Pendahuluan
Penyimpanan hidrogen dalam tangki kriogenik membutuhkan material yang dapat bertahan pada suhu yang sangat rendah. Komposit polimer yang diperkuat serat karbon (CFRP) dengan resin epoksi sebagai bahan matriks adalah solusi yang menjanjikan untuk memenuhi persyaratan ringan industri kedirgantaraan dan otomotif. Analisis termal mekanis dinamis (DMA) adalah alat yang sangat diperlukan untuk pengembangan optimal bahan-bahan ini. Catatan aplikasi ini menjelaskan bagaimana DMA digunakan untuk mengevaluasi dan mengoptimalkan formulasi resin epoksi untuk aplikasi kriogenik dan menyajikan hasil dari disertasi terbaru di Polymer Engineering Institute of the University of Bayreuth(https://www.polymer- engineering.de/) yang didedikasikan untuk topik ini.
Metode dan Bahan
Dynamic Mechanical Thermal Analysis (DMA) digunakan untuk mengukur sifat viskoelastik formulasi resin pada rentang suhu yang luas hingga suhu rendah. Parameter viskoelastik berikut ini dicatat:
- Modulus penyimpanan (E'): Ukuran kekakuan elastis material.
- Modulus kehilangan (E"): Ukuran kehilangan energi akibat gesekan internal dan redaman.
- Tan δ: Rasio Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan terhadap modulus penyimpanan, ukuran sifat redaman material.
- 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 (Tg/Tα): Kisaran suhu di mana material sepenuhnya berpindah dari kondisi seperti kaca ke kondisi seperti karet.
- Temperatur transisi sub-kaca, Tβ dan Tγ: Kisaran suhu di mana masing-masing bagian dari jaringan polmyer mengubah mobilitasnya dan bertransisi dari perilaku energielastis ke viskoplastik pada suhu rendah.
Semua pengukuran dilakukan dengan NETZSCH DMA Eplexor® 500 N dalam rentang suhu dari -140°C hingga 300°C.
Resin epoksi yang digunakan:
- EP1: Resin epoksi standar, berdasarkan diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) dengan polyetheramine (PEA) sebagai pengeras. Kombinasi ini berfungsi sebagai bahan referensi tanpa modifikasi tambahan apa pun.
- EP2: Resin DGEBA dengan pengeras dicyandiamide (DICY) dengan akselerator urea.
- EP3: Resin DGEBA dengan isophorondiamine (IPDA) sebagai pengeras dingin, yang juga biasanya digunakan dalam pembuatan bilah rotor.
- EP4: Resin DGEBA dengan pengeras 4,4 'diaminodiphenylsulphone (DDS) untuk resin bersuhu tinggi di industri kedirgantaraan.
- EP5: Resin epoksi, berdasarkan tetraglycidylmethylendianilin (TGMDA) dengan pengeras DDS dengan KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan ikatan silang yang lebih tinggi.
- EP2X: Versi modifikasi dari EP2 dengan bagian partikel cangkang inti untuk memodifikasi ketangguhan pada suhu rendah.
Ikhtisar Hasil Analisis DMA
Temperatur 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 (Tg) adalah titik kritis yang menentukan batas aplikasi material sebagai penurunan modulus penyimpanan dan maksimum dalam Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan atau tan d. Resin epoksi dengan tingkat ikatan silang yang lebih tinggi memiliki Tg yang lebih tinggi, yang berarti mereka mempertahankan kekakuannya pada suhu yang lebih tinggi.
Modulus Penyimpanan (E')
Modulus penyimpanan meningkat dengan penurunan suhu (gambar 1). Pada suhu -196°C, resin yang diuji menunjukkan modulus penyimpanan yang jauh lebih tinggi, yang mengindikasikan peningkatan kekakuan. Sifat ini penting karena ketika modulus matriks berubah, perilakunya diharapkan berbeda secara signifikan dengan suhu kamar. Ini adalah parameter penting dalam desain struktur tangki.
Modulus Kehilangan (E") dan Faktor Redaman tan δ
Modulus kehilangan, yang menunjukkan sifat redaman material, menurun pada suhu kriogenik. Hal ini mengindikasikan bahwa material membuang lebih sedikit energi melalui gesekan internal pada suhu kriogenik, sehingga menghasilkan karakteristik yang lebih rapuh. Hasil DMA konsisten dengan uji ketangguhan patah pada suhu -196°C - material menjadi semakin getas pada suhu rendah dan menjadi semakin elastis secara linier dengan hilangnya deformabilitas plastis (gambar 2).
Pengaruh Modifikasi Ketangguhan
Penambahan aditif yang memodifikasi ketangguhan, seperti partikel inti-cangkang berskala nano, meningkatkan ketangguhan patah resin tanpa banyak mengorbankan kekakuan yang dibutuhkan komposit serat-plastik pada suhu tinggi. Hal ini menghasilkan kombinasi yang seimbang antara kekakuan dan ketangguhan, yang ideal untuk tangki kriogenik di bawah beban suhu yang bervariasi. Terlihat bahwa resin yang dimodifikasi memiliki nilai E' yang lebih rendah pada suhu -196°C. Ini berarti bahwa bahan-bahan ini tidak menjadi rapuh dan semacam 'keuletan sisa' tetap ada, yang penting untuk keseimbangan antara integritas struktural dan peningkatan ketangguhan retakan tangki kriogenik untuk ketahanan terhadap retakan mikro.
Penambahan nanopartikel silikon menghasilkan pelunakan jaringan, yang ditunjukkan oleh modulus yang lebih rendah daripada EP2 yang tidak dimodifikasi pada seluruh rentang suhu. Khususnya pada suhu rendah, plastisisasi jaringan dapat dilihat melalui suhu transisi gelas inti silikon. Modulus lebih rendah pada semua suhu karena silikon memiliki kekakuan yang jauh lebih rendah daripada epoksi murni. Kompatibilitas kimiawi antara silikon dan epoksi ditingkatkan oleh cangkang termoplastik, yang menyebabkan modulus berkurang tidak terlalu tajam.
Tg sedikit berkurang karena pelunakan jaringan dimulai lebih awal pada penambahan 5% (gambar 3). Namun, setelah faktor kehilangan maksimum tan d, Tg hanya turun menjadi +142,9°C. Titik pelunakan material yang sebenarnya, yang ditentukan oleh penurunan modulus E', adalah +122°C. Namun, ini cukup tinggi bagi EP2X untuk memastikan keamanan komposit yang memadai pada persyaratan suhu eksternal hingga +90°C. Kekakuan komponen hingga +122°C relevan untuk perakitan sambungan berikat atau sambungan pada struktur tangki, karena harus stabil secara dimensi pada suhu 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, misalnya, +120°C, karena harus dipanaskan kembali secara lokal untuk membuat sambungan berikat untuk pemasangan atau perbaikan.
Korelasi dengan Perilaku Mekanis CrogenicTangki pada suhu -196°C
Sifat termo-mekanis yang ditentukan oleh DMA berkorelasi langsung dengan perilaku mekanis material CFRP yang dapat digunakan untuk struktur tangki kriogenik.
- Peningkatan kekakuan molekul pada suhu rendah menghasilkan kekuatan tarik yang lebih tinggi, tetapi secara bersamaan mengurangi perpanjangan putus, membuat material lebih rapuh.
- Oleh karena itu, desain material untuk tangki kriogenik harus lebih konservatif, dengan mempertimbangkan tingkat SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan yang lebih rendah.
- Ketahanan terhadap perambatan retak: Resin epoksi yang dimodifikasi dengan aditif penguat menunjukkan ketangguhan retak yang lebih baik dan mengurangi risiko retak mikro.
Penggunaan DMA dalam Pengembangan Material untuk Aplikasi Tangki Kriogenik
- Pemilihan dan modifikasi material: DMA membantu select formulasi resin terbaik yang memberikan kombinasi optimal antara modulus dan ketangguhan. Hal ini sangat penting untuk memastikan integritas struktural dan keamanan tangki kriogenik.
- Optimalisasi proses: Dengan menganalisis 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 dan sifat reologi, dimungkinkan 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 dan suhu pemrosesan untuk mencapai sifat mekanik terbaik.
- Jaminan kualitas: Pengujian DMA secara teratur selama produksi bahan dan komponen memastikan bahwa bahan tersebut memiliki sifat yang konsisten dan memenuhi persyaratan yang ketat untuk aplikasi kriogenik.
- Stabilitas jangka panjang: Studi jangka panjang dan siklus suhu berulang dalam DMA memberikan wawasan tentang stabilitas jangka panjang dan keandalan bahan dalam kondisi kriogenik. Hal ini sangat penting untuk keamanan dan umur panjang tangki kriogenik.
Kesimpulan
Analisis termal mekanis dinamis (DMA), atau juga disebut analisis termal mekanis dinamis (DMTA), adalah alat penting dalam pengembangan bahan untuk aplikasi kriogenik. Alat ini memungkinkan evaluasi terperinci atas sifat termo-mekanis resin epoksi dan pengoptimalannya untuk digunakan dalam tangki kriogenik yang diperkuat serat karbon. Melalui penggunaan DMA secara sistematis, bahan dapat dikembangkan yang dapat menahan persyaratan ekstrem dan menawarkan kinerja dan keamanan yang tinggi. Informasi lebih rinci dapat ditemukan dalam tesis Dr Hübner: