Εισαγωγή
Η ακριβής ανάλυση των ιδιοτήτων των υλικών είναι απαραίτητη για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης και της ποιότητας σε βιομηχανικά και ερευνητικά περιβάλλοντα. Η ενσωμάτωση της ρεομετρίας Kinexus σε συνδυασμό με τη Διηλεκτρική Ανάλυση (DEA) επιτρέπει την ταυτόχρονη αξιολόγηση της μηχανικής και της ηλεκτρικής συμπεριφοράς εντός ενός ενιαίου πειραματικού πλαισίου. Ο συνδυασμός αυτών των συμπληρωματικών τεχνικών οδηγεί σε βαθύτερη κατανόηση σύνθετων υλικών, όπως πολυμερών, σύνθετων υλικών και συστημάτων σκλήρυνσης. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει την ολοκληρωμένη κατανόηση των ιξωδοελαστικών χαρακτηριστικών και των διηλεκτρικών αποκρίσεων, παρέχοντας πολύτιμα δεδομένα για την ανάπτυξη διεργασιών, τον έλεγχο ποιότητας και την έρευνα σε προηγμένα υλικά.
Αρχή μέτρησης: Ροτομετρική ρεομετρία
Η περιστροφική ρεομετρία χαρακτηρίζει τις ιξωδοελαστικές ιδιότητες ενός υλικού μετρώντας την απόκρισή του σε μια εφαρμοζόμενη παραμόρφωση υπό ελεγχόμενες συνθήκες. Σε μια τυπική δοκιμή ταλάντωσης, το δείγμα τοποθετείται μεταξύ δύο γεωμετριών – συνήθως παράλληλων πλακών ή μιας διάταξης κώνου και πλάκας. Η μία πλάκα ταλαντώνεται, ενώ η άλλη παραμένει ακίνητη (βλ. Εικόνα 1), ασκώντας δύναμη διάτμησης στο δείγμα.
Εφαρμόζεται ελεγχόμενη γωνιακή μετατόπιση ή ροπή, η οποία προκαλεί διατμητική παραμόρφωση, γ(t):
Τα υλικά που παρουσιάζουν μετρήσιμη διατμητική τάση:
Εδώ,το γ₀ είναι το πλάτος της παραμόρφωσης, το ω είναι η γωνιακή συχνότητα, το τ₀ είναι το πλάτος της τάσης και το δ είναι η φάση καθυστέρησης μεταξύ της εφαρμοζόμενης παραμόρφωσης και της μετρούμενης τάσης. Αυτή η φάση καθυστέρησης αντανακλά τις ιξωδοελαστικές ιδιότητες του υλικού.
Οι βασικές ρεολογικές παράμετροι περιλαμβάνουν το ελαστικό μέτρο διάτμησης (G´), το ιξώδες μέτρο διάτμησης (G´´) και το σύνθετο ιξώδες (η*). Αυτές προκύπτουν από τις μετρημένες αποκρίσεις τάσης και παραμόρφωσης και υποδεικνύουν τη δομή του υλικού.
Καθώς το υλικό υφίσταται αλλαγές (όπως η σκλήρυνση), η ικανότητά του να αντιστέκεται στην παραμόρφωση εξελίσσεται. Ο σχηματισμός ενός πολυμερούς δικτύου αυξάνει την ακαμψία και τροποποιεί τη σχέση μεταξύ του ιξώδους συντελεστή διάτμησης, G´´, και του ελαστικού συντελεστή διάτμησης, G´.
Αρχή μέτρησης: Διηλεκτρική ανάλυση
Η διηλεκτρική ανάλυση (DEA) χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των μεταβολών στις διηλεκτρικές ιδιότητες ενός υλικού κατά τη διάρκεια ενός ελεγχόμενου προγράμματος χρόνου/θερμοκρασίας. Σε ένα τυπικό πείραμα DEA, το δείγμα τοποθετείται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων – είτε παράλληλων πλακών είτε αισθητήρων τύπου «χτένας» (βλ. Εικόνα 2).
Εφαρμόζεται ημιτονοειδής τάση:
Το υλικό αντιδρά με ηλεκτρικό ρεύμα:
Οι ακαθαρσίες που περιέχονται στο υλικό παρέχουν φορείς φορτίου οι οποίοι μετακινούνται προς τα ηλεκτρόδια, ενώ τα διπολικά είδη (όπως τα μονομερή ή τα ολιγομερή) προσανατολίζονται στο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτή η συμπεριφορά έχει ως αποτέλεσμα το ρεύμα που μετράται.
Καθώς προχωρά η σκλήρυνση, σχηματίζεται ένα τρισδιάστατο πολυμερές δίκτυο, το οποίο μειώνει την κινητικότητα των ιόντων και περιορίζει την ικανότητα των διπόλων να επαναπροσανατολίζονται. Αυτό περιορίζει την κίνηση των φορέων φορτίου και τη μετατόπιση των διπόλων. Μια βασική παράμετρος που προκύπτει από τη μέτρηση είναι η ιοντική αγωγιμότητα, σ. Αυτή η ιοντική αγωγιμότητα εξαρτάται από την κινητικότητα των ελεύθερων φορέων φορτίου και από την ενέργεια που διαχέεται μέσω του επαναπροσανατολισμού των διπόλων. Το ιοντικό ιξώδες, ρ, ορίζεται ως:
Καθώς προχωρά η σκλήρυνση, το δίκτυο πολυμερών που διαστέλλεται μειώνει την αγωγιμότητα των ιόντων. Αυτό αντιστοιχεί σε αύξηση του ιωνικού ιξώδους.
Συνθήκες μέτρησης
Η συνδυασμένη μέτρηση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ρεομετρίας παράλληλων πλακών (διάμετρος: 8 mm) και διηλεκτρικής ανάλυσης (DEA) στο UHU Plus Endfest 300 (εποξειδική κόλλα) σε σταθερή θερμοκρασία 60 °C. Το ρεόμετρο λειτουργούσε με ελαστική διατμητική παραμόρφωση 1% και συχνότητα 1 Hz. Η κάθετη δύναμη, ο συντελεστής διατμητικής ελαστικότητας (G´), ο συντελεστής ιξώδους διατμήσεως (G´´) και το σύνθετο ιξώδες διατμήσεως (η*) καταγράφηκαν ως συνάρτηση του χρόνου. Η μέτρηση DEA πραγματοποιήθηκε ταυτόχρονα, χρησιμοποιώντας συχνότητες διέγερσης 100 mHz, 10 Hz, 100 Hz και 1 kHz, παρακολουθώντας το log(ιξώδες) σε Ohm·cm ως συνάρτηση του χρόνου.
Αποτελέσματα μετρήσεων
Η ρεολογική μέτρηση παρουσιάζει ένα τυπικό προφίλ σκλήρυνσης της εποξειδικής κόλλας που εξαρτάται από το χρόνο, στους 60 °C (Σχήμα 3). Αρχικά, ο ιξώδης συντελεστής διάτμησης, G´´, είναι υψηλότερος από τον ελαστικό συντελεστή διάτμησης, G´, υποδηλώνοντας μια κατάσταση παρόμοια με αυτή του υγρού για τις εφαρμοζόμενες συνθήκες δοκιμής. Καθώς προχωρά η σκλήρυνση, και τα δύο σήματα αυξάνονται, με το G´ να ξεπερνά το G´´ στους 57 °C, αντανακλώντας τη μετάβαση από υγρή σε πηκτοειδή και, τελικά, σε στερεή δομή. Αυτή η διασταύρωση G´/G´´ αντιστοιχεί στο σημείο πηκτοποίησης για την κλίμακα χρόνου της εφαρμοζόμενης συχνότητας (1 Hz).
Το Σχήμα 4 παρουσιάζει την εξέλιξη του σύνθετου ιξώδους διάτμησης (ρεόμετρο) σε συνδυασμό με το ιόντικό ιξώδες (DEA). Η αύξηση του ιόντικού ιξώδους που μετρήθηκε για όλες τις συχνότητες υποδηλώνει μείωση της διπολικής και της ιοντικής κινητικότητας καθώς αυξάνεται ο βαθμός διασταύρωσης. Το πλατό υποδηλώνει την ολοκλήρωση της διαδικασίας σκλήρυνσης. Όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο ταχύτερα επιτυγχάνεται η σταθεροποίηση. Σε χαμηλότερες συχνότητες, όπως τα 100 mHz, το σήμα δεν φτάνει σε σταθεροποίηση μέχρι το τέλος της μέτρησης, γεγονός που υποδηλώνει ότι η αντίδραση δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί. Η εξάρτηση των σημάτων από τη συχνότητα αντανακλά τη διαφορετική ευαισθησία τους στις γρήγορες και στις αργές τμηματικές κινήσεις.
Μια σημαντική πτυχή της συνδυασμένης ανάλυσης είναι η συμπληρωματική ευαισθησία των δύο μεθόδων. Ενώ τα ρεολογικά δεδομένα παρέχουν αξιόπιστες πληροφορίες σχετικά με τον σχηματισμό δικτύου και τις μηχανικές μεταβάσεις, η ρεομετρία γίνεται λιγότερο ενημερωτική όταν το δείγμα γίνει πολύ άκαμπτο: τα μηχανικά δεδομένα τείνουν να σταθεροποιούνται, καθώς η περαιτέρω ανάπτυξη του δικτύου δεν μπορεί να ανιχνευθεί μέσω της μακροσκοπικής παραμόρφωσης. Αντίθετα, η διηλεκτρική ανάλυση (DEA) παραμένει εξαιρετικά ευαίσθητη στη συνεχιζόμενη μοριακή δυναμική και στις μεταβολές της κινητικότητας των ιόντων, ακόμη και αφού το δείγμα έχει γίνει υπερβολικά άκαμπτο για μηχανική παραμόρφωση. Αυτό απεικονίζεται από την καμπύλη DEA των 100 mHz, η οποία συνεχίζει να εξελίσσεται και να υποδεικνύει συνεχιζόμενη αντίδραση, ακόμη και όταν η ρεολογική καμπύλη έχει φτάσει στο πλατό της. Έτσι, η DEA παρέχει πολύτιμες πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τα μεταγενέστερα στάδια της σκλήρυνσης και εξασφαλίζει μια πληρέστερη εικόνα της προόδου της αντίδρασης.
Συμπέρασμα
Η παρούσα εφαρμογή καταδεικνύει το πλεονέκτημα του συνδυασμού ρεομετρίας και DEA για την παρακολούθηση της σκλήρυνσης εποξειδικών υλικών. Το σύστημα « NETZSCH » παρέχει ταυτόχρονα μηχανικά και διηλεκτρικά δεδομένα, επιτρέποντας στους χρήστες να παρακολουθούν τις αλλαγές τόσο σε μακροσκοπικό όσο και σε μοριακό επίπεδο καθ’ όλη τη διάρκεια της διαδικασίας. Ενώ η ρεομετρία υπερέχει στον εντοπισμό μηχανικών μεταβάσεων και του σημείου πηκτωματοποίησης, η DEA συνεχίζει να παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με την πρόοδο της αντίδρασης, ακόμη και αφού το δείγμα έχει γίνει πολύ σκληρό για περαιτέρω μηχανική ανάλυση. Ως αποτέλεσμα, η DEA προσφέρει μοναδική αξία, εξασφαλίζοντας πλήρη ορατότητα της εν εξελίξει σκλήρυνσης, υποστηρίζοντας τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας και διασφαλίζοντας προϊόντα υψηλής ποιότητας που έχουν σκληρυνθεί πλήρως.