Introdução
As resinas epóxi são polímeros termofixos versáteis amplamente utilizados em revestimentos, adesivos estruturais e materiais compostos reforçados com fibras. Elas curam por meio de reações de polimerização e reticulação iniciadas quimicamente. O grau de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações nas quais as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura tem um efeito significativo sobre as propriedades térmicas, mecânicas e químicas do material. Portanto, o controle preciso das condições de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações nas quais as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura é essencial para otimizar o desempenho, minimizar defeitos e garantir uma produção eficiente.
Análise dielétrica
A Análise Dielétrica (DEA) é um método altamente sensível para monitorar o estado de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações nas quais as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura em tempo real. Esta nota de aplicação apresenta o comportamento de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações nas quais as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura de uma resina epóxi em diferentes taxas de aquecimento usando o NETZSCH Dielectric Analysis (DEA) e o software Kinetics Neo para análise cinética, previsão e otimização de processos.
A Figura 1 mostra o instrumento de Análise Dielétrica (DEA), que permite medições in situ do comportamento de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações nas quais as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura de vários materiais reativos. Vários sensores permitem a medição precisa da temperatura, garantindo desempenho e qualidade ideais.
Condições de medição
As condições de medição estão listadas na tabela 1.
Tabela 1: Condições de medição
| Instrumento | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| Material | Resina epóxi |
| taxa de aquecimento | 1, 2 e 3 K/min |
| Sensor | Sensor Idex |
| Frequência | 1 kHz |
Resultados de medição e discussão
A Figura 2 mostra a curva típica de dados experimentais em uma taxa de aquecimento de 1 K/min, obtida usando os parâmetros de medição da tabela 1. A linha de base tangencial foi aplicada. A diminuição inicial da viscosidade do Ionic é causada pela dependência da temperatura da Viscosidade de íonsA viscosidade do íon é o valor recíproco da condutividade do íon, que é calculada a partir do fator de perda dielétrica.viscosidade do íon durante o aquecimento. A linha de base tangencial (DEA Dynamic) depende da temperatura e é calculada como exp(Eav/RT), assumindo a energia de ativação de Arrhenius, Eav, para a Viscosidade de íonsA viscosidade do íon é o valor recíproco da condutividade do íon, que é calculada a partir do fator de perda dielétrica.viscosidade do íon. No entanto, os parâmetros da linha de base são inicialmente determinados separadamente para os reagentes (esquerda) e para os produtos (direita). A linha de base final varia continuamente entre as linhas de base do reagente e do produto e, em seguida, é subtraída dos dados medidos. Como resultado, os dados para análise aparecem horizontalmente antes e depois da reação (veja a Figura 3).
A Figura 3 apresenta os dados experimentais de log (viscosidade iônica) para a resina epóxi curada a taxas de aquecimento de 1, 2 e 3 K/min. A viscosidade iônica aumenta acentuadamente durante a Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações nas quais as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura, e taxas de aquecimento mais altas deslocam o início da Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações nas quais as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura para temperaturas mais altas, resultando em diferentes valores de viscosidade final devido à dependência do processo em relação à temperatura.
Análise cinética
Grau de conversão (Cure)
O grau de conversão, α, é calculado pelo software Kinetics Neo a partir da medição DEA, em que α varia de 0 a 1. Para medições de aquecimento em análise térmica, a conversão é aparentemente definida como o efeito termoanalítico no tempo, t, dividido pelo efeito termoanalítico total no mesmo ponto do tempo. Para DEA, a definição de conversão termoanalítica é a seguinte:
ν0(t) é a linha de base dependente da temperatura para Log (viscosidade iônica) do reagente não curado
νfinal(t) é a linha de base dependente da temperatura para Log (viscosidade iônica) do material curado
ν(t) é a viscosidade iônica atual no momento, t
A Figura 4 apresenta os dados de medição de DEA para a resina epóxi em taxas de aquecimento de 1, 2 e 3 K/min. Um modelo cinético foi estabelecido usando o software Kinetics Neo, com símbolos de losango indicando os dados experimentais e linhas sólidas representando as curvas ajustadas.
Os parâmetros cinéticos da resina epóxi estão detalhados na tabela 2.
Tabela 2: Parâmetros cinéticos para a resina epóxi
| Etapa da reação | A → B |
|---|---|
| Tipo de reação | Cn |
| Energia de ativação | 81.85 |
Log (fator pré-exponencial [Log/ (1/s)] | 7.49 |
| Ordem de reação | 1.11 |
| Log (fator pré-exponencial do Autocat [Log(1/s)] | 0.67 |
| Contribuição | 1 |
| Coeficiente de determinação (R²) | 0.9995 |
Previsão isotérmica
O modelo cinético pode agora ser aplicado para prever o processo de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações nas quais as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura em função do tempo e da temperatura. A Figura 5 exibe o grau de conversão previsto para a Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações nas quais as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura de uma resina epóxi sob diferentes condições isotérmicas de 50°C a 150°C, ilustrando o efeito da temperatura no processo de cura. Em temperaturas mais baixas, a cura é lenta, enquanto temperaturas mais altas aceleram o processo; a conversão total é alcançada rapidamente a 150°C em apenas 0,2 horas (tabela 3).
Tabela 3: Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). Grau de cura (α) vs. temperatura
| Temperatura (°C) | Tempo (horas) | Grau de conversão (α) |
|---|---|---|
| 50 | 5 | 0.033 |
| 90 | 5 | 0.939 |
| 150 | 5 | 1 |
Otimização do processo
A Figura 6(a) demonstra que, em um perfil de temperatura não otimizado, o processo de cura atinge uma conversão de 0,995 em 108 minutos. Em contraste, a Figura 6(b) mostra que, com um perfil de temperatura otimizado, o mesmo nível de conversão é alcançado muito mais rapidamente, em apenas 45 minutos a uma taxa de conversão de 2%/min, o que reduz o tempo de cura em aproximadamente 58,3%. O perfil de temperatura otimizado contém dois segmentos de aquecimento seguidos de isotermas, o que é típico de um processo de cura industrial.
(b) Perfil de temperatura otimizado (linha tracejada) e grau de conversão previsto (linha sólida) para o processo de cura da resina epóxi.
Conclusão
A análise dielétrica (DEA) com o site Kinetics Neo permite o monitoramento preciso e em tempo real e a análise cinética da cura de uma resina epóxi, determinando com eficácia os parâmetros cinéticos e prevendo o Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura sob várias condições.
Os perfis de temperatura previstos por meio de simulação e calculados para manter uma taxa de conversão constante de 2%/min otimizaram o processo de cura. Ao refinar esses perfis, o tempo total de conversão foi reduzido de 108 para 45 minutos, uma redução de aproximadamente 58%.
Benefícios da análise cinética
Otimização de processos e economia de tempo: Perfis de temperatura otimizados reduzem o tempo de cura e diminuem o consumo de energia.
Previsão precisa do comportamento de cura: Fornece previsões confiáveis sob diferentes condições e reduz a abordagem de tentativa e erro.