Karakterisasi Reologi dan Dielektrik Secara Bersamaan pada Resin Epoksi yang Dipolimerisasi dengan Amina

Pendahuluan

Sistem epoksi termoset banyak digunakan dalam aplikasi perekat, pelapis, komposit, dan enkapsulasi elektronik. Selama proses pengeringan, resin yang awalnya memiliki viskositas rendah berubah menjadi jaringan ikatan silang yang padat, sehingga menimbulkan perubahan signifikan pada sifat mekanis dan listriknya.

Memahami perkembangan proses pengeringan sangat penting untuk optimasi proses, pengendalian kualitas, dan prediksi kinerja bahan akhir. Teknik reologi memberikan wawasan mengenai evolusi viskositas dan perilaku gelasi, sedangkan analisis dielektrik (DEA) memantau mobilitas Ionic, dan dinamika molekuler yang terkait dengan reaksi pengeringan.

Menggabungkan kedua teknik tersebut dalam satu eksperimen memberikan gambaran komprehensif mengenai proses pengeringan dengan secara simultan melacak perubahan mekanis makroskopis dan mobilitas molekul mikroskopis.

Penelitian ini mendemonstrasikan pengukuran simultan pada resin epoksi dua komponen yang dikeraskan dengan amina menggunakan reometer rotasional Kinexus Prime yang dipadukan dengan alat analisis dielektrik DEA 288 Ionic.

Eksperimental

Bahan

Sistem epoksi dua komponen yang terdiri dari resin epoksi dan pengeras amina telah diteliti. Kedua komponen tersebut dicampur segera sebelum pengukuran sesuai dengan perbandingan pencampuran yang direkomendasikan oleh produsen.

Metode

Pengukuran dilakukan dengan menggunakan:

• reometer rotasi Kinexus Prime,
• analisis dielektrik DEA 288 Ionic, dan,
• sistem pengukuran reologi-dielektrik terintegrasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.

Segera setelah pencampuran, formulasi reaktif ditempatkan pada pelat rheometer bagian bawah, yang secara bersamaan berfungsi sebagai elektroda sensor dielektrik dari DEA 288 Ionic. Sistem dijaga pada suhu 50°C.

Setelah menempatkan pelat pengukur atas (berdiameter 8 mm) dan mengatur celah pengukuran menjadi 1 mm, data reologi dan dielektrik diperoleh secara bersamaan selama proses pengeringan. Tabel 1 merangkum kondisi pengukuran tersebut.

Reometer Rotasi Kinexus: Pemantauan Pembentukan Jaringan Molekul

Respon reologi mencerminkan perubahan pada perilaku aliran dan deformasi bahan seiring dengan perkembangan jaringan polimer.

Pada awal proses pengeringan, resin yang belum mengeras menunjukkan perilaku yang dominan seperti cairan, dan rantai polimer dapat bergerak relatif bebas. Seiring berjalannya proses ikatan silang, jaringan polimer yang berkembang semakin membatasi pergerakan molekul, yang menyebabkan peningkatan viskositas dan elastisitas yang signifikan.

Perilaku ini tercermin dalam parameter reologi yang diukur melalui reometri rotasional. Oleh karena itu, sinyal reologi memberikan indikasi yang sangat sensitif mengenai kemajuan proses pengeringan dan perkembangan struktur, terutama pada tahap gelasi dan vitrifikasi, di mana terjadi perubahan signifikan pada sifat viskoelastis.

DEA 288 Ionic: Pemantauan Mobilitas Molekul

Respon dielektrik mencerminkan mobilitas spesies ber Ionic, dan dipol di dalam bahan.

Pada awal proses pengeringan, pembawa muat Ionic dapat bergerak relatif bebas melalui resin cair. Seiring berlanjutnya proses ikatan silang, jaringan polimer yang terbentuk semakin membatasi pergerakan molekul, sehingga menyebabkan penurunan signifikan pada mobilitas Ionic.

Perilaku ini tercermin dari peningkatan Viskositas IonViskositas ion adalah nilai kebalikan dari konduktivitas ion, yang dihitung dari faktor kehilangan dielektrik.viskositas ion yang diukur oleh sistem “ DEA 288 Ionic ”. Oleh karena itu, sinyal dielektrik memberikan indikasi yang sangat sensitif terhadap kemajuan proses pengeringan, terutama pada tahap awal ketika perubahan reologi mungkin masih relatif “ small ”.

Tabel 1: Kondisi pengujian

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2 memperlihatkan kurva viskositas geser kompleks dan sudut fase selama pengujian, sedangkan Gambar 3 menunjukkan kurva modulus geser elastis (G´), modulus geser viskos (G´´), sudut fase, dan sudut fase mentah.

Perilaku pada Tahap Awal Pengeringan

Segera setelah pemuatan formulasi epoksi yang baru dicampur, bahan tersebut menunjukkan viskositas geser kompleks yang rendah. Dalam kondisi ini, respons reologi dapat dipengaruhi oleh efek inersia instrumen, yang terlihat pada data sudut fase mentah.

Dengan menggunakan sudut fase mentah yang tersedia dalam perangkat lunak rSpace, pengaruh inersia dapat diidentifikasi dengan membandingkan sudut fase dan sudut fase mentah. Pada awal pengukuran, sudut fase mentah melebihi sudut fase yang bermakna secara fisik, yang menunjukkan bahwa sinyal reologi dipengaruhi oleh kontribusi inersia dan bukan semata-mata mencerminkan respons bahan.

Akibatnya, parameter reologi yang diperoleh selama periode awal ini harus ditafsirkan dengan hati-hati dan tidak cocok untuk mengevaluasi tahap-tahap paling awal dari proses pengeringan. Karena alasan ini, kurva reologi yang sudut fasa tak terkoreksinya melebihi sudut fasa terkoreksi tidak ditampilkan.

Salah satu cara yang dapat dilakukan adalah meminimalkan efek inersia dengan mengurangi celah pengukuran, memperkecil diameter pelat, dan/atau menurunkan frekuensi pengujian.

Namun, jika pengujian dilakukan bersamaan dengan pengukuran dielektrik ( DEA 288 Ionic), tidak perlu mengulangi pengukuran untuk karakterisasi lengkap proses pengeringan. Karena data dielektrik diperoleh secara bersamaan, awal proses pengeringan dapat dipantau langsung melalui perubahan Viskositas IonViskositas ion adalah nilai kebalikan dari konduktivitas ion, yang dihitung dari faktor kehilangan dielektrik.viskositas ion. Berbeda dengan pengukuran reologi, pengukuran dielektrik tidak terpengaruh oleh inersia reometer dan oleh karena itu memberikan informasi yang andal mengenai penurunan mobilitas Ionic sejak awal eksperimen.

Gambar 4 menunjukkan evolusi Viskositas IonViskositas ion adalah nilai kebalikan dari konduktivitas ion, yang dihitung dari faktor kehilangan dielektrik.viskositas ion yang ditentukan melalui analisis dielektrik. Peningkatan Viskositas IonViskositas ion adalah nilai kebalikan dari konduktivitas ion, yang dihitung dari faktor kehilangan dielektrik.viskositas ion segera setelah pengukuran dimulai untuk semua frekuensi berkaitan dengan dimulainya reaksi pengeringan.

Gelasi

Seiring berjalannya reaksi pengeringan, berat molekul meningkat melalui pembentukan ikatan kovalen antara gugus fungsional epoksi dan amina. Akibatnya, viskositas kompleks terus meningkat.

Transisi dari cairan yang didominasi viskositas menjadi jaringan elastis diamati melalui perubahan modulus viskoelastis. Titik gelasi dapat diidentifikasi dari titik persilangan antara modulus geser elastis (G´) dan modulus geser viskos (G´´) yang terdeteksi pada 116 menit, yang menandakan terbentuknya jaringan tiga dimensi yang tak terbatas.

Kesimpulan: Deteksi Bersamaan Dimulainya Proses Pengeringan Meskipun Terjadi Efek Inersia Reologi

Seiring berjalannya proses pengeringan dan meningkatnya viskositas, pengaruh inersia berkurang dengan cepat. Data reologi kemudian menjadi sepenuhnya representatif terhadap respons material, sehingga memungkinkan penentuan selanjutnya mengenai peningkatan viskositas, evolusi viskoelastis, dan perilaku gelasi.

Kombinasi analisis reometri dan dielektrik oleh karena itu memastikan pemantauan berkelanjutan terhadap proses pengeringan di seluruh rentang pengukuran. DEA menangkap tahap-tahap paling awal pembentukan jaringan, sementara reometri memberikan informasi terperinci mengenai perkembangan sifat mekanis setelah kekuatan struktural yang memadai telah terbentuk.