Въведение
Точният анализ на свойствата на материалите е от съществено значение за оптимизиране на производителността и качеството в промишлеността и научните изследвания. Интегрирането на реометрията Kinexus с диелектричния анализ (DEA) позволява едновременна оценка на механичното и електрическото поведение в рамките на един експериментален подход. Комбинирането на тези взаимно допълващи се техники води до по-задълбочено разбиране на сложни материали, включително полимери, композитни материали и системи за втвърдяване. Този подход позволява цялостно разбиране на вискоеластичните характеристики и диелектричните реакции, като предоставя ценни данни за разработване на процеси, контрол на качеството и изследвания в областта на съвременните материали.
Принцип на измерване: Ротационна реометрия
Ротационната реометрия характеризира вискоеластичните свойства на даден материал чрез измерване на неговата реакция към приложена деформация при контролирани условия. При типичен осцилационен тест пробата се поставя между две геометрични фигури – обикновено успоредни плочи или система от конус и плоча. Едната пластина осцилира, докато другата остава неподвижна (виж фигура 1), като по този начин се упражнява срязваща сила върху пробата.
Прилага се контролирано ъглово преместване или въртящ момент, което генерира срязващо деформиране, γ(t):
Материалът реагира при измеримо напрежение на срязване:
Тукγ₀ е амплитудата на деформацията, ω е ъгловата честота, τ₀ е амплитудата на напрежението, а δ е фазовото закъснение между приложената деформация и измереното напрежение. Това фазово закъснение отразява вискоеластичните свойства на материала.
Ключовите реологични параметри включват еластичния модул на срязване (G´), вискозния модул на срязване (G´´) и комплексната вискозитет (η*). Те се извеждат от измерените реакции на напрежението и деформацията и показват структурата на материала.
Когато материалът претърпява промени (като например втвърдяване), способността му да устоява на деформация се променя. Образуването на полимерна мрежа увеличава твърдостта и променя съотношението между вискозния модул на срязване G´´ и еластичния модул на срязване G´.
Принцип на измерване: Диелектричен анализ
Диелектричният анализ (DEA) се използва за наблюдение на промените в диелектричните свойства на даден материал по време на контролирана програма за време и температура. При типичен DEA експеримент пробата се поставя между два електрода – или успоредни пластини, или сензори с преплитащи се гребени (вж. фигура 2).
Прилага се синусоидално напрежение:
Материалът реагира с електрически ток:
Примесите в материала осигуряват носители на заряд, които мигрират към електродите, докато диполните частици (като мономери или олигомери) се ориентират в електрическото поле. Това поведение води до измервания ток.
С напредването на втвърдяването се образува триизмерна полимерна мрежа, която намалява подвижността на йоните и ограничава способността на диполите да променят ориентацията си. Това ограничава движението на носителите на заряд и преместването на диполите. Ключов параметър, изведен от измерването, е йонната проводимост, σ. Тази йонна проводимост зависи от подвижността на свободните носители на заряд и от енергията, разсейвана при преориентацията на диполите. Йонната вискозитет, ρ, се дефинира като:
С напредването на втвърдяването разширяващата се полимерна мрежа намалява йонната проводимост. Това съответства на увеличаване на йонната вискозитет.
Условия за измерване
Комбинираното измерване беше проведено чрез реометрия с успоредни пластини (диаметър: 8 мм) и диелектричен анализ (DEA) на UHU Plus Endfest 300 (епоксидно лепило) при постоянна температура от 60 °C. Реометърът работеше с 1% еластично срязващо напрежение и честота от 1 Hz. Нормалната сила, модулът на срязване (G´), вискозният модул на срязване (G´´) и комплексната вискозитет при срязване (η*) бяха регистрирани като функция на времето. Измерването с DEA беше проведено едновременно, като се използваха честоти на възбуждане 100 mHz, 10 Hz, 100 Hz и 1 kHz, като се проследяваше log(вискозитет) в Ohm·cm във времето.
Резултати от измерванията
Реологичното измерване показва типичен, зависещ от времето профил на втвърдяване на епоксидното лепило при 60 °C (фигура 3). В началото вискозният модул на срязване G´´ е по-висок от еластичния модул на срязване G´, което показва течноподобно състояние при прилаганите условия на изпитване. С напредването на втвърдяването и двете величини нарастват, като G´ надвишава G´´ при 57 °C, което отразява прехода от течно към гелоподобно и накрая към твърдо състояние. Това пресичане на G´/G´´ съответства на точката на гелиране за времевата скала на използваната честота (1 Hz).
На фигура 4 е представена динамиката на комплексната вискозитет при срязване (реометър) заедно с йонната вискозитет (DEA). Увеличаването на йонната вискозитет, измерено при всички честоти, показва намаляване на диполната и йонната подвижност с нарастването на степента на омрежване. Платото показва завършването на процеса на втвърдяване. Колкото по-висока е честотата, толкова по-бързо се достига платото. При по-ниски честоти, като например 100 mHz, сигналът не достига плато до края на измерването, което предполага, че реакцията все още не е приключила. Зависимостта на сигналите от честотата отразява тяхната различна чувствителност към бързи и бавни сегментни движения.
Важен аспект на комбинирания анализ е взаимнодопълващата се чувствителност на двата метода. Докато реологичните данни предоставят надеждна информация за образуването на мрежата и механичните преходи, реометрията става по-малко информативна, след като пробата стане много твърда: механичните данни имат тенденция да достигнат плато, тъй като по-нататъшното развитие на мрежата не може да бъде установено чрез макроскопична деформация. За разлика от това, диелектричният анализ (DEA) остава силно чувствителен към протичащата молекулна динамика и промените в подвижността на йоните, дори след като пробата е станала твърде твърда за механична деформация. Това се илюстрира от DEA кривата при 100 mHz, която продължава да се променя и показва продължаваща реакция, дори когато реологичната крива е достигнала своя плато. По този начин DEA предоставя ценна допълнителна информация за по-късните етапи на втвърдяването и осигурява по-пълна картина на хода на реакцията.
Заключение
Това приложение демонстрира предимството от комбинирането на реометрия и DEA за наблюдение на втвърдяването на епоксидни смоли. Системата „ NETZSCH “ предоставя едновременно механични и диелектрични данни, което позволява на потребителите да проследяват промените както на макроскопично, така и на молекулярно ниво през целия процес. Докато реометрията се отличава в идентифицирането на механичните преходи и точката на гелиране, DEA продължава да предоставя подробна информация за напредъка на реакцията, дори след като пробата е станала твърде твърда за по-нататъшно механично изследване. В резултат на това DEA предлага уникална полза, като осигурява пълна видимост на протичащото втвърдяване, подпомага оптимизацията на процеса и гарантира висококачествени, напълно втвърдени продукти.