Alifaatsete amiinide kasutamine kõrgtugevuste epoksi komposiitide saamiseks

Miks alifatsed amiinid tagavad kiired, kõrgel tugevusel toimivad epoksiühendused

Nukleofiilselt liitumise kinetika: kuidas primaarsete amiinide reaktiivsus võimaldab kiiret geelumist ja varajast tugevuse arengut

Kui tegemist on epoksi kiirendamisega, siis alifaatsed amiinid teevad oma imetlust nukleofiilses lisumisprotsessis. Esmane amiinirühm (-NH2) ründab epoksiringeid kiiresti ja moodustab kovalentsed sidemed, mis põhjustavad kiiret ristseost. See protsess järgib keemikute poolt teatud teise astme kinetika nimetust. Seega, kui suurendada amiini kogust või tõsta temperatuuri, ei lihtsalt kiirendu kõvastumisprotsess, vaid see kiireneb eksponentsiaalselt. Võrreldes aromaatsete amiinide või latentsete katalüsaatoritega on need alifaatsed amiinid palju tõhusamad elektronide andmisel lähtudes oma lämmastikuaatomitest. Testid näitavad, et nad suudavad ringiavamise kiirust tavalistes DGEBA süsteemides suurendada umbes 30–40 protsendi võrra. Lõpptulemus? Geelumine toimub väga kiiresti – mõnikord juba poole tunni jooksul – ja tagab seeläbi komposiitide tootmise jaoks olulise varase tugevuse. See on tähtis, sest see aitab takistada kiudude paigalekerkimist kihistusoperatsioonide ajal ning vähendab vajadust erinevate tootmisjärgsete abivahendite ja kinnituste järele.

Keskkonnatingimustes kõvastumise jõudluse võrdlus: DETA- ja TETA-kõvastatud DGEBA saavutab 24 tunniga üle 85 MPa tõmbetugevuse

Dietüleen-triamiin (DETA) ja trietüleen-tetramiin (TETA) on tööstuslikud standardid keskkonnatingimustes kõvastuvate epoksiühendite jõudluse hindamiseks. Kui neid reageeritakse diglütsüüleeter-bisfenool-A-ga (DGEBA) 23 °C juures ja 50% suhtelise niiskusaga, vastavad nad püsivalt – ja ületavad – struktuurilisi nõudeid ilma järgkõvastussoojenduseta:

Nende väike molekulaarmass ja kõrge amiinifunktsionaalsus võimaldavad tihedat ja ühtlast ristseost – mis viib otsest teisendustena tugevatele mehaanilistele omadustele suurtes rakendustes või soojuslikult tundlikutes rakendustes, näiteks tuulegeneraatorite tiivastes või kleepuvates elektroonikakorpustes.

Alifaatsed amiinid: struktuuri ja omaduste seosed – ristseoste tiheduse ja võrgustiku ühtlasuse reguleerimine

Funktsionaalsuse mõju: triamiinid (nt TETA) vs. diamiinid (nt DETA) – ristseoste tiheduse kvantifitseerimine DMA ja lahustisväljumise abil

Kui võrrelda triamiinikindurdajaid, näiteks TETA-d, diaminidega, näiteks DETA-ga, on võrgustiku moodustumisel märgatav erinevus. TETA loob palju tihedamaid struktuure lihtsalt seetõttu, et see pakub umbes 50% rohkem reaktsioonipunkte kui DETA, mis viib loomulikult kogu materjali suuremale ristseose tihedusele. Seda toetab ka dünaamiline mehaaniline analüüs üsna veenvalt. Epoksiühendid, mille kinnitumiseks kasutatakse TETA-d, saavutavad tavaliselt klaasüleminekutemperatuuri (Tg) umbes 15 °C kõrgemal kui need, mille kinnitumiseks kasutatakse DETA-d. See temperatuurierinevus annab olulist teavet selle kohta, kui tugevalt polümeerahelad omavahel kokku on lukustatud. Samasugust efekti näeme ka lahusti paisumise testides. Kui panna TETA-võrgustikud atsetooni, siis paisuvad nad vaid 20–30% vähem kui DETA-võrgustikud. See räägib palju nende materjalide struktuurilisest tihedusest. Igal, kes töötab formulatsioonide arendamisega, on sellised mõõdetavad erinevused väga tähtsad. Need annavad formulatsioonide koostajatele tegelikku kontrolli ammiinitüübi valikul vastavalt sellele, mida lõppprodukt peab oma ettenähtud rakenduskohas vastu pidama – kas soojuslikult, keemiliselt või struktuuriliselt.

Aamiinide arhitektuuri mõju: primaarsete ja sekundaarsete aminogruppide suhe ning alkyylahela pikkus määravad lähtumistemperatuuri (Tg), murdumisjõukindluse ja kuumutamise ühtlasuse

Molekulide paigutus ulatub kaugemale lihtsatest funktsioonidest ja määrab tegelikult seda, kui hästi materjalid toimivad. Võtame näiteks alkyllülitused. Lühikesed, nagu etüleen-sildad, piiravad ahelate liikumist palju tugevamini kui pikemad propüleen-ahelad. See piirang tõstab klaasüleminekutemperatuuri (Tg) umbes 25–40 °C võrra, kuid sellele kaasneb ka hind – löögi vastupidavus väheneb umbes 35%. Aminootide puhul reageerivad primaarsed aminod kiiremini, kuid moodustavad jäigamad struktuurid, mis purunevad lihtsamini. Sekundaarsed aminod moodustavad aga paindlikumad sidemed, mis tagavad materjalide parema paindumisvõime ja ühtlasema kõvastumise pinnal. Primaarsete ja sekundaarsete aminode suhte hoidmine alla 2:1 annab enamasti õige tasakaalu. See aitab tagada, et kogu segu muundub protsessis täielikult ilma nende nõrkade kohtadeta, kus kõvastumine ei ole lõpetatud. Tööstusharudele, kus on vaja usaldusväärseid materjale – näiteks lennukikomponendid või akukorpused elektriautodes – on õige molekulaarne struktuur otsustav tegur toote eluea ja ohutuse tagamisel.

Tugevuse ja vastupidavuse tasakaalustamine alifaatsete amiinidega kõvendatud epoksi komposiitides

Krubisuse kompromiss: IPDA kõrge moodul (3,2 GPa) versus vähenenud löögi vastupidavus vs. DETA

Alifaatsete amiinide valik tähendab materjalide disainis tasakaalutsemist kõvaduse ja vastupidavuse vahel. Võtke näiteks IPDA. Sellel on väga jäigas tsükloalifaatses struktuuris, mis annab suurepärase tõmbetugevuse umbes 3,2 GPa. Kuid siin on küll probleem: see ei talu üldse hästi lööke. Mikropragu tekib materjalides, kui neid korduvalt temperatuurimuutustele või äkklöökidele välja seatud. Teisalt loovutavad sirged ahelaga amiinid, näiteks DETA, osa kõvadusest (umbes 2,1 GPa), kuid kompenseerivad seda parema energiaabsorptsiooniga tänu nende paindlikele süsinikuahelatele, mis kõike omavahel ühendavad. Selle kompromissi põhjus on ristseoste tihedus. IPDA ei saa ristseotud struktuuri liiga tihti teha ilma selle liialdatud tihedusega, mille tulemusena tekivad jäigad, kuid habras võrgustikud. Samas võimaldab DETA vähem tihe struktuur ahelatel liikuda just piisavalt, et neil oleks võimalik löögienergiat enne kahju tekkimist neelata.

Hübriidküttestrategiad: alifaatsete amiinide kombinatsioon aromaatsete või polüeterrühmitatud amiinidega tugevuse säilitamiseks ja duktisuse parandamiseks

Tugevuse ja vastupidavuse tasakaalustamise probleem on viinud paljusid tootjaid tänapäeval hübriidkõvendussüsteemide poole. Hiljutised 2024. aastal BMC Chemistry ajakirjas avaldatud uuringud näitasid midagi huvitavat, kui IPDA-d segati TETAga umbes 3:1 suhtes. Mida see andis? Sürvekindlus jäi ligikaudu 94 MPa peale, kuid murdumisresistentsus paranes üllatavalt 40% võrra võrreldes puhta IPDA kasutamisega üksi. Ja märkige: toatemperatuuril kõvenemisaeg jäi põhimõtteliselt samaks. Need hübriidvalemid töötavad, sest nad ühendavad soojuskindluse tagamiseks aromaatseid komponente koos polüeterrühmadega, mis annavad ahelatele suurema paindlikkuse ning loovad sellise ületõmbatud võrgustruktuuri. Kui materjalid moodustavad töötlemise käigus need eraldatud faasid, muutuvad nad tegelikult stressi kogunemiskohadeks. See põhjustab mikropragude teket kontrollitud viisil, mis neelab energiat asemel, et lubada kahju levima kontrollimatult. Seega saavutame parema kaitse katkemise eest ilma kaotanud kiireid kõvenemisajasid ja tugevaid mehaanilisi omadusi, mida alifaatsed ühendid pakuvad.

KKK jaotis

Mis on alifaatsed amiinid?

Alifaatsed amiinid on amiinide klass, mille molekulaarstruktuur on peamiselt avatud ahelaga ja mis sisaldavad tavaliselt süsinik- lämmastiksidemeid. Neid kasutatakse epoksüde kõvastamisel, kuna nad suudavad kiiresti algatada ristseose moodustumise reaktsioone.

Kuidas toimib toatemperatuuril kõvastuv epoksü?

Toatemperatuuril kõvastuvad epoksüd on disainitud kõvastuma toatemperatuuril ilma täiendava soojenduseta. Kõvastajate, näiteks dietüleentriamiini (DETA) ja trietüleentetramiini (TETA), kasutamine tagab kiire kõvastumise ja kõrge tõmbetugevuse.

Mis on erinevus esmaniste ja teiseste amiinide vahel epoksüde kõvastamisel?

Esmanised amiinid reageerivad epoksüde kõvastamisel kiiremini, mis viib jäigamate struktuurideni, samas kui teisestel amiinidel moodustuvad paindlikumad sidemed, mis tagavad parema paindlikkuse ja ühtlasema kõvastumise pinnal.

Milline on hübridtheegiate kasutamise tähtsus?

Hübriidküttetusstrateegiad ühendavad alifaatsed amiine aromaatsete või polüeterrühmitatud amiinidega, et saavutada tugevuse ja paindlikkuse tasakaal, pakkudes parandatud murdumisresistentsust ja säilitades olulised mehaanilised omadused.