Introducción
Las resinas epoxi son polímeros termoestables versátiles que se utilizan ampliamente en revestimientos, adhesivos estructurales y materiales compuestos reforzados con fibras. Se curan mediante reacciones de polimerización y reticulación iniciadas químicamente. El grado de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado tiene un efecto significativo en las propiedades térmicas, mecánicas y químicas del material. Por lo tanto, el control preciso de las condiciones de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado es esencial para optimizar el rendimiento, minimizar los defectos y garantizar una producción eficiente.
Análisis dieléctrico
El Análisis Dieléctrico (DEA) es un método altamente sensible para monitorizar el estado de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado en tiempo real. Esta nota de aplicación presenta el comportamiento de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado de una resina epoxi a diferentes velocidades de calentamiento utilizando NETZSCH Análisis Dieléctrico (DEA) y el software Kinetics Neo para el análisis cinético, la predicción y la optimización de procesos.
La figura 1 muestra el instrumento para el Análisis Dieléctrico (DEA), que permite realizar mediciones in situ del comportamiento de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado de diversos materiales reactivos. Múltiples sensores permiten medir con precisión la temperatura, garantizando un rendimiento y una calidad óptimos.
Condiciones de medición
Las condiciones de medición figuran en el cuadro 1.
Tabla 1: Condiciones de medición
| Instrumento | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| Material | Resina epoxi |
| velocidad de calentamiento | 1, 2 y 3 K/min |
| Sensor | Sensor Idex |
| Frecuencia | 1 kHz |
Resultados de las mediciones y debate
La figura 2 muestra la curva típica de datos experimentales a una velocidad de calentamiento de 1 K/min, obtenida utilizando los parámetros de medición de la tabla 1. Se aplicó la línea de base tangencial. La disminución inicial de la viscosidad Ionic se debe a la dependencia de la temperatura de la Viscosidad iónicaLa viscosidad iónica es el valor recíproco de la conductividad iónica, que se calcula a partir del factor de pérdida dieléctrica.viscosidad iónica durante el calentamiento. La línea de base tangencial (DEA Dynamic) depende de la temperatura y se calcula como exp(Eav/RT) asumiendo la energía de activación de Arrhenius, Eav, para la Viscosidad iónicaLa viscosidad iónica es el valor recíproco de la conductividad iónica, que se calcula a partir del factor de pérdida dieléctrica.viscosidad iónica. Sin embargo, los parámetros de la línea de base se determinan inicialmente por separado para los reactivos (izquierda) y para los productos (derecha). La línea de base final varía continuamente entre las líneas de base del reactante y del producto y, a continuación, se sustrae de los datos medidos. Como resultado, los datos para el análisis aparecen horizontales tanto antes como después de la reacción (véase la figura 3).
La figura 3 presenta los datos experimentales de log (Viscosidad iónicaLa viscosidad iónica es el valor recíproco de la conductividad iónica, que se calcula a partir del factor de pérdida dieléctrica.viscosidad iónica) para la resina epoxi curada a velocidades de calentamiento de 1, 2 y 3 K/min. La Viscosidad iónicaLa viscosidad iónica es el valor recíproco de la conductividad iónica, que se calcula a partir del factor de pérdida dieléctrica.viscosidad iónica aumenta bruscamente durante el curado, y las velocidades de calentamiento más elevadas desplazan el inicio del curado a temperaturas más altas, lo que da lugar a diferentes valores de viscosidad final debido a la dependencia de la temperatura del proceso.
Análisis cinético
Grado de conversión (Cura)
El grado de conversión, α, es calculado por el software Kinetics Neo a partir de la medición DEA, donde α oscila entre 0 y 1. Para las mediciones de calentamiento en el análisis térmico, la conversión se define aparentemente como el efecto termoanalítico en el tiempo, t, dividido por el efecto termoanalítico total en el mismo punto de tiempo. Para DEA, la definición de conversión termoanalítica es la siguiente:
ν0(t) es la línea de base dependiente de la temperatura para Log (Viscosidad iónicaLa viscosidad iónica es el valor recíproco de la conductividad iónica, que se calcula a partir del factor de pérdida dieléctrica.viscosidad iónica) del reactivo no curado
νfinal(t ) es la línea de base dependiente de la temperatura para Log (Viscosidad iónicaLa viscosidad iónica es el valor recíproco de la conductividad iónica, que se calcula a partir del factor de pérdida dieléctrica.viscosidad iónica) del material curado
ν(t) es la Viscosidad iónicaLa viscosidad iónica es el valor recíproco de la conductividad iónica, que se calcula a partir del factor de pérdida dieléctrica.viscosidad iónica actual en el momento t
La figura 4 presenta los datos de medición de DEA para la resina epoxi a velocidades de calentamiento de 1, 2 y 3 K/min. Se estableció un modelo cinético utilizando el software Kinetics Neo, con símbolos de rombo que indican los datos experimentales y líneas sólidas que representan las curvas ajustadas.
Los parámetros cinéticos de la resina epoxi se detallan en la tabla 2.
Tabla 2: Parámetros cinéticos de la resina epoxi
| Etapa de reacción | A → B |
|---|---|
| Tipo de reacción | Cn |
| Energía de activación | 81.85 |
Log (factor preexponencial [Log/ (1/s)] | 7.49 |
| Orden de reacción | 1.11 |
| Log (factor preexponencial Autocat [Log(1/s)] | 0.67 |
| Contribución | 1 |
| Coeficiente de determinación (R²) | 0.9995 |
Predicción IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica
El modelo cinético puede aplicarse ahora para predecir el proceso de curado en función del tiempo y la temperatura. La figura 5 muestra el grado de conversión previsto para el curado de una resina epoxi en diferentes condiciones isotérmicas de 50°C a 150°C, lo que ilustra el efecto de la temperatura en el proceso de curado. A temperaturas más bajas, el curado es lento, mientras que a temperaturas más altas se acelera el proceso; la conversión completa se alcanza rápidamente a 150°C en tan sólo 0,2 horas (tabla 3).
Tabla 3: Grado de curado (α) en función de la temperatura
| Temperatura (°C) | Tiempo (horas) | Grado de conversión (α) |
|---|---|---|
| 50 | 5 | 0.033 |
| 90 | 5 | 0.939 |
| 150 | 5 | 1 |
Optimización del proceso
La figura 6(a) demuestra que con un perfil de temperatura no optimizado, el proceso de curado alcanza una conversión de 0,995 en 108 minutos. Por el contrario, la figura 6(b) muestra que con un perfil de temperatura optimizado, el mismo nivel de conversión se alcanza mucho más rápidamente, en sólo 45 minutos a una tasa de conversión del 2%/min, lo que reduce el tiempo de curado en aproximadamente un 58,3%. El perfil de temperatura optimizado contiene dos segmentos de calentamiento seguidos de isotermas, lo que es típico de un proceso de curado industrial.
(b) Perfil de temperatura optimizado (línea discontinua) y grado de conversión previsto (línea continua) para el proceso de curado de una resina epoxi.
Conclusión
El Análisis Dieléctrico (DEA) con Kinetics Neo permite el seguimiento preciso y en tiempo real y el análisis cinético del curado de una resina epoxi, determinando eficazmente los parámetros cinéticos y prediciendo el grado de curado en diversas condiciones.
Los perfiles de temperatura predichos mediante simulación y calculados para mantener una tasa de conversión constante del 2%/min optimizaron el proceso de curado. Afinando estos perfiles, el tiempo total de conversión se redujo de 108 a 45 minutos, una reducción de aproximadamente el 58%.
Ventajas del análisis cinético
Optimización del proceso y ahorro de tiempo: Los perfiles de temperatura optimizados reducen el tiempo de curado y el consumo de energía.
Predicción precisa del comportamiento de curado: Proporciona previsiones fiables en diferentes condiciones y reduce el método de ensayo y error.