Inledning
En noggrann analys av materialegenskaper är avgörande för att optimera prestanda och kvalitet inom industri och forskning. Genom att integrera Kinexus-reometri med dielektrisk analys (DEA) blir det möjligt att samtidigt utvärdera det mekaniska och elektriska beteendet inom ett och samma experimentella ramverk. Genom att kombinera dessa kompletterande tekniker får man en djupare inblick i komplexa material, däribland polymerer, kompositer och härdningssystem. Detta tillvägagångssätt möjliggör en heltäckande förståelse av de viskoelastiska egenskaperna och de dielektriska responserna, vilket ger värdefulla data för processutveckling, kvalitetskontroll och avancerad materialforskning.
Mätprincip: Rotationsreometri
Rotationsreometri karakteriserar ett materials viskoelastiska egenskaper genom att mäta dess respons på en påförd deformation under kontrollerade förhållanden. I ett typiskt svängningstest placeras provet mellan två geometriska former – vanligtvis parallella plattor eller en konstruktion bestående av en kon och en platta. Den ena plattan oscillerar medan den andra förblir stillastående (se figur 1), vilket utsätter provet för en skjuvkraft.
En kontrollerad vinkelförskjutning eller ett kontrollerat vridmoment tillförs, vilket ger upphov till en skjuvtöjning, γ(t):
Material som reagerar på en mätbar skjuvspänning:
Här ärγ₀ töjningsamplituden, ω vinkelfrekvensen, τ₀ spänningsamplituden och δ fasförskjutningen mellan den påförda töjningen och den uppmätta spänningen. Denna fasförskjutning återspeglar materialets viskoelastiska egenskaper.
Viktiga reologiska parametrar är bland annat den elastiska skjuvmodulen (G´), den viskösa skjuvmodulen (G´´) och den komplexa viskositeten (η*). Dessa härleds från de uppmätta spännings- och töjningsresponserna och ger en bild av materialets struktur.
När materialet genomgår förändringar (t.ex. Härdning (tvärbindningsreaktioner)Termen "crosslinking" betyder bokstavligen översatt "tvärnätverk". I kemiska sammanhang används det för reaktioner där molekyler länkas samman genom att införa kovalenta bindningar och bilda tredimensionella nätverk.härdning) förändras dess förmåga att motstå deformation. Bildandet av ett polymernätverk ökar styvheten och påverkar förhållandet mellan det viskösa skjuvmodulet, G´´, och det elastiska skjuvmodulet, G´.
Mätprincip – Dielektrisk analys
Dielektrisk analys (DEA) används för att övervaka förändringar i ett materials dielektriska egenskaper under ett kontrollerat tids- och temperaturförlopp. I ett typiskt DEA-experiment placeras provet mellan två elektroder – antingen parallella plattor eller interdigiterade kamsensorer (se figur 2).
En sinusformad spänning matas in:
Materialet reagerar med en elektrisk ström:
Föroreningar i materialet ger upphov till laddningsbärare som rör sig mot elektroderna, medan dipolära partiklar (såsom monomerer eller oligomerer) orienterar sig i det elektriska fältet. Detta beteende ger upphov till den uppmätta strömmen.
Allteftersom härdningen fortskrider bildas ett tredimensionellt polymernätverk, vilket minskar jonernas rörlighet och begränsar dipolernas förmåga att ändra orientering. Detta begränsar laddningsbärarnas rörelse och dipolernas förskjutning. En viktig parameter som härleds från mätningen är jonledningsförmågan, σ. Denna jonledningsförmåga beror på rörligheten hos fria laddningsbärare och på den energi som avges genom dipolernas omorientering. Jonviskositeten, ρ, definieras som:
Allteftersom härdningen fortskrider minskar jonledningsförmågan till följd av att polymernätverket expanderar. Detta motsvarar en ökning av jonviskositeten.
Mätförhållanden
Den kombinerade mätningen utfördes med hjälp av parallellplattreometri (diameter: 8 mm) och dielektrisk analys (DEA) på UHU Plus Endfest 300 (epoxilim) vid en konstant temperatur på 60 °C. Reometern kördes med en elastisk skjuvtöjning på 1 % och en frekvens på 1 Hz. Normalkraften, skjuvmodulen (G´), den viskösa skjuvmodulen (G´´) och den komplexa skjuvviskositeten (η*) registrerades som en funktion av tiden. DEA-mätningen utfördes samtidigt med exciteringsfrekvenserna 100 mHz, 10 Hz, 100 Hz och 1 kHz, varvid log(viskositet) i Ohm·cm följdes över tiden.
Mätresultat
Den reologiska mätningen visar en typisk tidsberoende härdningsprofil för epoxilim vid 60 °C (figur 3). Inledningsvis är den viskösa skjuvmodulen, G´´, högre än den elastiska skjuvmodulen, G´, vilket indikerar ett vätskeliknande tillstånd under de tillämpade testförhållandena. Allteftersom härdningen fortskrider ökar båda signalerna, och G´ överstiger G´´ vid 57 °C, vilket återspeglar övergången från ett flytande till ett gelartat och slutligen till ett fast nätverk. Denna övergångspunkt mellan G´ och G´´ motsvarar gelpunkten för den använda frekvensens tidsskala (1 Hz).
Figur 4 visar utvecklingen av den komplexa skjuvviskositeten (reometer) tillsammans med jonviskositeten (DEA). Den ökning av jonviskositeten som uppmätts för alla frekvenser tyder på en minskning av dipol- och jonrörligheten i takt med att tvärbindningen ökar. Platån indikerar att härdningsprocessen är avslutad. Ju högre frekvens, desto snabbare nås platån. Vid lägre frekvenser, såsom 100 mHz, når signalen inte en platå vid mätningens slut, vilket tyder på att reaktionen ännu inte är avslutad. Signalernas frekvensberoende återspeglar deras olika känslighet för snabba och långsamma segmentrörelser.
En viktig aspekt av den kombinerade analysen är att de två metoderna kompletterar varandra vad gäller känslighet. Medan reologiska data ger tillförlitlig information om nätverksbildning och mekaniska övergångar, blir reometrin mindre informativ när provet har blivit mycket styvt: de mekaniska data tenderar att plana ut, eftersom ytterligare nätverksutveckling inte kan urskiljas genom makroskopisk deformation. Däremot förblir dielektrisk analys (DEA) mycket känslig för pågående molekylär dynamik och förändringar i jonrörlighet, även efter att provet har blivit för styvt för mekanisk deformation. Detta illustreras av 100-mHz DEA-kurvan, som fortsätter att utvecklas och indikerar en pågående reaktion, även när den reologiska kurvan har nått sin platå. DEA ger således värdefull ytterligare insikt i de senare stadierna av härdningen och säkerställer en mer fullständig bild av reaktionsförloppet.
Slutsats
Denna tillämpning visar fördelarna med att kombinera reometri och DEA för övervakning av härdningen av epoxi. Systemet ” NETZSCH ” tillhandahåller samtidigt mekaniska och dielektriska data, vilket gör det möjligt för användarna att följa förändringar både på makroskopisk nivå och på molekylnivå under hela processen. Medan reometri är utmärkt för att identifiera mekaniska övergångar och gelpunkten, fortsätter DEA att leverera detaljerad information om reaktionens förlopp, även efter att provet har blivit för styvt för ytterligare mekanisk undersökning. Som ett resultat erbjuder DEA ett unikt mervärde genom att säkerställa full insyn i den pågående härdningen, vilket stödjer processoptimering och garanterar högkvalitativa, fullt härdade produkter.