İki Parçalı Epoksi Yapıştırıcının Kürlenme Davranışını Tahmin Etmek İçin Kesme Viskozitesinin Kinetik Analizi

Giriş

Epoksi reçineler yaygın olarak kaplama, laminasyon ve elektronik malzemeler için kullanılır. Uygulama alanları, özellikle dayanıklılık ve mukavemet gerektiğinde yapıştırıcı uygulamalarına kadar uzanır.

Birçok epoksi yapıştırıcı, epoksi reçine ve sertleştirici olmak üzere iki bileşenden oluşur. İki bileşik karıştırılır karıştırılmaz kürlenme başlar: epoksi reçine ve sertleştirici arasında bağlar oluşturularak yapısal bir ağ meydana getirilir. Uygulamada, reaksiyonun başlangıcı ve süresi ilgi çekicidir. Bu çalışmada, kürlenme sırasında iki parçalı bir epoksi yapıştırıcının reolojik özelliklerindeki değişiklikler rotasyonel reometri ile incelenmiştir. Ayrıca, ölçümler reaksiyon kinetiğini belirlemek için kullanılmıştır. Son olarak, kürlenmenin kinetik parametrelerinin bilinmesi, kullanıcı tarafından belirlenen sıcaklık ve zaman koşulları için reaksiyonun simülasyonuna izin verir.

Ölçüm Koşulları

Salınım ölçümleri, NETZSCH Kinexus rotasyonel reometre kullanılarak iki parçalı epoksi yapıştırıcı üzerinde gerçekleştirilmiştir.

İki parçalı epoksi yapıştırıcının iki bileşeni oda sıcaklığında karıştırıldıktan sonra karışım Kinexus cihazının alt plakasına yerleştirilmiştir. Test süresi, her iki bileşenin karıştırılmaya başlandığı anda 0 olarak ayarlanmıştır, ancak bu anda bileşenler henüz reometreye yüklenmemiştir.

Ölçüm için 8 mm çapında tek kullanımlık plakalar kullanılmıştır. Bu çap small kürlenmiş numunenin nihai sertliğini reometrenin sertliğine kıyasla yeterince düşük tutmak için selectseçilmiştir. Ölçüm boyunca 1 mm'lik bir ölçüm boşluğu kullanılmıştır.

Kinexus rotasyonel reometre ileKürleşme (Çapraz Bağlanma Reaksiyonları)Kelimenin tam anlamıyla tercüme edildiğinde, "çapraz bağlama" terimi "çapraz ağ oluşturma" anlamına gelir. Kimyasal bağlamda, moleküllerin kovalent bağlar oluşturarak ve üç boyutlu ağlar oluşturarak birbirine bağlandığı reaksiyonlar için kullanılır. kürleme sırasında salınım ölçümü için kullanılan koşullar Tablo 1'de sunulmuştur.

Tablo 1: Kürleme Ölçümü Koşulları

Sonuçlar ve Tartışma

Şekil 1, kompleks kayma modülünün ölçüm eğrisini göstermektedir. Genel olarak, herhangi bir işlem gerçekleşmezse (kimyasal reaksiyon gibi), bir numunenin ısıtılması yumuşamasına, yani sertliğinin (modülünün) azalmasına yol açacaktır. Ancak bu örnekte ısıtmanın iki etkisi vardır: Modüldeki azalmaya ek olarak, ısıtma tutkalın kürlenmesini hızlandırır. Bu süreç sertlikte bir artışa yol açar (yeşil eğri).

Ölçümün en başında kompleks kayma modülündeki keskin artış, numunenin iki aşamalı kürlenmesinin başladığını gösterir. Her iki adım arasında, kompleks modüldeki hafif düşüş, sıcaklık etkisininKürleşme (Çapraz Bağlanma Reaksiyonları)Kelimenin tam anlamıyla tercüme edildiğinde, "çapraz bağlama" terimi "çapraz ağ oluşturma" anlamına gelir. Kimyasal bağlamda, moleküllerin kovalent bağlar oluşturarak ve üç boyutlu ağlar oluşturarak birbirine bağlandığı reaksiyonlar için kullanılır. kürleme etkisi üzerindeki baskınlığından kaynaklanmaktadır: daha yüksek bir sıcaklık daha düşük bir sertliğe yol açar. Reaksiyon 5 dakikalık İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal adımdan sonra neredeyse bitmiştir. Cam geçiş sıcaklığı tarafından verilen maksimum çalışma sıcaklığını tespit etmek için müteakip soğutma gerçekleştirilir. 25°C'ye soğutma sırasında, kompleks kayma modülü 45°C ile 25°C arasında iki büyüklük mertebesinden daha fazla artar. Bu, kürlenmiş reçinenin camsı geçiş sıcaklığından kaynaklanmaktadır.

Kürlenme profillerinin yanı sıra camsı geçişin tespiti de elastik ve viskoz kayma modülleri ve faz açısı gösterilerek gösterilmektedir (Şekil 2).

Deneyin başlangıcında, viskoz bileşen (turuncu eğri) elastik bileşenin (mavi eğri) önüne geçmektedir. Bu davranış faz açısından da gözlemlenebilir (gri eğri). Deneyin başlangıcında neredeyse 90°'dir, bu da numunenin bu ölçüm koşulları altında neredeyse sadece sıvı benzeri özelliklere sahip olduğu anlamına gelir. Testin en başında Elastik modülKarmaşık modül (elastik bileşen), depolama modülü veya G', numunelerin genel karmaşık modülünün "gerçek" kısmıdır. Bu elastik bileşen, ölçüm yapılan numunenin katı benzeri veya faz içi tepkisini gösterir. elastik modül eğrisindeki artış, kürlenme başlangıcı ile ilişkilidir. Elastik bileşen eğrisindeki iki artış adımından veya faz açısı eğrisindeki iki adımlı düşüşten görülebileceği gibi, iki adımda çalışır. İlk adımdan sonra, Viskoz modülKarmaşık modül (viskoz bileşen), kayıp modülü veya G'', numunelerin genel karmaşık modülünün "hayali" kısmıdır. Bu viskoz bileşen, ölçüm yapılan numunenin sıvı benzeri veya faz dışı tepkisini gösterir. viskoz modülün elastik modülden daha yüksek bir değere sahip olması nedeniyle numune hala bir sıvı gibi davranacaktır. Bu nedenle, numune hala uygulanan salınım frekansının zaman ölçekleri altında akma eğilimine sahip olacaktır. Bu, pratikte parçaların birbirine yapıştığı, ancak yine de bu zaman ölçeklerinde kaydırılabileceği anlamına gelir.

Elastik ve viskoz bileşenlerin geçişi 67°C'de tespit edilmiştir. Bu sıcaklıktan itibaren, yapıştırıcının katı benzeri özellikleri sıvı benzeri özelliklerine baskın gelir.

Soğutma sırasında, elastik ve viskoz modüllerdeki artışı ve 34,4°C'deki faz açısındaki zirveyi açıklayan Cam Geçiş SıcaklığıCamsı geçiş, inorganik camlar, amorf metaller, polimerler, farmasötikler ve gıda bileşenleri gibi amorf ve yarı kristal malzemelerin en önemli özelliklerinden biridir ve malzemelerin mekanik özelliklerinin sert ve kırılganlıktan daha yumuşak, deforme olabilir veya kauçuksu hale dönüştüğü sıcaklık bölgesini tanımlar.cam geçişi meydana gelir.

Camsı geçiş sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda, polimer zincirleri amorf, camsı bir durumdadır ve ana eksenleri boyunca hareketliliklerini dondururlar. Kürlenmiş numunenin camsı geçiş sıcaklığı nihaiKürleşme (Çapraz Bağlanma Reaksiyonları)Kelimenin tam anlamıyla tercüme edildiğinde, "çapraz bağlama" terimi "çapraz ağ oluşturma" anlamına gelir. Kimyasal bağlamda, moleküllerin kovalent bağlar oluşturarak ve üç boyutlu ağlar oluşturarak birbirine bağlandığı reaksiyonlar için kullanılır. kürleme sıcaklığı olan 140°C'den düşükse, sıcaklık camsı geçiş sıcaklığından yüksek olduğu süreceKürleşme (Çapraz Bağlanma Reaksiyonları)Kelimenin tam anlamıyla tercüme edildiğinde, "çapraz bağlama" terimi "çapraz ağ oluşturma" anlamına gelir. Kimyasal bağlamda, moleküllerin kovalent bağlar oluşturarak ve üç boyutlu ağlar oluşturarak birbirine bağlandığı reaksiyonlar için kullanılır. kürleme reaksiyonu devam eder ve bu ölçüm koşulları için mümkün olan maksimum ağ yoğunluğuna ulaşır. Sıcaklık camsı geçiş sıcaklığından düşük olduğu anda reaksiyon durur.

Kürleşme Reaksiyonunun Kinetik Analizi

Kinetics Neo yazılımı, bir kimyasal reaksiyonun kinetik parametrelerinin belirlenmesini sağlar. Reolojik ölçümlerden karmaşık viskoziteyi tahmin etmek de mümkündür. Ölçümler farklı ısıtma hızlarında (veya farklı İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal sıcaklıklarda) gerçekleştirilir. Kinetics Neo, bu farklı ölçümleri kullanarakKürleşme (Çapraz Bağlanma Reaksiyonları)Kelimenin tam anlamıyla tercüme edildiğinde, "çapraz bağlama" terimi "çapraz ağ oluşturma" anlamına gelir. Kimyasal bağlamda, moleküllerin kovalent bağlar oluşturarak ve üç boyutlu ağlar oluşturarak birbirine bağlandığı reaksiyonlar için kullanılır. kürleme reaksiyonunu tanımlayan adımların sayısını belirleyebilir. Yazılım ayrıca bu adımların her biri için kinetik parametreleri, yani reaksiyon türünü, aktivasyon enerjisini ve reaksiyon sırasını hesaplar. Tablo 2, ölçümlerin ölçüm koşullarını göstermektedir.

Tablo 2: Kinetik analizin ölçüm koşulları

Şekil 3'te farklı ısıtma hızlarında gerçekleştirilen ölçümler gösterilmektedir. Reolojik ölçümler zaten iki aşamalı bir reaksiyona işaret ettiğinden, kinetik analiz için iki ardışık aşamalı bir model selected.

Şekil 4, ölçülen eğrileri ve Kinetics Neo tarafından hesaplanan karşılık gelen eğrileri göstermektedir. Tablo 3'te hesaplama için kullanılan kinetik parametreler gösterilmektedir. İlk adımda ölçülen ve hesaplanan eğriler arasındaki zayıf örtüşme, numune hazırlamadaki farklılıkları göstermektedir. Bununla birlikte, 0,99'un üzerindeki yüksek korelasyon katsayısı kinetik bir değerlendirmeye izin vermektedir.

Tablo 3: Kinetik Neo ile hesaplanan kinetik parametreler

Kullanıcıya Özel Koşullar için Kürleme Simülasyonu

Belirlenen kinetik parametrelerine dayanarak, Kinetics Neo herhangi bir zaman/sıcaklık koşulu için numunenin davranışını hesaplayabilmektedir. Örnek olarak, şekil 5 ve 6 sırasıyla 2 saat ve 30 saat boyunca farklı İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal sıcaklıklarda numunenin kürlenme davranışını göstermektedir. Beklendiği gibi, kürlenme daha yüksek sıcaklıklarda daha hızlı gerçekleşmektedir. Yaklaşık %40'lık bir dönüşüm oranına karşılık gelen ilk kürlenme adımına, gösterilen tüm sıcaklıklar için ilk dakikalarda ulaşılmaktadır. Bununla birlikte, yapıştırıcının tamamen kürlenmesini sağlamak için daha uzun bir süre gereklidir. Sıcaklığa bağlı olarak birkaç gün sürebilir.

NeoKinetiği ile Simüle Edilen Eğri ile Ki ile Ölçülen Eğrinin Karşılaştırılmasınexus

Kinetik modelin deneylerden elde edilen sonuçlara uygunluğunu kontrol etmek için 30°C'de 12 saat boyunca yeni bir ölçüm gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar Kinetics Neo tarafından hesaplanan kompleks kayma viskozitesi eğrileri ile karşılaştırılmıştır.

Ölçülen kompleks kayma viskozitesi eğrisi Şekil 7'de gösterilmektedir. Kinetics Neo ile 30°C'de İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal olarak elde edilen eğri şekil 8'de verilmiştir (yeşil eğri). Reaksiyonun başlangıcı gösterilmemiştir çünkü numune hazırlığından (her iki bileşenin karıştırılması) kaynaklanan belirsizliği içermektedir. 2 ila 12 saat arasında kürlenme, hem ölçülen hem de hesaplanan eğriler için yaklaşık 1,5 on yıllık bir artışa yol açmaktadır. Bu da sonuçların iyi korelasyonunu göstermektedir.

Sonuç

İki parçalı bir epoksi reçinenin reolojik kürlenme profili Kinexus rotasyonel reometre ile kaydedilmiştir. Farklı ısıtma hızlarındaki ölçümler, reaksiyonun kinetiğini belirlemek için Kinetics Neo'ya aktarılan sonuçlarla gerçekleştirilmiştir. Bu güçlü yazılım, numunenin herhangi bir çalışma süresi/sıcaklık koşulundaki davranışını da tahmin edebildiği için daha da ileri gitmektedir.

Teşekkür

Dr. Adrian Hill'e (NETZSCH UK) birçok ilginç tartışma için teşekkür ederiz.