Onderzoek naar fasescheiding in elastomeergeharde lijmen met DMA

Er is tegenwoordig een breed assortiment lijmen op de markt, waaronder epoxy's, siliconen, polyurethanen, cyanoacrylaten, anaërobe lijmen enzovoort, met toepassingen in de auto-industrie, de bouw, de vliegtuigbouw, de elektronica-industrie en de medische hulpmiddelenindustrie, naast chirurgische en algemene huishoudelijke toepassingen. Het gebruik van lijmen in dragende toepassingen vereist weerstand tegen het ontstaan en de groei van scheuren, oftewel taaiheid. Veel van de polymeren die in lijmen worden gebruikt, zijn relatief brosse materialen. Om hun taaiheid te verbeteren, worden verschillende vulstoffen of hardingsmiddelen in de lijmformules opgenomen.

Fasescheiding treedt op tijdens het proces van omzetting van monomeer in polymeer, d.w.z. polymerisatie of uitharding, van de geharde lijm. Inzicht in het fasescheidingsgedrag onder verschillende uithardingsomstandigheden en de ontwikkeling van de morfologie zijn belangrijke stappen voor het identificeren van het mechanisme van fasescheiding. Dynamische mechanische analyse (DMA) is een veelzijdige techniek voor het karakteriseren van verschillende polymeermengsels en dus ook van geharde lijmen. Er zijn verschillende testmethoden beschikbaar, afhankelijk van de toepassing of het monstermateriaal.

Dit redactioneel geeft een samenvatting van de toepassing van de NETZSCH DMA 242 E Artemis in het onderzoek naar thermische eigenschappen en fasescheiding in elastomeergeharde ethylcyanoacrylaat klevende bulkfilms, dat in detail is gepubliceerd in het International Journal of Adhesion and Adhesives in 2020 [1]. Bulkfilms werden bij kamertemperatuur uitgehard, zowel met als zonder voorgemengde initiatoren, tussen poly(ethyleen)-substraten (PE) en in een poly(tetrafluorethyleen)-vorm (PTFE).

Harding van cyanoacrylaat (CA) lijmen

Cyanoacrylaat (CA) lijmen zijn uniek onder de vele lijmsoorten door hun snelle uitharding bij kamertemperatuur en hoge sterkte in gesloten verbindingen. Daarom zou het taai maken van deze lijmsystemen een groot voordeel zijn.

Overgangen in polymeren kunnen worden gemeten door de verandering in Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus, Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus of verliesfactor tijdens een DMA-temperatuurscan te meten. Deze veranderingen zijn afhankelijk van het relaxatiegedrag van de polymeerketens. Een van de belangrijkste overgangen in polymeren is de glasovergangstemperatuur (_Tg), die wordt aangegeven door de scherpe afname in het signaal van de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus. Bij deze temperatuur vertonen de signalen van de Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus en de verliesfactor een piek. De temperatuur waarbij de piekwaarde van het verliesfactorsignaal (tan δ) optrad, werd gekozen als de glasovergangstemperatuur.

Hoewel materialen boven, onder en binnen het glasovergangsgebied kunnen worden gebruikt, worden lijmen meestal daaronder gebruikt omdat de stijfheid dan afneemt, wat betekent dat een lijmverbinding niet langer functioneel is.

Het mengsel van ethylcyanoacrylaat en elastomeer zal bij uitharding van het cyanoacrylaatmonomeer fasescheiden. De toename van het moleculaire gewicht van cyanoacrylaat leidt tot fasescheiding. Als er volledige fasescheiding van het elastomeer optreedt, moeten er twee glasovergangstemperaturen te zien zijn in de DMA-curve, namelijk de _Tg van het gefaseerd gescheiden elastomeer en de _Tg van het cyanoacrylaatpolymeer.

Er werden drie gebieden geïdentificeerd in de DMA-curven zoals weergegeven in figuur 2, namelijk bij lage temperatuur tussen -55 °C en 0 °C, een schouder tussen 50 °C en 110 °C en een ander gebied tussen 110 °C en 160 °C.

Het bestaan van de verandering in Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus en verliesfactor tussen -55 °C en 0 °C, die overeenkomt met het glasovergangsgebied van het elastomeer (afzonderlijke DMA-scan van het elastomeer dat wordt gebruikt als ^{verhardingsmiddel1}), bevestigt dat het elastomeer tijdens de polymerisatie fasescheidde. De intensiteit van de tan δ piek geeft de hoeveelheid gefaseerd gescheiden elastomeer aan. Het gebied tussen 110 °C en 160 °C is het _Tg-gebied van poly-CA.

De schouder tussen 50°C en 110°C heeft ongeveer dezelfde intensiteit voor beide monsters. Men denkt dat dit gebied een mengsel is van cyanoacrylaatmonomeer en elastomeer. De fasescheiding van het elastomeer stopt op het moment dat de viscositeit snel begint te stijgen. Dus bij de gelatietemperatuur, d.w.z. de overgang van een materiaal van een vloeibare naar een vaste fase, stopt de fasescheiding en wordt de morfologie op zijn plaats gehouden. Om Identify de oorsprong van het gebied tussen 50°C en 110°C te bepalen, werd een monster van de bulkfilm verwarmd tot 110°C, wat beschouwd wordt als de bovengrens van het gebied, gevolgd door een tweede verhitting tot voorbij de _Tg van het poly-CA. Na de^tweede verwarmingsstap is de tan δ curve die overeenkomt met het gebied tussen 50 en 110 °C afgevlakt en is een toename van de tan δ piek van het elastomeer waargenomen, samen met een toename van de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus. Dit resultaat geeft aan dat om een volledige fasescheiding van het elastomeer te verkrijgen, een thermische behandeling kan worden toegepast die bestaat uit één stap verhitting tot 110 °C.

Vergelijkbare resultaten werden verkregen voor de bulkfilms die werden uitgehard met gebruik van initiatoren. Het gebruik van initiatoren beïnvloedde echter het fasescheidingsgedrag van het elastomeer.

Bron

[1] Tatiana Ștefanov, Bernard Ryan, Alojz Ivanković, Neal Murphy. (2020). Dynamic mechanical analysis of carbon black filled, elastomer-toughened ethyl cyanoacrylate adhesive bulk films. International Journal of Adhesion and Adhesives, 101:102630. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2020.102630.