Deblocați rășinile epoxidice: Optimizați turnarea prin injecție acum!

Prof. Dr. Ing. Sascha Englich este profesor de ingineria materialelor plastice la Universitatea Steinbeis din Berlin și expert pentru materiale plastice și tehnologia proceselor la Schwarz Plastic Technologies*. Ca parte a unei noi serii de bloguri privind optimizarea turnării prin injecție a rășinilor epoxidice utilizând calorimetria cu scanare diferențială, el explică astăzi, printre altele, diferența dintre starea materialului nepolimerizat și cea reticulată și vorbește despre modelele de simulare.

Rășinile epoxidice nu ne sunt atât de necunoscute pe cât par la prima vedere. La urma urmei, oricine a reparat vreodată ceva cu un adeziv bicomponent este deja familiarizat cu acest material și cu caracteristicile sale particulare. Astfel, o rășină este amestecată cu un întăritor (figura 7, stânga), punând astfel în mișcare o reacție chimică de reticulare (figura 4, centru) - adică procesul de întărire. Componentele denumite în general "fibră de carbon" sau "carbon" se bazează, de asemenea, pe sisteme precum aceste rășini epoxidice-întăritori. În acest caz, acestea, care aici servesc și ca adeziv, se infiltrează inițial în mănunchiurile de fibre în timpul producției și formează o legătură fermă. Cu toate acestea, același principiu chimic al rășinii și întăritorului poate fi găsit în compușii de turnare termoset pentru turnarea prin injecție (figura 7 din dreapta), descriși deja în primul nostru articol din¹¹ mai, "Turnarea prin injecție termoset în E-Mobility". Și aici s-a discutat despre un sistem rășină-întăritor, dar ajustat astfel încât să se prezinte ca un solid și să nu prezinte aproape nicio reacție chimică la temperaturi moderate (ușor răcit până la temperatura camerei). Prin urmare, aceste materiale pot fi fabricate ca materiale de turnare gata preparate (rășină, întăritor, materiale de umplutură și de armare, aditivi etc.) sub formă de granule și depozitate pentru o anumită perioadă de timp. Numai la temperaturi ridicate reacția chimică de reticulare se declanșează într-un ritm accelerat, ceea ce poate fi valorificat în prelucrarea matrițelor de injecție încălzite.

adeziv din rășină epoxidică bicomponentă, diagrama structurii de reticulare și granule de rășină epoxidică neagră pentru turnare prin injecție. — Fig. 1: adeziv din rășină epoxidică bicomponentă (stânga); principiul de reticulare chimică al unui sistem de întărire a rășinii epoxidice (exemplu); compus de turnare din rășină epoxidică (dreapta).

Această configurație a materialului, constând inițial dintr-o rășină și un întăritor care se combină apoi pentru a forma o rețea tridimensională, oferă, de asemenea, posibilitatea de a investiga structura materialului și modificările acestuia prin intermediul metodelor termoanalitice (de exemplu, DSC).

Starea materialului nepolimerizat față de starea materialului reticulat

În acest caz, trebuie să se facă o diferențiere între starea materialului nepolimerizat și starea materialului reticulat. Rășina oligomerică nepolimerizată este prezentă în stare amorfă, astfel încât transformarea de fază de la solid la lichid (tranziția vitroasă) poate fi măsurată prin analiza DSC (Calorimetrie diferențială cu baleiaj). În semnalul fluxului de căldură, apare o "treaptă" (în figura 2, aproximativ între 60°C și 90°C). Motivul este modificarea capacității termice specifice a materialului în timpul transformării de fază. Evaluarea treptei descrie intervalul de tranziție vitroasă cu temperatura de tranziție vitroasă_{TG_0} (figura 2, tranziția vitroasă) a rășinii nevindecate, oferind astfel o indicație inițială a temperaturii de prelucrare mai scăzute necesare pentru plastificare în mașina de turnare prin injecție.

Privind evoluția ulterioară a semnalului fluxului de căldură, la temperaturi mai ridicate apare un efect ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermal, reprezentat ca un vârf (figura 2, vârf complex [ISO]). Acest vârf ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermal caracterizează reacția chimică de reticulare, aria vârfului reprezentând căldura de reacție și integrala entalpiei de reacție. Evoluția integralei (figura 2, rutina de evaluare utilizând integrala vârfului) descrie procesul de reticulare. Dacă integrala vârfului este derivată ca funcție de timp (da/dt), se obține dinamica reacției. Din punctul de vedere al prelucrării, de exemplu, o limită superioară a temperaturii pentru plasticizare poate fi derivată din punctul de plecare al vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermal, iar o temperatură optimă a sculei poate fi derivată din vârful integralei.

Graficul analizei DSC a rășinii epoxidice nepolimerizate care arată fluxul termic, tranziția vitroasă și vârfurile reacției de reticulare pentru optimizarea materialului. — Fig. 2: Analiza DSC a unui compus din rășină epoxidică (nepolimerizat), exo ⬆

Figura 3 prezintă diferitele rezultate ale analizei DSC pentru o rășină epoxidică în diferite stări de reticulare. După cum s-a descris deja anterior, materialul de pornire nepolimerizat (figura 3, graficul superior) prezintă un interval clar de tranziție vitroasă cu temperatura de tranziție vitroasă_{TG_0}, precum și vârful de reticulare ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermal ulterior. Integrala vârfului (aria) descrie entalpia totală de reticulare.

Graficul din mijlocul figurii 3 prezintă semnalul DSC al unei componente turnate prin injecție, dar cu reticulare incompletă. Un interval de tranziție vitroasă nu mai poate fi recunoscut, deoarece acesta continuă să crească dinamic în timpul măsurătorii, post-cristalizarea începând la temperaturi ridicate. După cum s-a indicat deja, vârful ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermal descrie reticularea ulterioară sau reticularea reziduală. Din raportul dintre entalpia întregii reticulații și entalpia reticulației reziduale se poate determina gradul de reticulare:

Ecuație chimică de reticulare pentru analiza rășinilor epoxidice, care demonstrează calculul entalpiei și dinamica reacției.

În exemplul prezentat, gradul de întărire al componentei se ridică la aproximativ 81%; de exemplu, procesul de turnare prin injecție ar trebui optimizat din nou în acest caz.

Graficul inferior din figura 3 prezintă semnalul DSC al unei componente complet reticulate. Deoarece nu are loc nicio altă reacție chimică de reticulare, nu există niciun efect exotermal care să poată fi observat. În teorie, se poate determina în schimb tranziția vitroasă la întărirea completă,_{TG_1}. Cu toate acestea, în cazul compușilor de turnare prin injecție, care sunt de obicei foarte încărcați, aceasta este atât de puțin pronunțată încât determinarea nu este întotdeauna fiabilă, în special deoarece intervalul de evaluare pentru_{TG_1}se suprapune adesea cu intervalul de degradare termică. Acest lucru devine vizibil ca o creștere a curbei exoterme la temperaturi foarte ridicate (zona umbrită care începe la aproximativ 270 °C). Prin urmare, nu se recomandă determinarea temperaturii de tranziție vitroasă a componentelor întărite cu ajutorul DSC. Analiza termomecanică (TMA) sau analiza mecanică dinamică (DMA) ar fi soluții mult mai bune în acest scop.

Figura 3: Analize DSC ale compușilor de turnare din rășină epoxidică în diferite stări de reticulare: nepolimerizat (sus), reticulat incomplet (mijloc), reticulat complet (jos), exo ⬆

Dinamica reacțiilor pentru simulare

Pe lângă utilizarea analizei DSC pentru testarea stării de întărire, aceasta servește, de asemenea, ca bază pentru generarea de date despre material pentru simulări ale procesului și întăririi. În acest scop, se efectuează mai multe analize DSC la diferite viteze de încălzire (figura 4 și figura 5) și apoi cursurile dinamicii reacției sunt transferate în modele matematice. Pentru turnarea prin injecție a compușilor epoxidici, de exemplu, așa-numitul model Kamal-Sourour este utilizat pe scară largă:

Graficul calorimetriei cu scanare diferențială (DSC) care prezintă vârfurile exotermice pentru procesele și analizele de reticulare a rășinii epoxidice.

În simulare, astfel de modele permit acum calcularea oricăror scenarii de reticulare în funcție de timp și temperatură. Ajustarea datelor poate fi efectuată, de exemplu, prin intermediul NETZSCH Kinetics Neo, după cum se arată în figura 6.

Grafic de analiză DSC a compușilor de turnare din rășină epoxidică la diferite viteze de încălzire, evidențiind dinamica reacției și efectele temperaturii. — Figura 4: Analiza DSC a unui compus de turnare din rășină epoxidică la diferite rate de încălzire pentru prezentarea matematică a dinamicii reacției, exo ⬆

Grafic care ilustrează reticularea în funcție de timp și temperatură a rășinilor epoxidice la diferite viteze de încălzire. — Figura 5: Determinarea cursurilor de reticulare în funcție de timp și temperatură prin integrarea vârfurilor reacției exoterme la diferite viteze de încălzire

Salvați data pentru un eveniment online pe 5 decembrie 2024, cu un design portocaliu vibrant al bulei de vorbire. — Figura 6: NETZSCH Kinetics Neo : Dinamica reacțiilor în modele matematice pentru simulare

În ceea ce privește prepararea probelor pentru compușii de turnare prin injecție pe bază de rășină epoxidică, s-a stabilit următoarea procedură: Se utilizează creuzete/capace din aluminiu, capacele fiind perforate. (Pentru alte tipuri de compuși de turnare, cum ar fi cei pe bază de rășini fenolice, trebuie utilizate creuzete speciale etanșe la presiune) Granulele sunt măcinate până la obținerea unei pulberi, dacă este posibil fără semnătură termică, și presate "cu grijă" în creuzet (figura 14). Acest lucru crește semnificativ contactul cu fundul creuzetului, precum și conducția termică în interiorul probei, ceea ce conduce la curbe DSC coerente și reproductibile.

Compuși de turnare din rășină epoxidică în diferite stadii de pregătire pentru turnarea prin injecție, afișați pe un fundal grilă. — Figura 7: Pregătirea probelor de compuși de turnare din rășină epoxidică pentru turnare prin injecție

Aflați mai multe despre optimizarea întăririi cu ajutorul DSC în următorul articol din noua noastră serie de bloguri, scris de Dr. Sascha Englich.

Pentru mai multe informații în avans, accesați NETZSCH Analyzing & Testing.

^*^{Schwarz Plastic Technologies}^{este o companie de consultanță pentru provocări specifice din industria maselor plastice, cu accent pe inginerie, tehnologia proceselor și marketingul specific maselor plastice.}