DSC 214 Polyma ve MMC 274 Aracılığıyla İncelenen Epoksi Kürlenmesi Nexus^®

Giriş

Epoksi reçineler, bisiklet yollarının veya kavşakların kaplanması ve renklendirilmesi, otopark ve depolardaki zeminlerin yüzey kaplaması ve elektronik dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılan malzemelerdir. Günümüzde epoksi reçineler, yenilenebilir kaynaklardan elektrik üretmek amacıyla rüzgar güllerinin rotor kanatları için hafif malzemeler olarak da kullanılmaktadır. Yel değirmenlerinin rotor kanatları, üretimdeki arızaları önlemek için kürlenmenin ilerleyişi hakkında kesin bilgiye sahip olma ihtiyacını gösteren mükemmel bir örnektir. Uzunluğu 60 metre olan tek bir rotor kanadı yaklaşık 15 tonluk bir kütleye sahiptir - bu aynı zamanda başarısız birKürleşme (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 yaklaşımı durumunda ortaya çıkacak atık miktarıdır. Bu örnek, kürlenme reaksiyonu ve kinetiği hakkındaki bilginin, kürlenme sürecinin sıcaklık, zaman ve verimlilik açısından optimize edilmesinde neden büyük önem taşıdığını açıkça göstermektedir.

Epoksi reçinelerin kürlenme reaksiyonu, termal analiz yöntemleri ailesi içinde farklı tekniklerle incelenebilir. Kürlenme reaksiyonu sırasında ısı üretimi diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ile tespit edilebilir [1]. Lazer Flaş Analizi (LFA), Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite gibi termofiziksel özelliklerdeki değişiklikleri tespit etmek için kullanılabilir [2]. Flammersheim ve Opfermann, kürlenme reaksiyonlarının zaman ve sıcaklığa bağlı ilerlemesini incelemek için özel NETZSCH Thermokinetics [3] yazılımının nasıl kullanılacağını göstermiştir [4]. Viskozite değişiklikleri dielektrik analiz (DEA) [5-11] veya dinamik-mekanik analiz (DMA) [12] yoluyla araştırılabilir. Pretschuh ve arkadaşları, aminoplast reçinelerinin kürlenmesini incelemek için bu iki tekniği ilişkilendirmiştir [13].

Bu çalışma, ek bir kalorik ölçüm tekniğinin kullanımını tanıtmaktadır. NETZSCH Çoklu Modül Kalorimetre (Çoklu Modül Kalorimetresi (MMC)Bir ana ünite ve değiştirilebilir modüllerden oluşan çok modlu bir kalorimetre cihazı. Modüllerden biri hızlandırma oranı kalorimetrisi (ARC), ARC-Modülü için hazırlanmıştır. İkincisi tarama testleri için kullanılır (Tarama Modülü) ve üçüncüsü madeni para hücreleri için pil testi ile ilgilidir (Madeni Para Hücresi Modülü).MMC) 274 Nexus^® (şekil 1) üç farklı ölçüm modülü sunmaktadır. Hızlandırıcı Hız Kalorimetrisi (ARC)Termal olarak ekzotermik ayrışma reaksiyonlarını tespit etmek için kullanılan izotermal ve adyabatik test prosedürlerini tanımlayan yöntem.ARC^® Modülü termal tehlike çalışmaları için kullanılabilir; Coin-Cell Modülü pillerin incelenmesi için özeldir; ve Tarama Modülü tek bir ısıtma çalışmasından elde edilen kalorik verileri değerlendirmek için kullanılabilir. Yaygın olarak kullanılan ve iyi bilinen diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) tekniğinin aksine, Çoklu Modül Kalorimetresi (MMC)Bir ana ünite ve değiştirilebilir modüllerden oluşan çok modlu bir kalorimetre cihazı. Modüllerden biri hızlandırma oranı kalorimetrisi (ARC), ARC-Modülü için hazırlanmıştır. İkincisi tarama testleri için kullanılır (Tarama Modülü) ve üçüncüsü madeni para hücreleri için pil testi ile ilgilidir (Madeni Para Hücresi Modülü).MMC'nin Tarama Modülü 2 ml hacme kadar numuneleri işleyebilir. Numuneleri ısıtmak için iki seçenek mevcuttur: sabit bir ısıtma hızı veya sabit bir güç seviyesi. Hem numuneye verilen güç hem de ısıtma hızı hakkındaki bilgiler kullanılarak bir ısı akışı sinyali hesaplanabilir.

İndiyum, kalay ve bizmut gibi metaller kullanılarak cihazın hem sıcaklığı hem de hassasiyeti belirlenebilir. 1000 ila 9000 mg (numune hacmi yaklaşık 1 ml) olan tipik numune kütleleri, Çoklu Modül Kalorimetresi (MMC)Bir ana ünite ve değiştirilebilir modüllerden oluşan çok modlu bir kalorimetre cihazı. Modüllerden biri hızlandırma oranı kalorimetrisi (ARC), ARC-Modülü için hazırlanmıştır. İkincisi tarama testleri için kullanılır (Tarama Modülü) ve üçüncüsü madeni para hücreleri için pil testi ile ilgilidir (Madeni Para Hücresi Modülü).MMC için DSC için kullanılan ve tipik olarak 5 ila 10 mg arasında olan numune kütlelerinden oldukça yüksektir. Buna rağmen, MMC'nin Tarama Modülü için değerlendirilen belirsizlik, sıcaklık tayinleri için yaklaşık %1 ve entalpi tayinleri için %5'ten azdır.

Bu çalışma, NETZSCH DSC 214 Polyma ile MMC'nin tarama modülü kullanılarak epoksinin kürlenme reaksiyonu için elde edilen numune hazırlama, ölçüm modları ve sonuçlardaki benzerlik ve farklılıklara işaret etmektedir.

Numune Hazırlama ve Ölçüm Koşulları

Epoksi reçine numunesinin depolama sırasında yavaşça reaksiyona girmeye başlamasını önlemek için -20°C'de bir buzdolabına yerleştirilir. Numune hazırlamadan önce saklama kabı buzdolabından çıkarılır ve yaklaşık bir saat boyunca ortam sıcaklığında ısıtılır. Numune artık bal benzeri bir viskoziteye sahiptir ve bir spatula ile alınarak sırasıyla MMC ve DSC ölçümleri için kaba veya krozeye bırakılır. Numune hazırlandıktan sonra saklama kabı tekrar buzdolabına yerleştirilir. İki cihaz için ölçüm koşullarının karşılaştırması Tablo 1'de gösterilmektedir.

MMC ile epoksi reçinelerin kürlenmesini incelemek için harici ısıtıcılı Tarama Modülü kullanılır (Şekil 3). Harici ısıtıcı doğrudan numune kabının etrafına yerleştirilir ve numuneye sabit güç sağlar; bu durumda 1000 mW. Numunenin özgül ısı kapasitesi ve kütlesinin yanı sıra kabın özgül ısı kapasitesi ve kütlesi nedeniyle, ısıtma hızı tam olarak sabit olmayacaktır. Kütlelerin ve özgül ısı kapasitelerinin oranı Φ faktörü (veya Termal ataletTermal atalet PHI faktörüne eşdeğerdir. Her ikisi de bir numunenin veya numune karışımının kütlesinin ve özgül ısı kapasitesinin kabın veya numune kabınınkine oranını tanımlar.termal atalet) olarak bilinir. ASTM E1981'e [14] göre, aşağıdaki denklemle ifade edilebilir:

T: sıcaklık
ad: AdyabatikAdyabatik, çevre ile herhangi bir ısı alışverişi olmayan bir sistemi veya ölçüm modunu tanımlar. Bu mod, hızlandırma oranı kalorimetrisi yöntemine göre bir kalorimetre cihazı kullanılarak gerçekleştirilebilir (ARC). Böyle bir cihazın temel amacı, senaryoları ve termal kaçak reaksiyonları incelemektir. Adyabatik modun kısa bir tanımı "ısı girişi yok - ısı çıkışı yok" şeklindedir.adyabatik
obs: gözlenen
m: kütle
V: kap
_{Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp}: özgül ısı kapasitesi
S: örnek

Tab 3: Ölçüm koşulları

Nihayetinde, ortaya çıkan ısıtma hızı numunenin termal davranışından etkilenecektir. Epoksi reçinelerin kürlenmesi EkzotermikBir örnek geçişi veya bir reaksiyon ısı üretiyorsa ekzotermiktir.ekzotermik bir reaksiyon olduğundan, reaksiyon ısısı ısıtma hızını geçici olarak artıracaktır. Çevreye olan ısı kayıpları, kalorimetrenin yanlarına, üstüne ve altına yerleştirilen koruyucu ısıtıcılar tarafından bastırılır. Bu ısıtıcılar, harici ısıtıcının sabit güç modundan bağımsız olarak numune sıcaklığını izleyecektir. MMC 274'ün Tarama ModülüÇok Modüllü Kalorimetre'nin (MMC) bir parçası olan bir kalorimetre modülü, bir numunenin tarama testine izin verir. Bu prosedür, oldukça kısa bir ölçüm süresi içinde termal tehlike potansiyelini tespit etmek için bir tarama testi olarak hizmet edebilir.Tarama Modülünün şematik çizimi Nexus^® şekil 3'te gösterilmektedir.

Sonuçlar ve Tartışma

Yaklaşık 1000 mg epoksi reçine numunesi, MMC 274 Nexus^® harici ısıtıcı aracılığıyla 1000 mW'lık sabit bir güç seviyesi kullanılarak ısıtılır. Güç girişi, 150°C'ye kadar yaklaşık 4,5 K/dk'lık bir sıcaklık artış hızına yol açar. Epoksi reçinenin kürlenme reaksiyonunun başlamasıyla birlikte, reaksiyon ısısı ısıtma hızını sırasıyla maksimum 14,0 veya 14,5 K/dk'ya çıkarır. Reaksiyon entalpisinden gelen ek güç girişi nedeniyle, ölçülen numune sıcaklığı devam edenKürleşme (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 işlemi sırasında çok daha hızlı artar. Şekil 4, MMC 274 Nexus^® ile gerçekleştirilen epoksi reçine kürlemesinin tekrar ölçüm sonuçlarını göstermektedir.

Numune sıcaklığı (düz çizgiler) ve ısıtma hızının (kesikli çizgiler) yanı sıra MMC, numune kabının üstündeki besleme oluğu bir basınç göstergesine bağlı olduğundan numune basıncının (kesikli noktalı çizgiler) ölçülmesine de olanak tanır. Kapalı kap sistemi içindeki basınç sıcaklıkla birlikte sürekli artar ve kürlenen ürünün ayrışmaya başlaması nedeniyle kürlemeden sonra daha hızlı artmaya başlar.

Numune ısı akışı, harici ısıtıcının sabit güç sinyali ve numunenin ortaya çıkan ısıtma hızı kullanılarak hesaplanabilir.

Şekil 5, EkzotermikBir örnek geçişi veya bir reaksiyon ısı üretiyorsa ekzotermiktir.ekzotermikKürleşme (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 reaksiyonunun ısı akışı sinyalini içeren tekrarlanan bir ölçümün sonuçlarını göstermektedir. DSC 214 Polyma kullanılarak aynı doğrultuda bir ölçüm yapılması, hem ölçüm modları hem de numune kütleleri önemli ölçüde farklı olsa da karşılaştırılabilir sonuçlar verir. Şekil 6'da DSC 214 Polyma kullanılarak yapılan ölçüm sonuçları MMC 274 Nexus^® kullanılarak yapılan ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmaktadır.

Hem kürlenme entalpisi hem de kürlenme reaksiyonunun başlangıcını temsil eden ekstrapole edilmiş başlangıç için değerlendirilen değerler, belirsizlik sınırları dahilinde iki teknik için de aynıdır. Ancak maksimum pik sıcaklığı 10 K'den daha fazla farklılık göstermektedir. Bu önemli fark, numune kütlesindeki büyük farktan kaynaklanmaktadır: 12.553 mg (DSC) ve 1096.50 mg (MMC). Numune kütlesi 80 kattan daha fazla olduğunda reaksiyonun tamamlanması daha fazla zaman alır.

Hem DSC hem de MMS teknikleri için sonuçların aynı ısı akışı aralığına sahip ölçekler olduğu dikkate alındığında (DSC sağ ölçek, MMC sol ölçek), pik alanlarının görsel izlenimi farklıdır. Bununla birlikte, ekstrapole edilmiş başlangıç ve reaksiyon entalpisi için değerlendirilen değerler belirsizlik sınırları dahilinde aynıdır. Bu tutarsız gibi görünse de aslında öyle değildir. Dinamik ısıtma veya soğutma işlemlerinin sıcaklık ölçekli sonuçları ısıtma hızını içerir. DSC deneylerinden ısıtma hızının sabit olmasını bekleriz (burada 5 K/dak). MMC için sabit bir güç girişi kullanılmıştır - bu nedenle ısıtma hızı numune davranışına bağlıdır. Şekil 5'ten görülebileceği gibi, MMC ölçümü sırasında reaksiyon ısısı, numunede ölçülen ısıtma hızını reaksiyondan önce 4,5 K/dk'danKürleşme (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 sırasında 14,5 K/dk'ya üç kattan fazla artırmaktadır. Isıtma hızındaki bu artış, MMC sonuçları için pik alanının 5 K/dak sabit hızdaki DSC sonuçlarına kıyasla çok daha fazla larger görünmesini sağlamıştır. Entalpi değerlendirmesi ısıtma hızını dikkate aldığından, pik alanlarının görsel izlenimi farklı olsa da değerlendirilen değerler neredeyse aynıdır.

Sonuç

Epoksi reçinelerin kürlenme reaksiyonu çeşitli ölçüm teknikleri ile araştırılabilir. Hangi özellik değişiminin incelendiğine bağlı olarak DMA, DEA veya LFA gibi yöntemler uygulanabilir. DSC, güçlü EkzotermikBir örnek geçişi veya bir reaksiyon ısı üretiyorsa ekzotermiktir.ekzotermik reaksiyon ısısı nedeniyle kürlenme reaksiyonlarını araştırmak için kesinlikle en yaygın kullanılan tekniktir. Bu çalışma, diferansiyel taramalı kalorimetriye ek olarak, başka bir kalorik tekniğin de bir kürlenme reaksiyonunun araştırılmasına hizmet edebileceğini göstermektedir. DSC'nin aksine, NETZSCH Multiple Module Calorimeter MMC 274 Nexus^® cihazının tarama modülü numuneleri gram ölçeğinde inceleyebilir ve karşılaştırılabilir sonuçlar verir.