Εισαγωγή
Οι ρητίνες φορμαλδεΰδης φαινόλης είναι θερμοσκληρυνόμενα υλικά που λαμβάνονται με την πολυσυμπύκνωση φορμαλδεΰδης με φαινόλη ή υποκατεστημένη φαινόλη. Είναι οι πρώτες συνθετικές ρητίνες που αναπτύχθηκαν. Η πιο διάσημη ρητίνη φορμαλδεΰδης φαινόλης, γνωστή ως βακελίτης, πήρε το όνομά της από τον Leo Baekeland που την παρήγαγε εμπορικά.
Συνθήκες δοκιμής
Η σκλήρυνση μιας ρητίνης φαινόλης φορμαλδεΰδης μετρήθηκε με το DSC 214 Polyma χρησιμοποιώντας χωνευτήρια υψηλής πίεσης. Η σκλήρυνση της PF είναι μια αντίδραση πολυσυμπύκνωσης που συνδέεται με απώλεια νερού. Σε ένα ανοικτό χωνευτήρι, η εξάτμιση του νερού θα προκαλούσε ένα ενδόθερμο φαινόμενο στην καμπύλη DSC, το οποίο επικαλύπτει την εξώθερμη αντίδραση σκλήρυνσης.
Παρασκευάστηκαν τρία δείγματα των 20 mg περίπου το καθένα και μετρήθηκαν σε 2, 3 και 5 K/min από τη θερμοκρασία δωματίου έως τους 260°C.
Αποτελέσματα δοκιμών
Το ενδόθερμο βήμα που ανιχνεύεται στις τρεις καμπύλες θέρμανσης DSC προέρχεται από την υαλώδη μετάβαση του μη σκληρυμένου πολυμερούς. Όπως αναμενόταν, μετατοπίζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες καθώς αυξάνονται οι ρυθμοί θέρμανσης (μέσο σημείο στους 58°C και 61°C για τις μετρήσεις σε 2 K/min και 5 K/min, αντίστοιχα). Επικαλύπτεται με μια κορυφή χαλάρωσης που προέρχεται από την απελευθέρωση της μηχανικής τάσης στο εσωτερικό του δείγματος. Η εξώθερμη διπλή κορυφή μεταξύ 100°C και 250°C οφείλεται στη σκλήρυνση της ρητίνης. Και οι τρεις καμπύλες έχουν επιπλέον έναν ώμο σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 151°C (σε 2 K/min) έως 163°C (σε 5 K/min). Η αντίδραση σκλήρυνσης επικαλύπτεται από μια ενδόθερμη κορυφή small που ανιχνεύεται στους 112°C (2 και 3 K/min) και στους 114°C (5 K/min), η οποία πιθανότατα προέρχεται από την τήξη ενός πρόσθετου.
Οι τρεις αυτές καμπύλες χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό της κινητικής της αντίδρασης σκλήρυνσης μέσω του λογισμικού NETZSCH Advanced Software Thermokinetics. Λόγω της πολύπλοκης δομής των κορυφών, υποτίθεται ότι η σκλήρυνση είναι μια αντίδραση τριών σταδίων. Η κορυφή τήξης λήφθηκε επίσης υπόψη για το μοντέλο κινητικής με ανεξάρτητη αντίδραση ενός σταδίου.
Το αποτέλεσμα δίνεται στο σχήμα 2. Το καλύτερο μοντέλο για την αντίδραση σκλήρυνσης είναι ένα μοντέλο τριών βημάτων στο οποίο κάθε βήμα είναι τύπου n-οστής τάξης με αυτοκατάλυση. Επιπροσθέτως, η επίδραση τήξης λαμβάνεται υπόψη μέσω μιας αντίδρασης ενός βήματος δεύτερης τάξης. Με συντελεστή συσχέτισης πάνω από 0,99, οι καμπύλες που υπολογίζονται από το μοντέλο κινητικής (συνεχείς γραμμές) βρίσκονται σε καλή συμφωνία με τις μετρούμενες (διακεκομμένες γραμμές), γεγονός που επιβεβαιώνει την αρχική υπόθεση.
Το κινητικό μοντέλο μπορεί τώρα να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη του ρυθμού της αντίδρασης για ένα συγκεκριμένο πρόγραμμα θερμοκρασίας. Ως παράδειγμα, στο σχήμα 3 παρουσιάζονται οι καμπύλες του τελικού προϊόντος που προσδιορίζονται από τη μερική επιφάνεια ως συνάρτηση του χρόνου για διάφορες θερμοκρασίες μεταξύ 90°C και 250°C. Είναι επίσης δυνατή η πρόβλεψη του ποσοστού του τελικού προϊόντος κατά τη διάρκεια οποιουδήποτε προγράμματος θερμοκρασίας που ορίζει ο χρήστης, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.
Συμπέρασμα
Τα χωνευτήρια υψηλής πίεσης χρησιμοποιήθηκαν με το DSC 214 Polyma για τη διερεύνηση της αντίδρασης σκλήρυνσης σε ρητίνη φαινόλης φορμαλδεΰδης. Τρεις μετρήσεις με διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης επιτρέπουν τον προσδιορισμό της κινητικής της αντίδρασης μέσω του λογισμικού Thermokinetics. Το μοντέλο κινητικής μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την πραγματοποίηση προβλέψεων όσον αφορά τη συμπεριφορά του συστήματος σε συνθήκες θερμοκρασίας που καθορίζονται από τον χρήστη, όπως οι συνθήκες επεξεργασίας.