15.04.2021 by Milena Riedl
How to Detect Cure State of Pre-Cured Composite Samples
Popular materials for lightweight applications are glass and carbon fiber-reinforced plastics. The properties of the composite material are determined by the manufacturing process conditions. Therefore, it is crucial to know the curing state reached during manufacturing as well as the correlation between the Glass Transition TemperatureThe glass transition is one of the most important properties of amorphous and semi-crystalline materials, e.g., inorganic glasses, amorphous metals, polymers, pharmaceuticals and food ingredients, etc., and describes the temperature region where the mechanical properties of the materials change from hard and brittle to more soft, deformable or rubbery.glass transition temperature and degree of cure.
Bahan yang populer untuk aplikasi ringan, seperti helikopter, pesawat terbang, dan mobil, adalah kaca dan plastik yang diperkuat serat karbon. Secara tradisional, resin reaktif, seperti epoksi, poliester tak jenuh dan poliuretan, digunakan untuk impregnasi. Jaringan ikatan silang yang penting dicapai dengan reaksi kimia. "Selama pengikatan silang pada suhu yang cukup tinggi, material berubah dari cairan melalui gel menjadi padatan seperti kaca" [1]. Oleh karena itu, sifat-sifat material komposit ditentukan oleh kondisi proses manufaktur dan tidak hanya sifat-sifat komponen dasar.
Dengan demikian, dalam proses teknis dan untuk menentukan kondisi manufaktur yang optimal, sangat penting untuk mengetahui kondisi curing yang dicapai selama proses manufaktur serta korelasi antara temperatur transisi gelas (Tg) dan derajat curing. Khususnya, pengetahuan tentang penyembuhan penuh (Tg∞) adalah penting karena suhu produksi harus mendekati atau melebihi Tg∞ untuk menyelesaikan reaksi dalam waktu penyembuhan yang wajar. Jika tidak, vitrifikasi akan mencegah atau menunda 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 penuh.
Makalah ilmiah "Deteksi kondisi curing untuk prepreg epoksi yang diperkuat serat karbon yang telah diawetkan sebelumnya (CFC) menggunakan Kalorimetri Pemindaian Diferensial Termodulasi Suhu (TMDSC)" oleh W. Stark, M. Jaunich, dan J. McHugh diterbitkan dalam Journal Polymer Testing. Penelitian ini bertujuan untuk "menentukan korelasi antara suhu transisi kaca aktual, derajat curing dan waktu curing pada suhu 180°C untuk prepreg serat karbon (CFR) [...] dengan menggunakan metode TMDSC" [1].
Apa yang dimaksud dengan Kalorimetri Pemindaian Diferensial Termodulasi Suhu (TM-DSC)?
Differential Scanning Calorimetry (DSC ) tradisional digunakan untuk menyelidiki 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 sampel yang telah diawetkan sebelumnya untuk jangka waktu yang berbeda dalam eksperimen non-IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal. Dengan cara ini, dimungkinkan untuk menentukan korelasi antara Tg dan 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 hanya dalam satu kali pengukuran. "Eksperimen ini bekerja dengan baik ketika suhu reaksi lebih tinggi dari suhu transisi gelas maksimal. [...] Situasinya menjadi lebih kompleks ketika suhu transisi kaca aktual berada dalam kisaran suhu yang sama dengan reaksi pasca-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. Istilah suhu transisi kaca aktual (Tgact) akan digunakan untuk nilai yang dicapai dengan 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 parsial, yang terletak di antara Tg0 dari resin rapi dan Tg∞. Dalam banyak kasus, vitrifikasi terjadi selama pengawetan parsial, karena suhu pengawetan lebih rendah dari Tg∞" [1].
DSC yang dimodulasi suhu memungkinkan pemisahan transisi kaca dan fenomena reaksi ikatan silang. Sampel tidak hanya mengalami laju pemanasan linier, tetapi juga variasi suhu sinusoidal. Metode ini mengarah pada pemisahan apa yang disebut bagian yang membalik dan tidak membalik dari aliran panas. Efek pembalikan adalah, misalnya, transisi kaca serta peleburan dan KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi. Perubahan panas spesifik pada transisi kaca menjadi jelas. Proses yang tidak membalikkan adalah fungsi waktu dan tidak dapat diulang seperti efek curing dan tempering. Proses ini dihitung sebagai perbedaan antara aliran panas total dan aliran panas pembalikan. Dari sini, reaksi pengawetan EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik dapat dikurangi.
Untuk semua pengukuran, NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® bersama dengan alat perangkat lunak opsional untuk modulasi suhu (TM-DSC) dari perangkat lunak analisis Proteus® digunakan.
Informasi tingkat tinggi dari pengukuran DSC konvensional
Untuk mendapatkan informasi pertama pada tingkat yang lebih tinggi, bahan prepreg yang tidak diawetkan dianalisis dengan pengukuran DSC standar pada laju pemanasan 2, 10 dan 20 K/menit. "Semakin tinggi laju pemanasan, semakin jelas langkah aliran panas pada Tg0. Inilah alasan mengapa laju pemanasan tinggi 20 K/menit direkomendasikan untuk deteksi transisi kaca menggunakan DSC" [1]. Awal 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 eksotermis terdeteksi dari suhu sekitar 140°C. Selain itu, dua puncak EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik yang jelas diamati sebagai indikasi reaksi dua langkah atau beberapa langkah. Tgact tidak dapat dikenali dalam kurva.
Menggunakan TM-DSC pada prepreg serat karbon yang tidak diawetkan
Berdasarkan hasil yang dipublikasikan sebelumnya, parameter periode modulasi dipilih dan berada pada 60 detik. Laju pemanasan setinggi mungkin menguntungkan untuk menentukan Tg. Oleh karena itu, 10 K/menit dipilih sebagai laju pemanasan tertinggi yang mungkin.
Gambar 1 menampilkan perilaku tipikal pengukuran DSC termodulasi suhu. Aliran panas menunjukkan efek dari modulasi yang dilapiskan. Gambar 2 menampilkan sinyal pembalikan dan non-pembalikan serta sinyal total. Terlihat bahwa Tg0 dari sinyal pembalikan dan sinyal total memiliki kesesuaian yang baik. Seperti yang diharapkan, hal ini menunjukkan bahwa penggunaan metode lanjutan ini tidak memiliki keuntungan khusus untuk bahan ini. Hanya ketika mengukur sampel yang diawetkan sebagian di mana suhu transisi gelas dan suhu reaksi berdekatan, metode modulasi suhu diperlukan untuk mengamati efek ini.
Pengukuran TM-DSC sampel yang telah diawetkan sebelumnya dan penentuan vitrifikasi
Oleh karena itu, analisis lebih lanjut dengan sampel yang diawetkan pada suhu 180°C selama 30 menit dilakukan. Modulasi suhu yang berbeda diterapkan, sedangkan parameter pengukuran lainnya tetap sama.
Pada akhir setiap pengukuran, perbedaan dalam sinyal pembalikan dapat diamati, yang kemudian dianalisis lebih lanjut. Para penulis makalah menemukan bahwa "pada akhir reaksi, perubahan aliran panas terlalu cepat untuk periode modulasi. Oleh karena itu, modulasi simetris terganggu" [1].
Hasil penelitian menunjukkan bahwa suhu awal reaksi yang tersisa meningkat secara signifikan dengan pra-pengawetan. Hanya pada sinyal pembalikan yang dihasilkan oleh TMDSC, suhu transisi kaca Tgact dapat dideteksi secara jelas. Korelasi yang erat antara suhu pada awal reaksi dan Tgact diamati, yang dapat mengindikasikan vitrifikasi. Untuk memverifikasi hal ini, tingkat penyembuhan dihitung dengan menggunakan entalpi reaksi pada pasca reaksi:
Di mana α adalah tingkat penyembuhan (0 hingga 1), ΔHr adalah panas sisa dan ΔHt adalah panas total.
Para penulis menemukan tingkat penyembuhan sekitar 72%.
Korelasi antara tingkat penyembuhan dan waktu penyembuhan
Untuk menentukan hubungan antara tingkat pengawetan dan waktu pengawetan, sampel yang telah diawetkan sebelumnya diukur antara 10 menit dan 5 jam dengan mensimulasikan waktu pengawetan dalam DSC yang dimodulasi suhu (parameter lain dijaga konstan: laju pemanasan yang mendasari: 10 K / menit, amplitudo modulasi: 1,6 K, periode modulasi: 60 s).
"Dengan bertambahnya waktu reaksi, suhu transisi kaca yang sesungguhnya meningkat. Selain itu, suhu awal reaksi pasca-pengawetan juga meningkat dan jumlah panas yang dilepaskan berkurang" [1].
Setelah menghitung tingkat penyembuhan, analisis menunjukkan bahwa "bagian utama dari reaksi berlangsung selama 60 menit pertama" [1]. Setelah itu, tingkat pengawetan dan Tgact tumbuh hampir linier.
Menemukan korelasi antara kondisi pengawetan dengan TM-DSC
Penelitian ilmiah oleh W. Stark dkk. menyoroti bahwa analisis DSC termodulasi suhu (TM-DSC) memungkinkan untuk mendeteksi kondisi curing prepreg epoksi serat karbon yang telah diawetkan sebelumnya (CFC). Metode termoanalitik digunakan untuk menemukan korelasi antara kondisi pengawetan, tingkat pengawetan dan suhu transisi gelas karena TMDSC "memungkinkan penentuan yang lebih baik dari suhu transisi gelas, yang sering disertai dengan reaksi pengawetan EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik dan dengan demikian dibayangi" [1] dalam pengukuran DSC standar.
Pengetahuan tentang suhu transisi kaca sebagai fungsi dari tingkat penyembuhan sangat penting dalam menentukan kondisi manufaktur yang optimal dan menghindari vitrifikasi.
Sumber
[1] Stark, W., Jaunich, M. , McHugh, J. (2013): Deteksi status curing untuk prepreg epoksi yang diperkuat serat karbon (CFC) yang telah diawetkan sebelumnya menggunakan Kalorimetri Pemindaian Diferensial Termodulasi Suhu (TMDSC), Pengujian Polimer, http://dx.doi.org/10.1016/j.polymertesting.2013.07.007