Bevezetés
Az anyagjellemzők pontos elemzése elengedhetetlen a teljesítmény és a minőség optimalizálásához ipari és kutatási környezetben egyaránt. A Kinexus reometria és a dielektromos elemzés (DEA) integrálása lehetővé teszi a mechanikai és elektromos viselkedés egyidejű értékelését egyetlen kísérleti keretben. Ezen egymást kiegészítő technikák kombinálása mélyebb betekintést nyújt a komplex anyagokba, beleértve a polimereket, a kompozitokat és a kikeményedő rendszereket. Ez a megközelítés lehetővé teszi a viszkoelasztikus jellemzők és a dielektromos válaszok átfogó megértését, értékes adatokat szolgáltatva a folyamatfejlesztés, a minőségellenőrzés és a fejlett anyagkutatás számára.
Mérési elv: Rotációs reometria
A rotációs reometria az anyag viszkoelasztikus tulajdonságait jellemzi azáltal, hogy szabályozott körülmények között méri az anyag reakcióját egy rá gyakorolt deformációra. Egy tipikus oszcillációs vizsgálat során a mintát két geometriai elem közé helyezik – általában párhuzamos lemezek vagy egy kúp-lemez rendszer közé. Az egyik lemez oszcillál, míg a másik mozdulatlan marad (lásd az 1. ábrát), így nyíróerőt fejt ki a mintára.
Szabályozott szögeltolódást vagy nyomatékot alkalmaznak, ami nyírófeszültséget, γ(t)-t eredményez:
Azok az anyagok, amelyek mérhető nyírófeszültségre reagálnak:
Ittγ₀ a alakváltozás amplitúdója, ω a szögfrekvencia, τ₀ a feszültség amplitúdója, δ pedig a felvitt alakváltozás és a mért feszültség közötti fáziskésleltetés. Ez a fáziskésleltetés az anyag viszkoelasztikus tulajdonságait tükrözi.
A legfontosabb reológiai paraméterek közé tartozik az elasztikus nyírómodulus (G´), a viszkózus nyírómodulus (G´´) és a komplex viszkozitás (η*). Ezeket a mért feszültség- és alakváltozási válaszokból számítják ki, és az anyag szerkezetét jelzik.
Ahogy az anyag változásokon megy keresztül (például kikeményedés során), úgy változik a deformációval szembeni ellenállóképessége is. A polimer hálózat kialakulása növeli a merevséget, és módosítja a viszkózus nyírómodulus (G´´) és az elasztikus nyírómodulus (G´) viszonyát.
Mérési elv: Dielektromos elemzés
A dielektromos elemzés (DEA) segítségével nyomon követhetők az anyag dielektromos tulajdonságainak változásai egy szabályozott idő- és hőmérséklet-program során. Egy tipikus DEA-kísérlet során a mintát két elektróda közé helyezik – ezek lehetnek párhuzamos lemezek vagy egymásba fonódó fésűszenzorok (lásd a 2. ábrát).
Szinusz alakú feszültséget kapcsolunk:
Az anyag elektromos árammal reagál:
Az anyagban található szennyeződések olyan töltéshordozókat biztosítanak, amelyek az elektródák felé vándorolnak, míg a dipólusos részecskék (például monomerek vagy oligomerek) az elektromos mezőben orientálódnak. Ez a viselkedés eredményezi a mért áramot.
A kikeményedés előrehaladtával háromdimenziós polimer hálózat alakul ki, amely csökkenti az ionok mobilitását és korlátozza a dipólusok újbóli orientálódásának képességét. Ez korlátozza a töltéshordozók mozgását és a dipólusok elmozdulását. A mérésből származó egyik legfontosabb paraméter az ionvezetőképesség, σ. Ez az ionvezetőképesség a szabad töltéshordozók mobilitásától és a dipólusok újrarendeződése során eloszló energiától függ. Az ionviszkozitás, ρ, a következőképpen definiálható:
A kikeményedés előrehaladtával a táguló polimer hálózat csökkenti az ionvezetőképességet. Ez az ionviszkozitás növekedésével jár együtt.
Mérési feltételek
A kombinált mérést párhuzamos lemezes reometriával (átmérő: 8 mm) és dielektromos elemzéssel (DEA) végeztük az UHU Plus Endfest 300 (epoxi ragasztó) esetében, 60 °C-os állandó hőmérsékleten. A reométer 1%-os rugalmas nyírófeszültséggel és 1 Hz-es frekvenciával működött. A normálerőt, a nyírómodulust (G´), a viszkózus nyírómodulust (G´´) és a komplex nyíróviszkozitást (η*) az idő függvényében rögzítették. A DEA-mérést ezzel párhuzamosan végeztük, 100 mHz, 10 Hz, 100 Hz és 1 kHz gerjesztési frekvenciák alkalmazásával, nyomon követve az Ohm·cm-ben kifejezett log(viszkozitás) időbeli alakulását.
Mérési eredmények
A reológiai mérés az epoxi ragasztó jellegzetes, időfüggő kötési profilját mutatja 60 °C-on (3. ábra). Kezdetben a viszkózus nyírómodulus (G´´) nagyobb, mint az elasztikus nyírómodulus (G´), ami az alkalmazott vizsgálati feltételek mellett folyadékszerű állapotot jelez. A kikeményedés előrehaladtával mindkét érték növekszik, és 57 °C-on a G´ meghaladja a G´´-t, ami a folyadékból gélszerű, majd végül szilárd hálózatba való átmenetet tükrözi. Ez a G´/G´´ átmenet az alkalmazott frekvencia (1 Hz) időskáláján a gélpontnak felel meg.
A 4. ábra a komplex nyíróviszkozitás (reométer) és az ionviszkozitás (DEA) alakulását mutatja be. Az összes frekvencián mért ionviszkozitás növekedése arra utal, hogy a térhálósodás fokozódásával csökken a dipólusok és az ionok mobilitása. A plató a kikeményedési folyamat befejeződését jelzi. Minél magasabb a frekvencia, annál gyorsabban éri el a jel a platót. Alacsonyabb frekvenciákon, például 100 mHz-en, a jel a mérés végére nem éri el a platót, ami arra utal, hogy a reakció még nem fejeződött be. A jelek frekvenciafüggése tükrözi azok eltérő érzékenységét a gyors és lassú szegmensmozgásokra.
A kombinált elemzés egyik fontos szempontja a két módszer egymást kiegészítő érzékenysége. Míg a reológiai adatok megbízható információt nyújtanak a hálózat kialakulásáról és a mechanikai átmenetekről, a reometria információtartalma csökken, ha a minta nagyon merevvé válik: a mechanikai adatok általában platóra érnek, mivel a hálózat további fejlődése makroszkopikus deformációval már nem mutatható ki. Ezzel szemben a dielektromos elemzés (DEA) továbbra is rendkívül érzékeny a folyamatban lévő molekuláris dinamikára és az ionmobilitás változásaira, még akkor is, ha a minta már túl merev ahhoz, hogy mechanikai deformációt lehessen benne kimutatni. Ezt szemlélteti a 100 mHz-es DEA-görbe, amely továbbra is változik, és folyamatos reakciót jelez, még akkor is, amikor a reológiai görbe már elérte a platóját. Így a DEA értékes kiegészítő betekintést nyújt a kikeményedés későbbi szakaszaiba, és teljesebb képet ad a reakció előrehaladásáról.
Következtetés
Ez az alkalmazás bemutatja a reometria és a DEA kombinálásának előnyeit az epoxi kötés folyamatának nyomon követése során. A „ NETZSCH ” rendszer egyidejűleg szolgáltat mechanikai és dielektromos adatokat, lehetővé téve a felhasználók számára, hogy a teljes folyamat során nyomon kövessék mind a makroszkopikus, mind a molekuláris szintű változásokat. Míg a reometria kiválóan alkalmas a mechanikai átmenetek és a gélpont azonosítására, a DEA továbbra is részletes információkat szolgáltat a reakció előrehaladásáról, még akkor is, ha a minta már túl merev ahhoz, hogy további mechanikai vizsgálatokra alkalmas legyen. Ennek eredményeként a DEA egyedülálló értéket kínál azáltal, hogy teljes átláthatóságot biztosít a folyamatban lévő kikeményedésről, támogatja a folyamat optimalizálását, és garantálja a kiváló minőségű, teljesen kikeményedett termékeket.