Въведение
Фенолформалдехидните смоли са термореактивни смоли, получени чрез поликондензация на формалдехид с фенол или заместен фенол. Те са първите разработени синтетични смоли. Най-известната фенолформалдехидна смола, известна най-вече като бакелит, получава името си от Лео Бейкеланд, който я произвежда с търговска цел.
Условия за изпитване
Втвърдяването на фенолформалдехидна смола е измерено с DSC 214 Polyma, като са използвани тигли с високо налягане. Втвърдяването на PF е реакция на поликондензация, която е свързана със загуба на вода. В отворен тигел изпаряването на водата би предизвикало ендотермичен ефект в кривата на DSC, който се наслагва върху екзотермичната реакция на втвърдяване.
Приготвени са три образеца от приблизително 20 mg всеки и са измерени при 2, 3 и 5 K/min от стайна температура до 260 °C.
Резултати от тестовете
Ендотермичната стъпка, открита в трите криви на нагряване на DSC, идва от стъклопрехода на невтвърдения полимер. Както се очакваше, тя се измества към по-високи температури с увеличаване на скоростта на нагряване (средна точка при 58°C и 61°C за измерванията при 2 K/min и 5 K/min съответно). Той се припокрива с пик на релаксация, който идва от освобождаването на механичното напрежение в образеца. Екзотермичният двоен пик между 100°C и 250°C се дължи на втвърдяването на смолата. И трите криви имат допълнително рамо при температури от 151°C (при 2 K/min) до 163°C (при 5 K/min). Реакцията на втвърдяване се припокрива с small ендотермичен пик, открит при 112°C (2 и 3 K/min) и 114°C (5 K/min), който най-вероятно идва от топенето на добавка.
Тези три криви бяха използвани за определяне на кинетиката на реакцията на втвърдяване с помощта на софтуера NETZSCH Advanced Software Thermokinetics. Поради сложната структура на пиковете се предполага, че втвърдяването е триетапна реакция. Пикът на топене също беше взет предвид за модела на кинетиката с независима, едностъпална реакция.
Резултатът е представен на фигура 2. Най-добрият модел за реакцията на втвърдяване е тристъпков, при който всяка стъпка е от типа n-ти ред с автокатализа. Допълнително се взема под внимание ефектът на топене чрез едностъпкова реакция от втори ред. С коефициент на корелация над 0,99 кривите, изчислени от кинетичния модел (плътни линии), са в добро съответствие с измерените (пунктирани линии), което потвърждава първоначалното предположение.
Сега кинетичният модел може да се използва за прогнозиране на скоростта на реакцията за определена температурна програма. Като пример, на фигура 3 са показани кривите на крайния продукт, определен чрез частичната площ като функция на времето за различни температури между 90°C и 250°C. Възможно е също така да се предскаже процентът на крайния продукт по време на всяка температурна програма, определена от потребителя, както е показано на фигура 4.
Заключение
Тигели с високо налягане бяха използвани с DSC 214 Polyma за изследване на реакцията на втвърдяване във фенолформалдехидна смола. Три измервания при различни скорости на нагряване позволяват да се определи кинетиката на реакцията с помощта на софтуера Thermokinetics. След това моделът на кинетиката може да се използва за изготвяне на прогнози по отношение на поведението на системата при определени от потребителя температурни условия, както и при условията на обработка.