Diagram Transformasi Suhu-Waktu (TTT) dari Resin Epoksi

Pendahuluan

Resin epoksi adalah bahan yang sangat serbaguna dan tahan lama yang dikenal luas karena sifat mekanik, termal, dan perekatnya yang luar biasa. Sejak penemuannya, bahan ini telah menjadi landasan inovasi di berbagai industri karena kemampuannya untuk bertahan dalam kondisi lingkungan yang ekstrem, tahan terhadap kerusakan kimiawi, dan memberikan kekuatan struktural.

Inti dari banyak formulasi resin epoksi adalah 2,2-bis(4-(2,3-epoxypropyl) phenyl) propane, umumnya dikenal sebagai bisphenol A diglycidyl ether (rumus pada gambar 1, BADGE). BADGE berfungsi sebagai komponen utama dalam produksi resin epoksi, menawarkan sifat perekat dan anti korosi yang sangat baik.

Produksinya melibatkan pencampuran monomer epoksi dengan pengeras, yang memulai 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. reaksi pengikatan silang di bawah suhu yang terkendali, mengubah resin cair menjadi jaringan 3D yang solid.

Selama proses 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 transisi utama terjadi: gelasi dan vitrifikasi. Gelasi menandai transformasi resin yang tidak dapat diubah menjadi gel viskoelastik, terkait dengan peningkatan viskositas dan kekakuan, biasanya terjadi pada tingkat penyembuhan antara 55% dan 80%. Vitrifikasi terjadi ketika resin mencapai suhu transisi gelas (_Tg). Pada titik ini, resin berubah dari kondisi kenyal menjadi seperti kaca, menghasilkan perlambatan atau bahkan penghentian total dari tingkat penyembuhan. Vitrifikasi dapat dibalik, dan menaikkan suhu dapat memulai kembali reaksi. Untuk transisi ini, sangat penting untuk memastikan aliran resin yang tepat sebelum gelasi dan untuk mengoptimalkan kondisi 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 untuk mencapai tingkat 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 yang tinggi.

Penelitian ini mengusulkan metode pembuatan diagram Time-Temperature-Transformation (TTT) untuk sistem resin epoksi dengan menganalisis kinetika curing melalui DSC yang dimodulasi suhu nonisotermal dan pengukuran reologi. Pendekatan ini menggunakan model kinetik dua langkah untuk mengembangkan diagram TTT, memetakan waktu gelasi dan vitrifikasi 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 IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal dan dengan demikian membantu mengoptimalkan parameter 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 dan mengurangi biaya energi.

Bahan: Komposisi dan Rasio Pencampuran Resin Epoksi

Pengukuran dilakukan pada resin epoksi komersial (Resoltech 1040T), yang terdiri dari DGEBA (resin) dan dua diamin, 4,4'-methylenebis (cyclohexy lamine) dan 3-aminomethyl-3,5,5-trimethylcyclohexylamine (hardener).

Campuran epoksi dengan rasio resin dan pengeras 1000:300 w/w telah dipelajari.

Instrumen, Metode dan Alur Kerja

• Ketergantungan Suhu Transisi Kaca, _Tg, pada Derajat Curing: Pengujian untuk sampel yang diawetkan sebagian: DSC Termodulasi Suhu (TM-DSC), ketergantungan analitis; Persamaan Di Benedetto: Kinetics Neo
• Analisis Kinetik dan Model Kinetik: Pengujian pada tingkat pemanasan yang berbeda: Kalorimetri Pemindaian Diferensial (DSC). Pemodelan kinetik berdasarkan pengujian DSC dan ketergantungan _Tg pada tingkat penyembuhan: Kinetics Neo
• Penentuan Titik Gel: Uji IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.Isotermal (Reologi)
• Konstruksi Diagram Transformasi Suhu-Waktu (TTT): Kinetics Neo

Ketergantungan Suhu Transisi Kaca, _Tg, pada Derajat Pengawetan

Ketergantungan transisi kaca pada tingkat penyembuhan diselidiki dengan menggunakan DSC yang dimodulasi suhu (NETZSCH DSC 214 dengan Autosampler).

Lima sampel disiapkan dalam cawan lebur aluminium dengan tutup berlubang dan kemudian diawetkan sebagian pada suhu 20°C selama waktu yang berbeda untuk mendapatkan tingkat pengawetan yang berbeda. Sampel yang diawetkan sebagian ini diuji dengan DSC yang dimodulasi suhu untuk memisahkan efek transisi kaca dari RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi entalpi dan sisa pengawetan.

Pengujian TM-DSC dilakukan dari -60 ° C hingga 200 ° C pada laju pemanasan 3 K / menit dengan periode modulasi 60 detik dan amplitudo suhu 0,8 K di bawah aliran nitrogen (40 ml / menit).

Aliran panas total dari pengujian DSC yang dimodulasi suhu digambarkan pada gambar 2. Hasilnya menunjukkan sisa pengawetan untuk sampel-sampel ini. Suhu transisi kaca dari sampel 1 yang tidak diawetkan sepenuhnya memiliki nilai terendah. Semakin tinggi tingkat pengawetan awal, semakin rendah entalpi puncak EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal pengawetan sisa. Selama reaksi berlangsung, suhu transisi kaca meningkat, yang menyebabkan tumpang tindih dengan puncak pengawetan EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal untuk tingkat pengawetan yang lebih tinggi.

Suhu transisi kaca, _Tg, dari aliran panas pembalikan dan entalpi pengawetan dari aliran panas non-pembalikan untuk setiap sampel dirinci dalam tabel 1 bersama dengan waktu pengawetan 20°C dan tingkat pengawetan, yang dihitung dari entalpi sisa. Sampel 1 yang tidak diawetkan sepenuhnya disembuhkan selama pemanasan pertama, di mana sampel tersebut memiliki suhu transisi gelas _Tg0 [1]. Kemudian dipanaskan untuk kedua kalinya untuk menentukan suhu transisi gelas (_Tg∞) untuk bahan yang benar-benar sembuh (baris terakhir dalam tabel 1).

Tabel 1: Hasil pengukuran DSC yang dimodulasi suhu

Derajat pengawetan sampel 2 hingga 5 ditentukan dengan membandingkan entalpi puncak pengawetan dengan entalpi sampel yang tidak diawetkan sepenuhnya.

Berdasarkan nilai yang diukur, yang dirangkum dalam tabel 1, plot suhu transisi kaca versus derajat pengawetan dapat dibuat dengan menerapkan persamaan DiBenedetto (2).

_Tg0: suhu transisi kaca dari resin yang tidak diawetkan
_Tg∞: suhu transisi kaca dari resin yang diawetkan sepenuhnya
α: derajat pengawetan
λ: konstanta yang pas

Gambar 3 menggambarkan suhu transisi kaca sebagai fungsi dari tingkat penyembuhan yang dikumpulkan secara eksperimental serta kecocokan DiBenedetto dalam perangkat lunak Kinetics Neo.

Kecocokan ini diperoleh dengan parameter berikut:

_Tg0 = -35,8°C
_Tg∞ = 125,7°C
λ = 0,40

Analisis Kinetik dan Model Kinetik

Rangkaian pengujian kedua menggunakan laju pemanasan yang bervariasi (0,1 hingga 10 K/menit) untuk mempelajari kinetika reaksi. Untuk ini, campuran baru disiapkan, ditimbang, dan segera diukur (sampel 6 hingga 11).

Gambar 4 menunjukkan data eksperimen yang diukur (titik-titik) bersama dengan kurva (solid) yang dihitung dengan parameter kinetika yang dioptimalkan dalam perangkat lunak NETZSCH Kinetics Neo , berdasarkan enam pengukuran DSC pada laju pemanasan yang berbeda dari 0,1 hingga 10 K ^menit-1. Sebuah model dengan dua langkah berurutan dipilih untuk mengkarakterisasi kinetika reaksi karena bahu yang terdeteksi pada puncak pengeringan EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal bersama dengan puncak minimum mengindikasikan reaksi 2 langkah.

Model ini mencakup reaksi autokatalisis untuk langkah pertama (persamaan Kamal-Sourour yang disederhanakan) dan reaksi orde ^ke-n untuk langkah kedua. Selain itu, kontrol difusi di atas suhu transisi gelas (lihat hasil DiBenedetto dari tes TM-DSC) dipertimbangkan untuk langkah kedua. Regresi non-linear dilakukan untuk mengoptimalkan parameter kinetika (faktor pra-eksponensial, energi aktivasi dan orde reaksi); lihat tabel 2.

Tabel 2: Hasil parameter kinetika

Penentuan Titik Gel

Uji reologi untuk penentuan titik gel dilakukan dengan menggunakan rheometer NETZSCH Kinexus Prime: Untuk itu, uji IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal dilakukan dari suhu 40°C hingga 60°C dengan SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan 0,1% pada 1 Hz.

Gambar 5 menggambarkan kurva modulus geser elastis (G') dan viskos (G'') selama tiga pengukuran IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal pada suhu 40°C, 50°C, dan 60°C. Kurva-kurva tersebut menunjukkan persilangan antara G' dan G' yang mengindikasikan titik gel, di atas titik tersebut material tidak lagi dapat mengalir pada frekuensi yang diterapkan. Semakin tinggi suhu, semakin cepat reaksi dan semakin rendah waktu yang dibutuhkan untuk mencapai titik gel.

Tabel 3 menyajikan ringkasan hasil. Tingkat penyembuhan yang dicapai pada setiap suhu ditentukan dengan menggunakan waktu titik gel dari kurva konversi sebagai fungsi suhu atau waktu yang diprediksi oleh analisis kinetika.

Tabel 3: Waktu titik gel yang diperoleh untuk uji IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal yang berbeda

Konstruksi Diagram Transformasi Suhu-Waktu (TTT)

Perangkat lunak NETZSCH Kinetics Neo digunakan untuk analisis kinetika dan simulasi diagram TTT.

Diagram TTT pada gambar 6 mengilustrasikan kondisi pengawetan material dalam kondisi IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal. Di bawah -36,8°C, monomer tetap seperti kaca, dengan tingkat pengawetan yang sangat lambat, mencapai pengawetan 1% dalam waktu setidaknya 12 jam. Antara -36,8°C (_Tg0) dan 126,1°C (_Tg∞), perilaku pengawetan bervariasi dengan suhu. Jika suhu tetap di bawah Tg_(gel) (persimpangan kurva gelasi dan vitrifikasi), vitrifikasi terjadi sebelum gelasi. Di atas Tg_(gel), bahan mencapai titik gel sebelum difusi memperlambat reaksi.

Kesimpulan

Penggunaan perangkat lunak Kinetics Neo untuk menghitung diagram Time-Temperature-Transformation (TTT) menawarkan pendekatan yang lebih canggih dan prediktif untuk menganalisis perilaku pengawetan. Dengan memanfaatkan analisis kinetika, perangkat lunak ini secara akurat mengidentifikasi titik vitrifikasi dan gelasi, sehingga memungkinkan kontrol yang tepat atas pengawetan material dan pengoptimalan proses yang lebih efisien.

Manfaat Analisis Kinetika

Mengurangi Biaya & Pemborosan: Waktu pengawetan yang dioptimalkan mengurangi penggunaan energi dan limbah material, memangkas biaya, dan meningkatkan keberlanjutan.

Prediksi Pengawetan yang Akurat: Memberikan pemodelan yang tepat dari proses pengawetan resin epoksi, membantu memprediksi perilaku gelasi dan vitrifikasi dalam kondisi suhu yang berbeda.

Mengurangi Waktu Eksperimental: Dengan menggunakan NETZSCH DSC, pengukuran reologi dan perangkat lunak Kinetics Neo, pendekatan ini menghilangkan kebutuhan untuk pengujian jangka panjang dengan menghindari eksperimen coba-coba sambil mempercepat pengembangan material.