختلف خط الأساس النهائي بشكل مستمر بين خطي الأساس للمتفاعلات والنواتج ثم يتم طرحه من البيانات المقيسة. ونتيجة لذلك، تظهر بيانات التحليل أفقيًا قبل التفاعل وبعده (انظر الشكل 3).
يعرض الشكل 3 بيانات السجل التجريبي (اللزوجة الأيونية) لراتنج الإيبوكسي المعالج بمعدلات تسخين 1 و2 و3 كلفن/الدقيقة. تزداد اللزوجة الأيونية زيادة حادة أثناء المعالجة، وتؤدي معدلات التسخين الأعلى إلى تحويل بداية المعالجة إلى درجات حرارة أعلى، مما يؤدي إلى قيم لزوجة نهائية مختلفة بسبب اعتماد العملية على درجة الحرارة.
التحليل الحركي
درجة التحويل (علاج)
يتم احتساب درجة التحويل، α، بواسطة برنامج Kinetics Neo من قياس DEA، حيث تتراوح α من 0 إلى 1. بالنسبة لقياسات التسخين في التحليل الحراري، يُعرّف التحويل على ما يبدو على أنه التأثير التحليلي الحراري عند الزمن، t، مقسومًا على التأثير التحليلي الحراري الكلي في نفس النقطة الزمنية. بالنسبة للتحليل الحراري DEA، يكون تعريف التحويل الحراري التحليلي كما يلي:
ν0(t) هو خط الأساس المعتمد على درجة الحرارة للوغاريتم (اللزوجة الأيونية) للمادة المتفاعلة غير المعالجة
νfinal(t) هو خط الأساس المعتمد على درجة الحرارة للوغاريتم (اللزوجة الأيونية) للمادة المعالجة
ν(t) هو اللزوجة الأيونية الحالية عند النقطة الزمنية، t
يعرض الشكل 4 بيانات قياس DEA لراتنج الإيبوكسي عند معدلات تسخين 1 و2 و3 كلفن/الدقيقة. تم إنشاء نموذج حركي باستخدام برنامج Kinetics Neo ، مع رموز المعين التي تشير إلى البيانات التجريبية والخطوط الصلبة التي تمثل المنحنيات المجهزة.
المعلمات الحركية لراتنج الإيبوكسي مفصلة في الجدول 2.
الجدول 2: المعلمات الحركية لراتنج الإيبوكسي
| خطوة التفاعل | أ → ب |
|---|---|
| نوع التفاعل | ج ن |
| طاقة التنشيط | 81.85 |
لوغاريتم (العامل الأسي المسبق [لوغاريتم/(1/ث)] | 7.49 |
| رتبة التفاعل | 1.11 |
| لوغاريتم (لوغاريتم (لوغاريتم/(1/ث)] | 0.67 |
| المساهمة | 1 |
| معامل التحديد (R²) | 0.9995 |
تنبؤ متساوي الحرارة
يمكن الآن تطبيق النموذج الحركي للتنبؤ بعملية المعالجة كدالة للزمن ودرجة الحرارة. ويعرض الشكل 5 درجة التحويل المتوقعة لمعالجة راتنجات الإيبوكسي في ظل ظروف متساوية الحرارة مختلفة من 50 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية، مما يوضح تأثير درجة الحرارة على عملية المعالجة. في درجات الحرارة المنخفضة، تكون المعالجة بطيئة، في حين أن درجات الحرارة المرتفعة تسرع العملية؛ حيث يتحقق التحويل الكامل بسرعة عند 150 درجة مئوية في غضون 0.2 ساعة فقط (الجدول 3).
الجدول 3: درجة المعالجة (α) مقابل درجة الحرارة
| درجة الحرارة (درجة مئوية) | الوقت (ساعات) | درجة التحويل (α) |
|---|---|---|
| 50 | 5 | 0.033 |
| 90 | 5 | 0.939 |
| 150 | 5 | 1 |
تحسين العملية
ويوضح الشكل 6 (أ) أنه في ظل شكل درجة حرارة غير محسّن، تصل عملية المعالجة إلى تحويل 0.995 خلال 108 دقيقة. في المقابل، يوضح الشكل 6 (ب) أنه مع ملف درجة الحرارة الأمثل، يتم تحقيق نفس مستوى التحويل بشكل أسرع بكثير، في غضون 45 دقيقة فقط بمعدل تحويل 2%/دقيقة، مما يقلل من وقت المعالجة بنسبة 58.3% تقريبًا. يحتوي المظهر الجانبي الأمثل لدرجة الحرارة على جزأين للتسخين متبوعين بمتساوي الحرارة، وهو أمر نموذجي لعملية المعالجة الصناعية.
(ب) المظهر الجانبي الأمثل لدرجة الحرارة (خط متقطع) ودرجة التحويل المتوقعة (خط متصل) لعملية معالجة راتنجات الإيبوكسي.
الخاتمة
يتيح تحليل العزل الكهربائي (DEA) مع Kinetics Neo المراقبة الدقيقة في الوقت الحقيقي والتحليل الحركي لمعالجة راتنجات الإيبوكسي، وتحديد المعلمات الحركية بفعالية والتنبؤ بدرجة المعالجة في ظل ظروف مختلفة.
تم التنبؤ بملامح درجة الحرارة من خلال المحاكاة وحسابها للحفاظ على معدل تحويل ثابت بنسبة 2%/دقيقة لتحسين عملية المعالجة. من خلال تنقيح هذه الملامح، تم تقليل إجمالي وقت التحويل من 108 إلى 45 دقيقة، وهو ما يمثل انخفاضًا بنسبة 58% تقريبًا.
فوائد التحليل الحركي
تحسين العملية وتوفير الوقت: ملفات تعريف درجة الحرارة المحسّنة تقلل من وقت المعالجة وتقلل من استهلاك الطاقة.
التنبؤ الدقيق لسلوك المعالجة: يوفر توقعات موثوقة في ظل ظروف مختلفة، ويقلل من نهج التجربة والخطأ.