Fázisszétválás vizsgálata elasztomerrel keményített ragasztókban DMA-val

A piacon ma a ragasztók széles skálája létezik, beleértve az epoxikat, szilikonokat, poliuretánokat, cianoakrilátokat, anaerobokat és így tovább, amelyek a sebészeti és általános célú háztartási alkalmazások mellett az autóiparban, az építőiparban, a repülőgépiparban, az elektronikai és az orvostechnikai eszközökben is alkalmazhatók. A ragasztók teherhordó alkalmazásokban való alkalmazása megköveteli a repedések keletkezésével és növekedésével szembeni ellenállást, azaz a szívósságot. A ragasztókban használt polimerek közül sok viszonylag rideg anyag. Szívósságuk javítása érdekében különböző töltőanyagokat vagy szívósságnövelő szereket építenek be a ragasztószer-készítményekbe.

A monomer polimerré történő átalakulása, azaz a polimerizáció vagy a keményített ragasztóanyag keményítése során fázisszétválasztás következik be. A fázisszétválási viselkedés megértése a különböző kikeményedési körülmények között és a morfológia alakulása fontos lépések a fázisszétválás mechanizmusának azonosítása felé. A dinamikus mechanikai analízis (DMA) sokoldalú technika a különböző polimerkeverékek és így a keményített ragasztók jellemzésére. Az alkalmazástól vagy a mintaanyagtól függően különböző vizsgálati módok állnak rendelkezésre.

Ez a szerkesztőségi cikk összefoglalja a NETZSCH DMA 242 E Artemis készülék alkalmazását az elasztomerrel keményített etil-cianoakrilát ragasztó ömlesztett filmjeinek termikus tulajdonságainak és fázisszétválásának vizsgálatában, amelyet részletesen az International Journal of Adhesion and Adhesives 2020-as számában publikáltunk [1]. Az ömlesztett filmeket szobahőmérsékleten, előkevert iniciátorokkal és anélkül, poli(etilén) (PE) hordozók között és poli(tetrafluoretilén) (PTFE) szerszámban keményítették.

Cianokrilát (CA) ragasztók keményítése

A cianoakrilát (CA) ragasztók a ragasztók számos osztálya között egyedülállóak, mivel szobahőmérsékleten gyorsan száradnak és nagy szilárdságúak a zárt kötésekben. Ezért ezeknek a ragasztórendszereknek a keményítése nagy előnyt jelentene.

A polimerekben bekövetkező átmeneteket a tárolási modulus, a veszteségmodulus vagy a veszteségtényező változásának megfigyelésével lehet mérni a DMA hőmérséklet-vizsgálat során. Ezek a változások a polimerláncok RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs viselkedésétől függnek. A polimerek egyik legfontosabb átmenete az üvegesedési hőmérséklet (_Tg), amelyet a tárolási modulus jelének hirtelen csökkenése jelez. Ezen a hőmérsékleten a veszteségmodulus és a veszteségtényező jelek csúcsot mutatnak. Azt a hőmérsékletet, amelyen a veszteségtényező (tan δ) jelének csúcsértéke megjelenik, választottuk üvegesedési átmeneti hőmérsékletnek.

Míg az anyagok az üvegesedési tartomány felett, alatt és azon belül is használhatók, a ragasztókat általában az üvegesedési tartomány alatt használják, mivel a merevség csökken, ami azt jelenti, hogy a ragasztott kötés már nem lesz működőképes.

Az etil-cianoakrilát és az elasztomer keveréke a cianoakrilát-monomer kikeményedésekor fázisszétválnak. A cianoakrilát molekulatömegének növekedése okozza a fázisszétválást. Ha az elasztomer teljes fázisszétválása megtörténik, a DMA-görbén két üvegesedési hőmérsékletet kell látni, azaz a fázisszétválasztott elasztomer _Tg-jét és a cianoakrilát polimer _Tg-jét.

A 2. ábrán látható DMA-görbéken három régiót azonosítottunk, azaz alacsony hőmérsékleten -55°C és 0°C között, egy vállat 50°C és 110°C között, valamint egy másik régiót 110°C és 160°C között.

A tárolási modulus és a veszteségtényező változásának megléte -55°C és 0°C között, amely megegyezik az elasztomer üvegesedési átmeneti régiójával (a szívószerként használt elasztomer külön ^{DMA-vizsgálata1}), megerősíti, hogy az elasztomer a polimerizáció során fázisszétválasztódott. A tan δ csúcs intenzitása mutatja a fázisszétválasztott elasztomer mennyiségét. A 110°C és 160°C közötti tartomány a poli-CA _Tg tartománya.

Az 50°C és 110°C közötti váll mindkét minta esetében nagyjából azonos intenzitású. Úgy gondoljuk, hogy ez a régió a cianoakrilát-monomer és az elasztomer keveréke. Az elasztomer fázisszétválása akkor szűnik meg, amikor a viszkozitás gyorsan emelkedni kezd. Így a zselésedés hőmérsékletén, azaz az anyag folyékony fázisból szilárd fázisba való átmeneténél a fázisszétválás leáll, és rögzíti a morfológiát. Az 50°C és 110°C közötti tartomány eredetének azonosítása érdekében az ömlesztett fólia mintáját 110°C-ra melegítettük, amelyet a tartomány felső határának tekintünk, majd egy második melegítéssel a poli-CA _Tg-je fölé emeltük. A^2. fűtési lépés után az 50°C és 110°C közötti tartománynak megfelelő tan δ görbe kiegyenlítődött, és az elasztomer tan δ csúcsának növekedését figyelték meg a tárolási modulus növekedésével együtt. Ez az eredmény azt jelzi, hogy az elasztomer teljes fázisszétválasztásának eléréséhez egy 110°C-ra történő egylépcsős melegítésből álló hőkezelést lehet alkalmazni.

Hasonló eredményeket kaptunk az iniciátorok felhasználásával kikeményített ömlesztett filmek esetében is. Az iniciátorok használata azonban befolyásolta az elasztomer fázisszétválasztási viselkedését.

Forrás

[1] Tatiana Ștefanov, Bernard Ryan, Alojz Ivanković, Neal Murphy. (2020). Szénfeketével töltött, elasztomerrel keményített etil-cianoakrilát ragasztó ömlesztett filmek dinamikus mechanikai elemzése. International Journal of Adhesion and Adhesives, 101:102630. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2020.102630.