소개
에폭시 수지는 코팅, 구조용 접착제 및 섬유 강화 복합 재료에 광범위하게 사용되는 다용도 열경화성 폴리머입니다. 에폭시 수지는 화학적으로 시작된 중합 및 가교 반응을 통해 경화됩니다. 경화 정도는 재료의 열적, 기계적, 화학적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 경화 조건을 정밀하게 제어하는 것은 성능을 최적화하고 결함을 최소화하며 효율적인 생산을 보장하는 데 필수적입니다.
유전체 분석
유전체 분석(DEA)은 경화 상태를 실시간으로 모니터링하는 매우 민감한 방법입니다. 이 애플리케이션 노트에서는 동역학 분석, 예측 및 공정 최적화를 위한 NETZSCH 유전체 분석(DEA) 및 Kinetics Neo 소프트웨어를 사용하여 다양한 가열 속도에서 에폭시 수지의 경화 거동을 보여줍니다.
그림 1은 다양한 반응성 재료의 경화 거동을 현장에서 측정할 수 있는 유전체 분석(DEA)용 기기를 보여줍니다. 여러 센서를 통해 온도를 정밀하게 측정할 수 있어 최적의 성능과 품질을 보장합니다.
측정 조건
측정 조건은 표 1에 나와 있습니다.
표 1: 측정 조건
| 기기 | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| 재료 | 에폭시 수지 |
| 가열 속도 | 1, 2, 3 K/min |
| 센서 | 아이덱스 센서 |
| 주파수 | 1 kHz |
측정 결과 및 토론
그림 2는 표 1의 측정 파라미터를 사용하여 얻은 1K/min의 가열 속도에서 일반적인 실험 데이터 곡선을 보여줍니다. 탄젠셜 기준선이 적용되었습니다. Ionic 점도의 초기 감소는 가열 중 이온 점도의 온도 의존성에 의해 발생합니다. 접선(DEA 동적) 기준선은 온도에 따라 달라지며 이온 점도에 대한 아레니우스 활성화 에너지인 Eav를 가정하여 exp(Eav/RT)로 계산됩니다. 그러나 기준선 파라미터는 처음에 반응물(왼쪽)과 제품(오른쪽)에 대해 별도로 결정됩니다. 최종 기준선은 반응물과 제품 기준선 사이에서 지속적으로 변화하며 측정된 데이터에서 차감됩니다. 결과적으로 분석 데이터는 반응 전과 후 모두 수평으로 나타납니다(그림 3 참조).
그림 3은 1, 2, 3 K/min의 가열 속도로 경화된 에폭시 수지에 대한 실험 로그(이온 점도) 데이터를 보여줍니다. 경화 중에 이온 점도가 급격히 증가하고 가열 속도가 높을수록 경화 시작 시점이 더 높은 온도로 이동하여 공정의 온도 의존성으로 인해 최종 점도 값이 달라집니다.
키네틱 분석
전환 정도(치료)
변환 정도인 α는 Kinetics Neo 소프트웨어에서 DEA 측정에서 계산되며, α의 범위는 0에서 1까지입니다. 열 분석에서 가열 측정의 경우, 변환은 분명히 시간 t의 열 분석 효과를 같은 시점의 총 열 분석 효과로 나눈 값으로 정의됩니다. DEA의 경우 열 분석 변환의 정의는 다음과 같습니다:
ν0(t)는 경화되지 않은 반응물의 Log(이온 점도)에 대한 온도 의존적 기준선입니다
νfinal(t)은 경화된 재료의 Log(이온 점도)에 대한 온도 의존적 기준선입니다
ν(t) 는 특정 시점의 현재 이온 점도(t)입니다
그림 4는 1, 2, 3 K/min의 가열 속도에서 에폭시 수지에 대한 DEA 측정 데이터를 보여줍니다. 마름모 기호는 실험 데이터를 나타내고 실선은 피팅된 곡선을 나타내는 Kinetics Neo 소프트웨어를 사용하여 동역학 모델을 설정했습니다.
에폭시 수지의 동역학 파라미터는 표 2에 자세히 나와 있습니다.
표 2: 에폭시 수지의 동역학 파라미터
| 반응 단계 | A → B |
|---|---|
| 반응 유형 | Cn |
| 활성화 에너지 | 81.85 |
로그(지수 전 계수 [로그/(1/s)]] | 7.49 |
| 반응 순서 | 1.11 |
| 로그(오토캣 사전 지수 계수 [Log(1/s)]) | 0.67 |
| 기여도 | 1 |
| 결정 계수(R²) | 0.9995 |
등온 예측
이제 동역학 모델을 적용하여 시간과 온도의 함수로서 경화 과정을 예측할 수 있습니다. 그림 5는 50°C에서 150°C까지 다양한 등온 조건에서 에폭시 수지의 경화에 대한 예측된 변환 정도를 보여 주며, 경화 프로세스에 대한 온도의 영향을 보여줍니다. 온도가 낮을수록 경화 속도가 느리고 온도가 높을수록 경화 속도가 빨라지며 150°C에서는 0.2시간 이내에 완전 변환이 빠르게 이루어집니다(표 3).
표 3: 경화 정도(α)와 온도 비교
| 온도(°C) | 시간(시간) | 변환 정도(α) |
|---|---|---|
| 50 | 5 | 0.033 |
| 90 | 5 | 0.939 |
| 150 | 5 | 1 |
프로세스 최적화
그림 6(a)는 최적화되지 않은 온도 프로파일에서 경화 공정이 108분 이내에 0.995의 변환에 도달하는 것을 보여줍니다. 반면, 그림 6(b)는 최적화된 온도 프로파일을 사용하면 2%/분의 전환율로 45분 이내에 동일한 전환 수준에 훨씬 빠르게 도달하여 경화 시간이 약 58.3% 단축됨을 보여줍니다. 최적화된 온도 프로파일에는 산업용 경화 공정에서 흔히 볼 수 있는 두 개의 가열 세그먼트와 등온선이 포함되어 있습니다.
(b) 에폭시 수지 경화 공정에 대한 최적화된 온도 프로파일(점선) 및 예상 변환 정도(실선).
결론
유전체 분석( Kinetics Neo )을 사용하면 에폭시 수지의 경화를 실시간으로 정밀하게 모니터링하고 동역학적으로 분석하여 다양한 조건에서 경화 정도를 효과적으로 결정하고 경화 정도를 예측할 수 있습니다.
시뮬레이션을 통해 예측된 온도 프로파일은 경화 속도를 2%/분으로 일정하게 유지하도록 계산되어 경화 프로세스를 최적화했습니다. 이러한 프로파일을 세분화하여 총 경화 시간을 108분에서 45분으로 단축하여 약 58% 단축했습니다.
키네틱 분석의 이점
프로세스 최적화 및 시간 절약: 최적화된 온도 프로파일로 경화 시간을 단축하고 에너지 소비를 줄입니다.
경화 거동에 대한 정확한 예측: 다양한 조건에서 신뢰할 수 있는 예측을 제공하고 시행착오를 줄입니다.