Indledning
En nøjagtig analyse af materialegenskaber er afgørende for at optimere ydeevne og kvalitet i både industrielle og forskningsmæssige sammenhænge. Integrationen af Kinexus-reometri med dielektrisk analyse (DEA) muliggør en samtidig vurdering af den mekaniske og elektriske adfærd inden for ét og samme eksperimentelle rammeværk. Kombinationen af disse komplementære teknikker giver en dybere indsigt i komplekse materialer, herunder polymerer, kompositter og hærdningssystemer. Denne tilgang muliggør en omfattende forståelse af de viskoelastiske egenskaber og dielektriske responser og leverer værdifulde data til procesudvikling, kvalitetskontrol og avanceret materialeforskning.
Måleprincip: Rotationsreometri
Rotationsreometri karakteriserer et materiales viskoelastiske egenskaber ved at måle dets reaktion på en påført deformation under kontrollerede forhold. I en typisk svingningstest placeres prøven mellem to geometriske former – typisk parallelle plader eller en kjegle-og-plade-opsætning. Den ene plade svinger, mens den anden forbliver stationær (se figur 1), hvilket påfører prøven en forskydningskraft.
Der påføres en kontrolleret vinkelforskydning eller et drejningsmoment, hvilket genererer en forskydningsdeformation, γ(t):
Materialer, der reagerer på en målbar forskydningsspænding:
Her erγ₀ deformationsamplituden, ω vinkelfrekvensen, τ₀ spændingsamplituden, og δ er faseforsinkelsen mellem den påførte deformation og den målte spænding. Denne faseforsinkelse afspejler materialets viskoelastiske egenskaber.
Vigtige reologiske parametre omfatter det elastiske forskydningsmodul (G´), det viskose forskydningsmodul (G´´) og den komplekse viskositet (η*). Disse udledes af de målte spændings- og deformationsresponser og angiver materialets struktur.
Når materialet gennemgår forandringer (f.eks. Hærdning (tværbindingsreaktioner)Bogstaveligt oversat betyder udtrykket "crosslinking" "krydsnetværk". I kemisk sammenhæng bruges det om reaktioner, hvor molekyler knyttes sammen ved at indføre kovalente bindinger og danne tredimensionelle netværk.hærdning), ændrer dets evne til at modstå deformation sig. Dannelsen af et polymernetværk øger stivheden og ændrer forholdet mellem det viskose forskydningsmodul, G´´, og det elastiske forskydningsmodul, G´.
Måleprincip: Dielektrisk analyse
Dielektrisk analyse (DEA) anvendes til at overvåge ændringer i et materiales dielektriske egenskaber under et kontrolleret tids- og temperaturforløb. I et typisk DEA-eksperiment placeres prøven mellem to elektroder – enten parallelle plader eller interdigiterede kam-sensorer (se figur 2).
Der tilføres en sinusformet spænding:
Materialet reagerer med en elektrisk strøm:
Urenheder i materialet udgør ladningsbærere, der bevæger sig mod elektroderne, mens dipolære partikler (såsom monomerer eller oligomerer) orienterer sig i det elektriske felt. Denne adfærd resulterer i den målte strøm.
Efterhånden som hærdningen skrider frem, dannes der et tredimensionelt polymernetværk, hvilket reducerer ionmobiliteten og begrænser dipolernes evne til at omorientere sig. Dette begrænser ladningsbærernes bevægelse og dipolernes forskydning. En nøgleparameter, der udledes af målingen, er ionledningsevnen, σ. Denne ionledningsevne afhænger af de frie ladningsbæreres mobilitet og af den energi, der spredes gennem dipolernes reorientering. Ionviskositeten, ρ, defineres som:
Efterhånden som hærdningen skrider frem, nedsætter det ekspanderende polymernettet ionledningsevnen. Dette svarer til en stigning i ionviskositeten.
Målebetingelser
Den kombinerede måling blev udført ved hjælp af parallelplade-reometri (diameter: 8 mm) og dielektrisk analyse (DEA) på UHU Plus Endfest 300 (epoksylim) ved en konstant temperatur på 60 °C. Reometeret kørte med en elastisk forskydningsdeformation på 1 % og en frekvens på 1 Hz. Normalstyrken, forskydningsmodulet (G´), det viskose forskydningsmodul (G´´) og den komplekse forskydningsviskositet (η*) blev registreret som en funktion af tiden. DEA-målingen blev udført samtidigt ved hjælp af excitationsfrekvenserne 100 mHz, 10 Hz, 100 Hz og 1 kHz, hvor log(viskositet) i Ohm·cm blev registreret over tid.
Måleresultater
Den reologiske måling viser et typisk tidsafhængigt hærdningsforløb for epoxyklæbemidlet ved 60 °C (figur 3). I starten er det viskose forskydningsmodul, G´´, højere end det elastiske forskydningsmodul, G´, hvilket indikerer en væskeagtig tilstand under de anvendte testbetingelser. Efterhånden som hærdningen skrider frem, stiger begge signaler, og G´ overstiger G´´ ved 57 °C, hvilket afspejler overgangen fra en flydende til en gelagtig og til sidst til en fast struktur. Dette KrydsningspunktI reologiske tests som f.eks. en frekvenssweep eller en tids-/temperatursweep er cross over-punktet et praktisk referencepunkt til at angive et "overgangspunkt" for prøven.krydsningspunkt mellem G´ og G´´ svarer til gelpunktet for den anvendte frekvens (1 Hz).
Figur 4 viser udviklingen i den komplekse forskydningsviskositet (reometer) sammen med ionviskositeten (DEA). Stigningen i ionviskositeten, der er målt ved alle frekvenser, tyder på et fald i dipol- og ionmobiliteten i takt med, at tværbindingen øges. Plateauet indikerer, at hærdningsprocessen er afsluttet. Jo højere frekvensen er, desto hurtigere nås plateauet. Ved lavere frekvenser, såsom 100 mHz, når signalet ikke et plateau ved målingens afslutning, hvilket tyder på, at reaktionen endnu ikke er afsluttet. Signalernes frekvensafhængighed afspejler deres forskellige følsomhed over for hurtige og langsomme segmentbevægelser.
Et vigtigt aspekt ved den kombinerede analyse er de to metoders komplementære følsomhed. Mens reologiske data giver pålidelige oplysninger om netværksdannelse og mekaniske overgange, bliver reometri mindre informativ, når prøven er blevet meget stiv: de mekaniske data har tendens til at flade ud, da yderligere netværksudvikling ikke kan afspejles gennem makroskopisk deformation. Derimod forbliver dielektrisk analyse (DEA) yderst følsom over for den igangværende molekylære dynamik og ændringer i ionmobiliteten, selv efter at prøven er blevet for stiv til mekanisk deformation. Dette illustreres af 100-mHz DEA-kurven, som fortsætter med at udvikle sig og indikerer en igangværende reaktion, selv når den reologiske kurve har nået sit plateau. DEA giver således værdifuld yderligere indsigt i de senere stadier af hærdningen og sikrer et mere fuldstændigt billede af reaktionsforløbet.
Konklusion
Denne anvendelse viser fordelene ved at kombinere reometri og DEA til overvågning af hærdningen af epoxy. Systemet » NETZSCH « leverer samtidigt mekaniske og dielektriske data, hvilket giver brugerne mulighed for at følge ændringer på både makroskopisk og molekylært niveau gennem hele processen. Mens reometri er særdeles velegnet til at identificere mekaniske overgange og gelpunktet, leverer DEA fortsat detaljerede oplysninger om reaktionens forløb, selv efter at prøven er blevet for stiv til yderligere mekanisk undersøgelse. Dermed tilbyder DEA en unik værdi ved at sikre fuld indsigt i den igangværende Hærdning (tværbindingsreaktioner)Bogstaveligt oversat betyder udtrykket "crosslinking" "krydsnetværk". I kemisk sammenhæng bruges det om reaktioner, hvor molekyler knyttes sammen ved at indføre kovalente bindinger og danne tredimensionelle netværk.hærdning, understøtte procesoptimering og sikre fuldt hærdede produkter af høj kvalitet.