Analisis Kinetik Viskositas Geser untuk Memprediksi Perilaku Pengawetan Perekat Epoksi 2 Bagian

Pendahuluan

Resin epoksi biasanya digunakan untuk pelapisan, laminasi dan bahan elektronik. Bidang aplikasinya meluas ke aplikasi perekat, terutama ketika daya tahan dan kekuatan dibutuhkan.

Banyak perekat epoksi terdiri dari dua komponen, yaitu resin epoksi dan pengeras. Segera setelah kedua senyawa dicampur, Pengawetan (Reaksi Pengikatan Silang)Secara harfiah diterjemahkan, istilah "crosslinking" berarti "jaringan silang". Dalam konteks kimia, istilah ini digunakan untuk reaksi di mana molekul dihubungkan bersama dengan memperkenalkan ikatan kovalen dan membentuk jaringan tiga dimensi. pengawetan dimulai: ikatan dibuat antara resin epoksi dan pengeras, membentuk jaringan struktural. Dalam praktiknya, awal reaksi dan durasinya menjadi hal yang menarik. Dalam penelitian ini, perubahan sifat reologi lem epoksi dua bagian selama Pengawetan (Reaksi Pengikatan Silang)Secara harfiah diterjemahkan, istilah "crosslinking" berarti "jaringan silang". Dalam konteks kimia, istilah ini digunakan untuk reaksi di mana molekul dihubungkan bersama dengan memperkenalkan ikatan kovalen dan membentuk jaringan tiga dimensi. pengawetan diselidiki dengan menggunakan reometri rotasi. Selanjutnya, pengukuran digunakan untuk menentukan kinetika reaksi. Akhirnya, pengetahuan tentang parameter kinetik curing memungkinkan simulasi reaksi untuk kondisi suhu dan waktu yang ditentukan pengguna.

Kondisi Pengukuran

Pengukuran osilasi dilakukan pada lem epoksi dua bagian dengan menggunakan NETZSCH rotational rheometer Kinexus.

Setelah mencampur dua komponen lem epoksi dua bagian pada suhu kamar, campuran tersebut diletakkan pada pelat bawah Kinexus. Waktu pengujian diatur ke 0 saat memulai pencampuran kedua komponen, meskipun pada saat ini, komponen belum dimasukkan ke dalam rheometer.

Pelat sekali pakai dengan diameter 8 mm digunakan untuk pengukuran. Diameter small ini dipilih untuk menjaga agar kekakuan akhir sampel yang diawetkan cukup rendah dibandingkan dengan kekakuan rheometer. Celah pengukuran 1 mm digunakan selama pengukuran.

Disajikan pada tabel 1 adalah kondisi yang digunakan untuk pengukuran osilasi selama proses curing dengan rheometer rotasi Kinexus.

Tabel 1: Kondisi Pengukuran Curing

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menampilkan kurva pengukuran Modulus Geser Kompleks (G*)Modulus geser adalah pengukuran kekakuan suatu bahan. modulus geser kompleks. Secara umum, jika tidak ada proses yang terjadi (seperti reaksi kimia), pemanasan sampel akan menyebabkan pelunakan, yaitu penurunan kekakuan (modulus). Namun, dalam contoh ini, pemanasan memiliki dua efek: Selain penurunan modulus, pemanasan juga mempercepat Pengawetan (Reaksi Pengikatan Silang)Secara harfiah diterjemahkan, istilah "crosslinking" berarti "jaringan silang". Dalam konteks kimia, istilah ini digunakan untuk reaksi di mana molekul dihubungkan bersama dengan memperkenalkan ikatan kovalen dan membentuk jaringan tiga dimensi. pengawetan lem. Proses ini menyebabkan peningkatan kekakuan (kurva hijau).

Peningkatan tajam dalam Modulus Geser Kompleks (G*)Modulus geser adalah pengukuran kekakuan suatu bahan. modulus geser kompleks pada awal pengukuran, mengindikasikan dimulainya Pengawetan (Reaksi Pengikatan Silang)Secara harfiah diterjemahkan, istilah "crosslinking" berarti "jaringan silang". Dalam konteks kimia, istilah ini digunakan untuk reaksi di mana molekul dihubungkan bersama dengan memperkenalkan ikatan kovalen dan membentuk jaringan tiga dimensi. pengawetan dua langkah pada sampel. Di antara kedua langkah tersebut, sedikit penurunan Modulus KompleksModulus kompleks terdiri dari dua komponen, yaitu modulus penyimpanan dan modulus kehilangan. Modulus penyimpanan (atau modulus Young) menggambarkan kekakuan dan modulus kehilangan menggambarkan perilaku redaman (atau viskoelastik) dari sampel yang sesuai dengan menggunakan metode Analisis Mekanik Dinamis (Dynamic Mechanical Analysis/DMA). modulus kompleks disebabkan oleh dominasi efek suhu terhadap efek Pengawetan (Reaksi Pengikatan Silang)Secara harfiah diterjemahkan, istilah "crosslinking" berarti "jaringan silang". Dalam konteks kimia, istilah ini digunakan untuk reaksi di mana molekul dihubungkan bersama dengan memperkenalkan ikatan kovalen dan membentuk jaringan tiga dimensi. pengawetan: suhu yang lebih tinggi menyebabkan kekakuan yang lebih rendah. Reaksi hampir selesai setelah langkah IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal 5 menit. Pendinginan selanjutnya dilakukan untuk mendeteksi suhu operasi maksimum yang diberikan oleh suhu transisi gelas. Selama pendinginan hingga 25°C, Modulus Geser Kompleks (G*)Modulus geser adalah pengukuran kekakuan suatu bahan. modulus geser kompleks meningkat lagi lebih dari dua kali lipat antara 45°C dan 25°C. Hal ini disebabkan oleh suhu transisi gelas dari resin yang diawetkan.

Profil curing serta deteksi Suhu Transisi KacaTransisi gelas adalah salah satu sifat terpenting dari bahan amorf dan semi-kristal, misalnya, gelas anorganik, logam amorf, polimer, obat-obatan dan bahan makanan, dll., dan menggambarkan wilayah suhu di mana sifat mekanis bahan berubah dari keras dan rapuh menjadi lebih lunak, dapat diubah bentuknya atau kenyal.transisi kaca juga ditunjukkan dengan menampilkan modulus geser elastis dan viskos serta sudut fasa (Gambar 2).

Pada awal percobaan, komponen kental (kurva oranye) mengatasi komponen elastis (kurva biru). Perilaku ini juga dapat diamati dari sudut fasa (kurva abu-abu). Sudut fasa hampir mencapai 90° pada awal percobaan, yang berarti bahwa sampel hampir hanya memiliki sifat seperti cairan dalam kondisi pengukuran ini. Peningkatan kurva Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas pada awal pengujian berkorelasi dengan dimulainya proses pengawetan. Proses ini berjalan dalam dua langkah, seperti yang dapat dilihat dari dua langkah kenaikan pada kurva komponen elastis atau dari dua langkah penurunan pada kurva sudut fase. Setelah langkah pertama, sampel masih akan berperilaku seperti fluida karena modulus viskos memiliki nilai yang lebih tinggi daripada modulus elastis. Dengan demikian, sampel akan tetap memiliki kecenderungan untuk mengalir di bawah rentang waktu frekuensi osilasi yang diterapkan. Ini berarti, bahwa dalam praktiknya, bagian-bagiannya saling merekat, tetapi masih bisa bergeser pada rentang waktu ini.

Persilangan komponen elastis dan kental terdeteksi pada suhu 67°C. Dari suhu ini dan seterusnya, sifat perekat yang seperti padatan mendominasi sifat yang seperti cairan.

Selama pendinginan, transisi gelas terjadi yang menjelaskan peningkatan Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas dan viskositas serta puncak sudut fasa pada suhu 34,4°C.

Untuk suhu di bawah suhu transisi gelas, rantai polimer berada dalam keadaan amorf, seperti gelas, membekukan mobilitasnya di sepanjang sumbu utamanya. Jika suhu transisi gelas sampel yang diawetkan lebih rendah dari suhu pengawetan akhir 140°C, maka reaksi pengawetan berlangsung selama suhu lebih tinggi dari suhu transisi gelas dan mencapai kerapatan jaringan maksimum yang mungkin untuk kondisi pengukuran ini. Segera setelah suhu lebih rendah daripada suhu Suhu Transisi KacaTransisi gelas adalah salah satu sifat terpenting dari bahan amorf dan semi-kristal, misalnya, gelas anorganik, logam amorf, polimer, obat-obatan dan bahan makanan, dll., dan menggambarkan wilayah suhu di mana sifat mekanis bahan berubah dari keras dan rapuh menjadi lebih lunak, dapat diubah bentuknya atau kenyal.transisi kaca, reaksi berhenti.

Analisis Kinetik Reaksi Pengawetan

Perangkat lunak Kinetics Neo memungkinkan penentuan parameter kinetik reaksi kimia. Hal ini juga memungkinkan untuk memprediksi viskositas kompleks dari pengukuran reologi. Pengukuran dilakukan pada tingkat pemanasan yang berbeda (atau suhu IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal yang berbeda). Dengan menggunakan pengukuran yang berbeda tersebut, Kinetics Neo mampu menentukan jumlah langkah yang menggambarkan reaksi pengawetan. Untuk setiap langkah tersebut, perangkat lunak ini juga menghitung parameter kinetik, yaitu jenis reaksi, energi aktivasi, dan orde reaksi. Tabel 2 menampilkan kondisi pengukuran dari pengukuran.

Tabel 2: Kondisi pengukuran analisis kinetik

Gambar 3 menggambarkan pengukuran yang dilakukan pada tingkat pemanasan yang berbeda. Karena pengukuran reologi sudah menunjukkan reaksi dua langkah, model dengan dua langkah berurutan dipilih untuk analisis kinetik.

Gambar 4 menampilkan kurva yang diukur dan kurva yang dihitung oleh Kinetics Neo. Tabel 3 menggambarkan parameter kinetik yang digunakan untuk perhitungan. Tumpang tindih yang buruk antara kurva terukur dan kurva yang dihitung pada langkah pertama menunjukkan perbedaan dalam persiapan sampel. Namun, koefisien korelasi yang tinggi lebih dari 0,99 memungkinkan evaluasi kinetik.

Tabel 3: Parameter kinetik yang dihitung oleh Kinetika Neo

Simulasi Pengawetan untuk Kondisi Khusus Pengguna

Berdasarkan parameter kinetika yang ditentukan, Kinetika Neo mampu menghitung perilaku sampel untuk setiap kondisi waktu/suhu. Sebagai contoh, gambar 5 dan 6 menggambarkan perilaku pengawetan sampel pada suhu IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal yang berbeda, masing-masing selama 2 jam dan 30 jam. Seperti yang diharapkan, pengawetan terjadi lebih cepat pada suhu yang lebih tinggi. Langkah pengawetan pertama, sesuai dengan tingkat konversi sekitar 40%, dicapai pada menit pertama untuk semua suhu yang ditampilkan. Namun demikian, diperlukan waktu yang lebih lama untuk memastikan pengawetan perekat yang sempurna. Hal ini dapat memakan waktu beberapa hari, tergantung pada suhu.

Perbandingan Kurva Simulasi oleh Kinetika Neodan Kurva yang Diukur oleh Kinexus

Untuk memeriksa validitas model kinetika terhadap hasil yang diperoleh dari eksperimen, pengukuran baru dilakukan pada suhu 30°C selama 12 jam. Hasilnya dibandingkan dengan kurva viskositas geser kompleks yang dihitung oleh Kinetics Neo.

Kurva viskositas geser kompleks yang diukur ditampilkan pada gambar 7. Kurva yang diperoleh dengan menggunakan Kinetika Neo pada IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal pada suhu 30°C diberikan pada gambar 8 (kurva hijau). Awal reaksi tidak ditampilkan karena mengandung ketidakpastian karena persiapan sampel (pencampuran kedua komponen). Antara 2 dan 12 jam, pengawetan menyebabkan peningkatan hampir 1,5 dekade untuk kurva terukur dan kurva yang dihitung. Hal ini menunjukkan korelasi yang baik dari hasil.

Kesimpulan

Profil pengawetan reologi dari resin epoksi 2 bagian direkam oleh rheometer rotasi Kinexus. Pengukuran pada tingkat pemanasan yang berbeda dilakukan dengan hasil yang diimpor ke Kinetics Neo untuk menentukan kinetika reaksi. Perangkat lunak yang canggih ini melangkah lebih jauh, karena juga dapat memprediksi perilaku sampel pada setiap kondisi waktu / suhu operasi.

Ucapan terima kasih

Adrian Hill (NETZSCH UK) atas berbagai diskusi yang menarik.