Analisis DSC pada Termoset

Dr. Sascha Englich adalah seorang Profesor untuk Teknik Plastik di Universitas Steinbeis Berlin dan ahli untuk bahan plastik dan teknologi proses di Schwarz Plastic Technologies*. Sebagai bagian dari seri blog baru untuk optimalisasi cetakan injeksi resin epoksi dengan menggunakan kalorimetri pemindaian diferensial dan reologi, ia telah mempresentasikan laporan tentang "Cetakan Injeksi Termoseting dalam E-Mobilitas" serta "Resin Epoksi - Polimer Reaktif sebagai Dasar untuk Senyawa yang Dapat Dicetak dengan Injeksi".

Dalam artikel hari ini, Anda akan mempelajari lebih lanjut mengenai pengoptimalan 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 dengan menggunakan differential scanning calorimetry, disingkat DSC.

Prinsip fungsional kimia-fisik dasar dari bahan termoset, yaitu ikatan silang senyawa molekul rantai yang relatif pendek untuk membentuk jaringan molekul 3 dimensi, dan penentuan hal yang sama dengan menggunakan analisis DSC telah dijelaskan dalam artikel blog "Resin Epoksi - Polimer Reaktif sebagai Dasar untuk Senyawa yang Dapat Dicetak dengan Injeksi". Pada prinsipnya, hal ini juga berlaku untuk semua bahan termoset yang relevan secara industri, seperti:

• Resin fenolik (PF)
• Resin poliester tak jenuh (UP)
• Resin vinil ester (VE)
• Resin melamin (MF)
• Resin urea (UF)
• Resin epoksi (EP)
  

Namun demikian, secara detail, ada perbedaan antara masing-masing jenis termoset, yang memiliki pengaruh signifikan pada pemrosesan dan analisis. Salah satu alasannya adalah jenis 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, yang serupa dengan reaksi sintesis termoplastik. Perbedaan dibuat antara poliadisi, polimerisasi, dan polikondensasi.

Tidak Semua Termoset Itu Sama

Pada Gambar 1, prinsip reaksi kimia yang berbeda ditunjukkan dengan skema menggunakan "rantai molekul" satu dimensi. Perbedaan yang paling penting dan relevan adalah bahwa reaksi polikondensasi selalu terjadi dengan pemisahan produk sampingan yang mudah menguap dan bermolekul rendah di bawah suhu pemrosesan yang khas untuk senyawa cetakan termoset. Produk pemisahan ini dapat, misalnya, berupa air atau amonia dan harus diperhitungkan secara ketat untuk pemrosesan dan analisis. Termoset yang berikatan silang melalui reaksi polikondensasi termasuk resin fenolik (PF) serta resin amino (UF, MF, MP).

Jenis lain dari senyawa cetakan termoset juga memiliki komponen yang mudah menguap; namun, ini tidak dihasilkan dari 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, yang disebut sebagai bahan BMC dan SMC(SenyawaCetakanMassal, SenyawaCetakanLembaran). Sebagian besar merupakan senyawa yang berbahan dasar poliester tak jenuh (UP) atau vinil ester (VE), yang diberikan konsistensi seperti adonan dengan menambahkan senyawa stirena. Senyawa stirena ini sebagian dipolimerisasi, tetapi juga sebagian hilang sebagai komponen yang mudah menguap.

Seperti yang ditunjukkan, komponen yang mudah menguap harus dipertimbangkan selama pemrosesan dan analisis. Untuk analisis DSC, komponen yang mudah menguap dengan molekul rendah berarti di satu sisi terjadi transformasi fase dari cair ke gas - PenguapanPenguapan suatu unsur atau senyawa adalah transisi fase dari fase cair ke uap. Ada dua jenis penguapan: penguapan dan pendidihan.penguapan - selama pengukuran. Hal ini diukur sebagai efek endotermal dalam sinyal aliran panas dan akan melapisi 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 yang terjadi secara bersamaan. Karakterisasi yang jelas dari puncak reaksi EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal dengan demikian tidak mungkin dilakukan. (Vgl. Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Terlepas dari kualitas pengukuran itu sendiri, komponen yang mudah menguap yang masuk ke dalam sel pengukuran instrumen DSC menyebabkan kontaminasi yang parah. Gambar 2 menunjukkan tiga jenis wadah DSC yang berbeda yang digunakan untuk karakterisasi senyawa cetakan termoseting:

Wadah Manakah yang Tepat?

Crucible/tutup aluminium yang dapat dilas dingin biasanya digunakan untuk senyawa cetakan epoksi (reaksi adisi tanpa produk sampingan), di mana tutupnya biasanya juga ditusuk. Hal ini mencegah tutup tipis menggembung karena ekspansi udara di dalam wadah, yang akan menghasilkan efek endotermal karena peningkatan volume.

Dalam kasus senyawa cetakan yang mengandung komponen yang mudah menguap atau melepaskannya 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. reaksi pengikatan silang - ini termasuk resin fenolik dan resin amino (reaksi kondensasi dengan produk sampingan) serta bahan BMC dan SMC dengan basis poliester dan vinil ester - penggunaan wadah aluminium yang dilas dingin tidaklah tepat. Dalam wadah aluminium yang tidak ditindik, produk kondensasi tidak dapat berevolusi pada awalnya, sehingga menghasilkan peningkatan tekanan yang stabil di bagian dalam yang juga mencegah PenguapanPenguapan suatu unsur atau senyawa adalah transisi fase dari fase cair ke uap. Ada dua jenis penguapan: penguapan dan pendidihan.penguapan. Dengan meningkatnya tekanan, terjadi kebocoran mendadak pada sambungan tutup wadah yang dilas dingin. Dalam wadah aluminium yang ditusuk, produk kondensasi dapat dengan bebas menguap dan keluar. Dengan demikian, entalpi PenguapanPenguapan suatu unsur atau senyawa adalah transisi fase dari fase cair ke uap. Ada dua jenis penguapan: penguapan dan pendidihan.penguapan endotermal tumpang tindih 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. reaksi pengikatan silangEksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal. Evaluasi yang berarti dari puncak reaksi tidak mungkin dilakukan pada kedua kasus tersebut (gbr. 3).

Inilah alasan mengapa krusibel baja kedap tekanan digunakan untuk jenis senyawa cetakan ini. Crucible yang ditekan secara ketat dengan penyegelan elastomer pada umumnya digunakan. Kekencangan tekanan 20 bar sudah cukup untuk senyawa cetakan termoseting tipikal, karena kandungan resin dalam senyawa cetakan yang menghasilkan komponen yang mudah menguap, biasanya rendah. Hanya batas suhu atas yang rendah yaitu 250°C (batas aplikasi termal segel elastomer) yang dapat menyebabkan pengukuran puncak pengikatan silang EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal yang tidak memadai pada laju pemanasan yang lebih tinggi dari 10 hingga 15 K/menit. Jika, misalnya, laju pemanasan yang lebih tinggi diperlukan untuk penentuan/pemodelan kinetika reaksi, cawan lebur baja berulir juga dapat digunakan.

Gambar 4 menunjukkan contoh kurva DSC untuk berbagai jenis senyawa cetakan termoseting. "Bentuk puncak" yang berbeda untuk entalpi pengikatan silang dapat dilihat dengan jelas. Berdasarkan evaluasi puncak, perilaku utama pemrosesan/pengerasan dapat diturunkan. Temperatur awal dan puncak menghasilkan informasi tentang dinamika reaksi dan, jika diperlukan, pengaruh katalis atau penghambat pada permulaan 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 (temperatur) dan laju 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.

Dengan menggunakan puncak senyawa cetakan resin fenolik pada Gambar 4, juga dapat dilihat bahwa efek termal yang terukur (entalpi reaksi) sebagian sangat rendah. Alasan untuk ini adalah tingkat pengisian senyawa cetakan termoseting, yang sebagian sangat tinggi. Pada contoh resin fenolik ini, ini adalah bahan dengan kandungan resin "hanya" 20%. Fakta ini harus dipertimbangkan sewaktu penyiapan sampel dengan menggunakan jumlah sampel yang lebih tinggi.

Entalpi reaksi juga dapat digunakan untuk menarik kesimpulan tentang kondisi penyimpanan senyawa cetakan termoseting. "Kondisi penyimpanan" juga dapat ditentukan dengan cara yang sama seperti kondisi pengikatan silang pada komponen bangunan, seperti yang dijelaskan dalam artikel blog "Resin Epoksi - Polimer Reaktif sebagai Dasar untuk Senyawa yang Dapat Dicetak dengan Injeksi". Gambar 5 menyajikan pengukuran komparatif pada senyawa cetakan epoksi yang "segar" versus yang "tersimpan". Perubahan yang berkaitan dengan dinamika reaksi dan entalpi reaksi dapat dilihat dengan jelas.

Metodologi Persiapan dan Pengukuran Sampel yang Optimal

Dengan mempertimbangkan semua keanehan yang khas dari senyawa cetakan termoseting, kriteria berikut untuk persiapan sampel dan metodologi pengukuran telah terbukti tepat (gambar 6):

• Persiapan butiran menjadi bubuk halus, tanpa masukan panas jika memungkinkan (misalnya, mortir)
• Pemanfaatan, jika memungkinkan, seluruh volume wadah untuk sampel: massa reaktif yang banyak akan meningkatkan kekuatan sinyal
• Pemadatan sampel dalam wadah oleh probe: kontak yang baik dengan dasar wadah; sedikit udara sebagai isolator termal dalam sampel
• Penggunaan cawan lebur aluminium yang ditusuk untuk resin epoksi
• Penggunaan cawan lebur baja yang tertutup rapat untuk zat-zat seperti resin fenolik, resin amino, resin poliester tak jenuh, dan resin vinil ester
• Laju pemanasan 20 K/menit untuk cawan lebur aluminium dan 10 K/menit untuk cawan lebur baja
• Penerapan pemanasan kedua (sampel yang sepenuhnya mengeras dalam wadah) untuk koreksi dasar memfasilitasi evaluasi puncak

Pada artikel berikutnya, Prof. Dr. Sascha Englich akan melaporkan simulasi kinetik dari proses tersebut. Nantikan terus!

^{*Schwarz Plastic Technologies adalah perusahaan konsultan untuk tantangan khusus dalam industri plastik dengan fokus pada teknik, teknologi proses, dan pemasaran khusus plastik.}