Bevezetés
Az epoxigyanták sokoldalú, hőre keményedő polimerek, amelyeket széles körben használnak bevonatokban, szerkezeti ragasztókban és szálerősítésű kompozit anyagokban. Kémiailag indított polimerizációs és térhálósodási reakciók révén keményednek. A keményedés mértéke jelentős hatással van az anyag termikus, mechanikai és kémiai tulajdonságaira. Ezért a keményedési feltételek pontos ellenőrzése alapvető fontosságú a teljesítmény optimalizálásához, a hibák minimalizálásához és a hatékony gyártás biztosításához.
Dielektromos elemzés
A dielektromos elemzés (DEA) egy rendkívül érzékeny módszer a keményedési állapot valós idejű nyomon követésére. Ez az alkalmazási megjegyzés egy epoxigyanta keményedési viselkedését mutatja be különböző fűtési sebességek mellett a NETZSCH Dielektromos elemzés (DEA) és a Kinetics Neo szoftver segítségével kinetikai elemzésre, előrejelzésre és folyamatoptimalizálásra.
Az 1. ábra mutatja a dielektromos analízis (DEA) műszerét, amely lehetővé teszi a különböző reaktív anyagok kikeményedési viselkedésének helyszíni mérését. Több érzékelő lehetővé teszi a hőmérséklet pontos mérését, biztosítva az optimális teljesítményt és minőséget.
Mérési feltételek
A mérési feltételeket az 1. táblázat tartalmazza.
Táblázat: Mérési feltételek
| Műszer | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| Anyag | Epoxigyanta |
| fűtési sebesség | 1, 2 és 3 K/perc |
| Érzékelő | Idex érzékelő |
| Frekvencia | 1 kHz |
Mérési eredmények és megbeszélés
A 2. ábra az 1. táblázatban szereplő mérési paraméterek felhasználásával kapott tipikus kísérleti adatsorokat mutatja 1 K/perc fűtési sebesség mellett. Az érintőleges alapvonalat alkalmaztuk. A Ionicviszkozitás kezdeti csökkenését az ionviszkozitás hőmérsékletfüggése okozza a melegítés során. Az érintőleges (DEA Dynamic) alapvonal hőmérsékletfüggő, és exp(Eav/RT) értékkel számítva az Arrhenius-féle aktiválási energiát, Eav-ot feltételezve az ionvizkozitásra. Az alapvonal paramétereit azonban kezdetben külön határozzuk meg a reaktánsokra (balra) és a termékekre (jobbra). A végső alapvonal folyamatosan változik a reaktáns és a termék alapvonalak között, majd kivonjuk a mért adatokból. Ennek eredményeképpen az elemzésre szánt adatok a reakció előtt és után is vízszintesen jelennek meg (lásd a 3. ábrát).
A 3. ábra az 1, 2 és 3 K/perc fűtési sebességgel kikeményített epoxigyanta kísérleti log (ionviszkozitás) adatait mutatja be. Az ionviszkozitás a keményedés során meredeken emelkedik, és a nagyobb fűtési sebességek a keményedés kezdetét magasabb hőmérsékletre tolják, ami a folyamat hőmérsékletfüggése miatt eltérő végső viszkozitásértékeket eredményez.
Kinetikai elemzés
Az átalakulás foka (gyógyulás)
Az α konverziós fokot a Kinetics Neo szoftver számítja ki a DEA mérésből, ahol α 0 és 1 között mozog. A termoanalízisben végzett melegítéses méréseknél az átalakulást nyilvánvalóan úgy határozzák meg, hogy a t időpontban mért termoanalitikus hatást elosztják az ugyanabban az időpontban mért teljes termoanalitikus hatással. A DEA esetében a termoanalitikai konverzió meghatározása a következő:
ν0(t) a hőmérsékletfüggő log (ionviszkozitás) alapértéke a nem keményített reakcióközegben
νfinal(t) a kikeményített anyag Log (ionviszkozitás) hőmérsékletfüggő alapvonala
ν(t) az aktuális ionvizkozitás a t
A 4. ábra az epoxigyanta DEA mérési adatait mutatja be 1, 2 és 3 K/perc fűtési sebesség mellett. A kinetikai modellt a Kinetics Neo szoftver segítségével állítottuk fel, a rombusz szimbólumok a kísérleti adatokat, a folytonos vonalak pedig az illesztett görbéket jelölik.
Az epoxigyanta kinetikai paramétereit a 2. táblázat tartalmazza.
Táblázat: Az epoxigyanta kinetikai paraméterei
| Reakciós lépés | A → B |
|---|---|
| Reakció típusa | Cn |
| Aktiválási energia | 81.85 |
Log (preexponenciális tényező [Log/(1/s)] | 7.49 |
| A reakció sorrendje | 1.11 |
| Log (Autocat preexponenciális tényező [Log(1/s)] | 0.67 |
| Hozzájárulás | 1 |
| Határozottsági együttható (R²) | 0.9995 |
IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.Izotermikus előrejelzés
A kinetikai modell most már alkalmazható a keményedési folyamat előrejelzésére az idő és a hőmérséklet függvényében. Az 5. ábra az epoxigyanta különböző IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus körülmények között, 50 °C és 150 °C között megjósolt konverziós fokát mutatja, szemléltetve a hőmérséklet hatását a keményedési folyamatra. Alacsonyabb hőmérsékleten a keményedés lassú, míg magasabb hőmérsékleten a folyamat felgyorsul; 150°C-on a teljes konverzió gyorsan, mindössze 0,2 óra alatt érhető el (3. táblázat).
3. táblázat: A keményedés mértéke (α) a hőmérséklet függvényében
| Hőmérséklet (°C) | Idő (óra) | Átalakulás mértéke (α) |
|---|---|---|
| 50 | 5 | 0.033 |
| 90 | 5 | 0.939 |
| 150 | 5 | 1 |
Folyamatoptimalizálás
A 6. a) ábra azt mutatja, hogy a nem optimalizált hőmérsékleti profil mellett a keményítési folyamat 108 perc alatt éri el a 0,995-ös konverziót. Ezzel szemben a 6(b) ábra azt mutatja, hogy optimalizált hőmérsékleti profillal ugyanez az konverziós szint sokkal gyorsabban, mindössze 45 perc alatt érhető el 2%/perc konverziós sebesség mellett, ami körülbelül 58,3%-kal csökkenti a keményítési időt. Az optimalizált hőmérsékleti profil két fűtési szegmenst tartalmaz, amelyeket izotermák követnek, ami tipikusan jellemző egy ipari keményítési folyamatra.
(b) Optimalizált hőmérsékleti profil (szaggatott vonal) és az epoxigyanta kikeményedési folyamatának előre jelzett konverziós foka (folytonos vonal).
Következtetés
A dielektromos elemzés (DEA) a Kinetics Neo segítségével lehetővé teszi az epoxigyanta keményedésének pontos, valós idejű nyomon követését és kinetikai elemzését, hatékonyan meghatározva a kinetikai paramétereket és megjósolva a keményedés mértékét különböző körülmények között.
A szimulációval előre jelzett és a 2%/perc állandó konverziós sebesség fenntartására kiszámított hőmérsékleti profilok optimalizálták a keményedési folyamatot. E profilok finomításával a teljes konverziós idő 108 percről 45 percre csökkent, ami körülbelül 58%-os csökkenést jelent.
A kinetikai elemzés előnyei
Folyamatoptimalizálás és időmegtakarítás: Az optimalizált hőmérsékleti profilok csökkentik a kikeményedési időt és az energiafogyasztást.
A keményedési viselkedés pontos előrejelzése: Megbízható előrejelzéseket biztosít különböző körülmények között, és csökkenti a próba és hiba módszerét.