التحقيق في فصل الطور في المواد اللاصقة المقواة بالمطاط الصناعي باستخدام DMA

توجد مجموعة واسعة من المواد اللاصقة في السوق اليوم، بما في ذلك الإيبوكسيات والسيليكونات والبولي يوريثان والسيانو أكريلات واللاهوائيات وما إلى ذلك، مع تطبيقات في صناعات السيارات والبناء والطائرات والأجهزة الإلكترونية والطبية بالإضافة إلى التطبيقات الجراحية والمنزلية للأغراض العامة. يتطلب استخدام المواد اللاصقة في التطبيقات الحاملة مقاومة لبدء التشقق والنمو، أي المتانة. العديد من البوليمرات المستخدمة في المواد اللاصقة هي مواد هشة نسبيًا. لتحسين صلابتها، يتم دمج مواد حشو أو عوامل تقوية مختلفة في تركيبات المواد اللاصقة.

يحدث فصل الطور أثناء عملية تحويل المونومر إلى بوليمر، أي البلمرة أو المعالجة للمادة اللاصقة المقواة. ويُعد فهم سلوك فصل الطور في ظل ظروف المعالجة المختلفة وتطور التشكل خطوات مهمة نحو تحديد آلية فصل الطور. يعد التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) تقنية متعددة الاستخدامات لتوصيف مختلف خلطات البوليمر، وبالتالي المواد اللاصقة المقواة. تتوفر أوضاع اختبار مختلفة اعتمادًا على التطبيق أو مادة العينة.

يلخص هذا المقال الافتتاحي تطبيق NETZSCH DMA 242 E Artemis في التحقيق في الخواص الحرارية وفصل الطور في الأغشية السائبة من مادة إيثيل سيانوأكريليت الإيثيل المقوى بالإيلاستومر المقوى بالمادة اللاصقة، والذي نُشر بالتفصيل في المجلة الدولية للالتصاق والمواد اللاصقة في عام 2020 [1]. تمت معالجة الأغشية السائبة في درجة حرارة الغرفة، مع بادئات مخلوطة مسبقًا وبدونها، بين ركائز البولي (الإيثيلين) (PE) وفي قالب بولي (رباعي فلورو الإيثيلين) (PTFE).

تشديد المواد اللاصقة سيانوأكريليت (CA)

الشكل 1: صورة مجهرية لانعكاس الطور في لاصق الأليل سيانوأكريليت المقوى بالإلاستومر

تُعد المواد اللاصقة Cyanoacrylate (CA) فريدة من نوعها بين العديد من فئات المواد اللاصقة نظرًا لسرعة معالجتها السريعة في درجة حرارة الغرفة وقوتها العالية في الروابط المحصورة. لذلك، فإن تقوية هذه الأنظمة اللاصقة ستكون ميزة كبيرة.

يمكن قياس التحولات في البوليمرات من خلال مراقبة التغير في معامل التخزين أو معامل الفقد أو عامل الفقد أثناء فحص درجة حرارة DMA. تعتمد هذه التغيرات على سلوك استرخاء سلاسل البوليمر. إحدى أهم التحولات في البوليمرات هي درجة حرارة الانتقال الزجاجي (_Tg)، والتي يُشار إليها بالانخفاض الحاد في إشارة معامل التخزين. عند درجة الحرارة هذه، تُظهر إشارات معامل الفقد ومعامل الفقد ذروة. تم اختيار درجة الحرارة التي تحدث عندها قيمة الذروة لإشارة عامل الفقد (tan δ) كدرجة حرارة الانتقال الزجاجي.

في حين أنه يمكن استخدام المواد أعلى وأسفل وداخل منطقة الانتقال الزجاجي، تميل المواد اللاصقة إلى استخدامها تحتها لأن الصلابة تنخفض، مما يعني أن الوصلة اللاصقة لن تكون وظيفية.

سوف ينفصل خليط سيانوأكريليت الإيثيل سيانوأكريليت والإيلاستومر في الطور عند معالجة مونومر سيانوأكريليت. تؤدي الزيادة في الوزن الجزيئي لسيانوأكريليت السيانوأكريليت إلى فصل الطور. في حالة حدوث فصل طوري كامل للإيلاستومر يجب أن تظهر درجتا حرارة انتقال زجاجي في منحنى DMA، أي _درجة حرارة الانتقال الطوري للإيلاستومر المنفصل الطوري ودرجة حرارة الانتقال _الطوري لبوليمر سيانوأكريليت.

تم تحديد ثلاث مناطق في منحنيات DMA كما هو موضح في الشكل 2، أي عند درجة حرارة منخفضة بين -55 درجة مئوية وصفر درجة مئوية، وكتف بين 50 درجة مئوية و110 درجة مئوية، ومنطقة أخرى بين 110 درجة مئوية و160 درجة مئوية.

إن وجود التغير في معامل التخزين ومعامل الفقد بين -55 درجة مئوية و0 درجة مئوية، والذي يتطابق مع منطقة الانتقال الزجاجي للإلاستومر (مسح DMA منفصل للإلاستومر المستخدم كعامل ^تقوية1)، يؤكد أن الإيلاستومر انفصل طوريًا أثناء البلمرة. تُظهر كثافة ذروة tan δ كمية الإيلاستومر المنفصل طوريًا. المنطقة الواقعة بين 110 درجة مئوية و160 درجة مئوية هي منطقة _Tg للبولي CA.

الشكل 2: منحنيات DMA لمعامل التخزين وعامل الفقد (tan δ) مقابل درجة الحرارة التي تم الحصول عليها للأغشية اللاصقة المعالجة في قالب PTFE في درجة حرارة الغرفة (بدون استخدام البادئات). كانت ظروف الاختبار كما يلي: -95 درجة مئوية ... 165 درجة مئوية؛ عامل التبريد: نيتروجين سائل؛ معدلات التسخين/التبريد: 2.0 كلفن/دقيقة؛ السعة: ±20 ميكرومتر؛ مسح التردد: 1 هرتز؛ العامل التناسبي: 1.1؛ حامل العينة: الشد؛ حجم العينة: العرض 3.25 مم، الطول ≈ 10 مم؛ السماكة: 240 ميكرومتر (العينة 1)، 200 ميكرومتر (العينة 2).

يتسم الكتف بين 50 درجة مئوية و110 درجة مئوية بنفس الكثافة تقريبًا لكلا العينتين. ويُعتقد أن هذه المنطقة عبارة عن خليط من مونومر السيانوأكريليت والإيلاستومر. يتوقف الفصل الطوري للإلاستومر في الوقت الذي تبدأ فيه اللزوجة في الارتفاع بسرعة. وبالتالي، عند درجة حرارة الهلام، أي عند انتقال المادة من المرحلة السائلة إلى المرحلة الصلبة، يتوقف فصل الطور ويثبت المورفولوجيا في مكانها. ولتحديد أصل المنطقة الواقعة بين 50 درجة مئوية و110 درجات مئوية، تم تسخين عينة من الفيلم السائب إلى 110 درجة مئوية، والتي تعتبر الحد الأعلى للمنطقة، ثم أعقبها تسخين ثانٍ بعد درجة حرارة _Tg للبولي CA. بعد خطوة التسخين^{الثانية،} استقر منحنى tan δ المقابل لمنطقة 50 درجة مئوية و110 درجة مئوية، ولوحظت زيادة في قمة تان δ المرنة مع زيادة في معامل التخزين. تشير هذه النتيجة إلى أنه للحصول على فصل طور كامل من المطاط الصناعي يمكن تطبيق المعالجة الحرارية التي تتكون من خطوة واحدة للتسخين إلى 110 درجة مئوية.

تم الحصول على نتائج مماثلة للأغشية السائبة المعالجة باستخدام البادئات. ومع ذلك، أثر استخدام البادئات على سلوك الفصل المرحلي لللدائن.

„يعد DMA تقنية رائعة للتحقق من فصل الطور في المواد اللاصقة المقواة أو خلطات البوليمر. بالإضافة إلى تحديد التحولات الحرارية، يوفر DMA ميزة مراقبة التباين في الخواص الميكانيكية مع درجة الحرارة، كل ذلك في مسح واحد.“
Tatiana Stefanov
دكتوراه في الهندسة الميكانيكية وهندسة المواد

المصدر

[1] Tatiana Ștefanov، Bernard Ryan، Alojz Ivanković، Neal Murphy. (2020). التحليل الميكانيكي الديناميكي للأغشية السائبة المملوءة بأسود الكربون والمملوءة بالمطاط الصناعي المقوى بالإيثيل سيانوأكريليت. المجلة الدولية للالتصاق والمواد اللاصقة، 101:102630. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2020.102630.