एपॉक्सी राल सूत्रों में श्यानता को नियंत्रित करने के लिए एपॉक्सी डाइल्यूएंट्स का उपयोग

एपॉक्सी तनुकारक कैसे श्यानता को कम और समायोजित करते हैं: तंत्र और संरचनात्मक सिद्धांत

प्रतिक्रियाशील बनाम गैर-प्रतिक्रियाशील एपॉक्सी तनुकारक रसायन और उनके विरूपणजनित हस्ताक्षर

एपॉक्सी तनुकारकों का श्यानता पर प्रभाव पूरी तरह से अलग रासायनिक प्रक्रियाओं पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, ब्यूटेनडाइऑल डाइग्लिसिडिल ईथर जैसे प्रतिक्रियाशील तनुकारक लें—इनमें विशेष एपॉक्सी या ग्लिसिडिल ईथर समूह होते हैं जो जमने के समय वास्तव में बहुलक नेटवर्क का हिस्सा बन जाते हैं। ऐसे तनुकारक प्रारंभिक श्यानता को गैर-प्रतिक्रियाशील समकक्षों की तुलना में थर्मल या यांत्रिक गुणों में बहुत कम कमी किए बिना 40 से 60 प्रतिशत तक कम कर सकते हैं। कुछ द्विक्रियात्मक प्रतिक्रियाशील तनुकारक इसमें विशेष रूप से अच्छे हैं, जो मूल राल की कठोरता के लगभग 85 से 90 प्रतिशत को बनाए रखते हैं और 'Tg अवनमन' को न्यूनतम रखते हैं, जिसका अर्थ है कि सामग्री उच्च तापमान पर स्थिर रहती है। दूसरी ओर, गैर-प्रतिक्रियाशील तनुकारक अस्थायी प्लास्टिकाइज़र की तरह काम करते हैं जो अणुओं के बीच के बलों में हस्तक्षेप करते हैं। निश्चित रूप से वे अल्पकालिक रूप से श्यानता को उतनी ही प्रभावी ढंग से कम करते हैं, लेकिन उनके समय के साथ मुख्य सामग्री से पलायन या अलग होने की समस्या हमेशा रहती है। रेओलॉजिकल दृष्टिकोण से, प्रतिक्रियाशील तनुकारक वास्तव में सक्रियण ऊर्जा को 15 से 20 प्रतिशत के बीच कम करके प्रवाह को आसान बनाते हैं। यह उन मोटी, उच्च ठोस लेपन में स्तरीकरण और गीला करने जैसी चीजों में मदद करता है जो हम अक्सर देखते हैं। गैर-प्रतिक्रियाशील संस्करण न्यूटनियन तरीके से शुरू में अच्छा व्यवहार करते हैं, लेकिन जब विलायक वाष्पित हो जाते हैं या तापमान में उतार-चढ़ाव के संपर्क में आते हैं तो यह बदल जाता है, जो अंततः अंतिम उत्पाद की स्थिरता को प्रभावित करता है।

अणु भार, क्रियाशीलता और रिंग-खुलने की गतिशीलता ज्यों की एक महत्वपूर्ण चिपचिपाहट निर्धारक

मूल रूप से तीन प्रमुख कारक होते हैं जो एपॉक्सी प्रणालियों में तनुकारकों के काम करने की क्षमता को प्रभावित करते हैं: उनका आण्विक भार, जिसे हम क्रियाशीलता (फंक्शनैलिटी) कहते हैं, और प्रसंस्करण के दौरान छल्ले खुलने पर उनकी अभिक्रिया। आण्विक भार के मामले में, लगभग 200 ग्राम प्रति मोल से कम का कोई भी मान विस्कोसिटी को कम करने में वास्तव में मदद करता है। DGEBA प्रणालियों में भार में प्रत्येक 100 ग्राम/मोल की गिरावट के साथ विस्कोसिटी लगभग 1,200 से 1,500 सेंटीपॉइज़ के बीच गिर जाती है, क्योंकि श्रृंखला में उलझाव कम होता है और उन मुक्त आयतन बाधाओं में कमी आती है। क्रियाशीलता पहलू संयोजन घनत्व को नियंत्रित करने के बारे में है। एकक्रियाशील तनुकारक विस्कोसिटी को लगभग आधे से तीन-चौथाई तक कम कर सकते हैं, लेकिन वे कांच संक्रमण तापमान (Tg) को लगभग 10 से 20 डिग्री सेल्सियस तक कम कर देते हैं और संयोजन घनत्व को लगभग 30 से 40% तक कम कर देते हैं। द्विक्रियाशील संस्करण बेहतर संतुलन बनाए रखते हैं, अधिकांश तापीय स्थिरता को बरकरार रखते हुए भी 4,000 cP से कम की विस्कोसिटी पर प्रसंस्करण की अनुमति देते हैं। छल्ले खुलने की प्रतिक्रिया के साथ क्या होता है, यह भी प्रसंस्करण के समय के लिए महत्वपूर्ण है। ऐलिफैटिक एपॉक्साइड अपने समांतर सुगंधित समकक्षों की तुलना में चीजों को तेज कर देते हैं, जो उपचार दर को लगभग 25 से 30% तक बढ़ा देते हैं, जिससे पदार्थ तेजी से जम जाता है, लेकिन बर्तन जीवन (पॉट लाइफ) पर बहुत कसकर नियंत्रण की आवश्यकता होती है। इन विभिन्न मापदंडों को समायोजित करके निर्माता अपनी सामग्री को लगभग 12,000 cP के प्रारंभिक बिंदु से लेकर 4,000 cP से नीचे तक सटीक ढंग से समायोजित कर सकते हैं, जिससे वे फिलामेंट वाइंडिंग ऑपरेशन जैसी चीजों के लिए उपयुक्त हो जाते हैं जहां कम विस्कोसिटी महत्वपूर्ण है, साथ ही वैक्यूम इंफ्यूजन प्रक्रियाओं के लिए भी जिन्हें उचित रेजिन प्रवाह के लिए थोड़ी अधिक विस्कोसिटी की आवश्यकता होती है।

जैव-आधारित एपॉक्सी तनुकारक: कार्वाक्रोल, थाइमोल, ग्वाइएसिओल और वैनिलिल एल्कोहल व्युत्पन्न के लिए प्रदर्शन और व्यावहारिकता

फेनोलिक मोनोटरपीन-आधारित एपॉक्सी तनुकारक के लिए संश्लेषण दक्षता और एपॉक्सीकरण उपज

एपॉक्सीकरण उपज के मामले में, कैरवाक्रोल और थाइमोल व्युत्पन्न वास्तव में उत्कृष्ट प्रदर्शन करते हैं, जो लगभग 60 से 80 डिग्री सेल्सियस की बहुत हल्की परिस्थितियों में 95% से अधिक की उपज देते हैं। ग्वाइएकॉल प्रणालियाँ और भी तेज़ी से काम करती हैं, लगभग तीन दिनों के भीतर अभिक्रिया पूरी कर लेती हैं। वैनिलिल एल्कोहल व्युत्पन्नों की विशेषता यह है कि वे स्थूल-प्रभाव (स्टेरिक इफेक्ट) के माध्यम से फीनोलिक हाइड्रॉक्सिल समूहों की रक्षा कैसे करते हैं। इससे अभिक्रियाओं के दौरान बहुत बेहतर चयनात्मकता आती है और अवांछित सह-उत्पादों की मात्रा काफी कम होती है, जिसका अर्थ है बाद में अंतिम उत्पाद को शुद्ध करने में कम परेशानी। विलायक-मुक्त विधियों में हाल के विकास को देखते हुए, हमने बड़े पैमाने पर पायलट स्तर पर भी लगातार 90% से ऊपर की उपज देखी है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि इससे ये प्रक्रियाएँ आर्थिक रूप से आकर्षक बन जाती हैं, साथ ही पर्यावरण के लिए भी अधिक मित्रवत्। जैव-आधारित तनुकारकों को बाजार में लाने की इच्छा रखने वाली कंपनियों के लिए, दक्षता में ये सुधार व्यावहारिक व्यावसायिक समाधानों की ओर वास्तविक प्रगति को दर्शाते हैं।

श्यानता में कमी की प्रभावकारिता: DGEBA के विरुद्ध तुलनात्मक आंकड़े

15 भार प्रतिशत पर लोड करने पर, कैरवाक्रोल से प्राप्त तनुकारक DGEBA की श्यानता में काफी कमी करते हैं, वास्तव में लगभग 78 से 92 प्रतिशत तक। परिणामी श्यानता लगभग 1,050 से 2,500 cP की सीमा में होती है, जो इन सामग्रियों को राल इंफ्यूज़न और वैक्यूम सहायता वाली निर्माण प्रक्रियाओं जैसी चीजों के लिए वास्तव में उपयुक्त बनाती है। थाइमोल समरूपों पर ध्यान देने पर, हमें यहाँ तापमान प्रतिक्रिया में भी दिलचस्प बातें देखने को मिलती हैं। कमरे के तापमान (लगभग 25 डिग्री सेल्सियस) पर, मिश्रण लगभग 1,800 cP के करीब पहुँच जाता है, लेकिन एक बार जब तापमान 40 डिग्री सेल्सियस से ऊपर चढ़ जाता है, तो यह न्यूटोनियन प्रवाह विशेषताओं में बदल जाता है। उत्पादन चक्र के दौरान भिन्न तापमान स्थितियों का सामना करते समय यह गुण मोल्ड भरने की निरंतरता में सुधार करने में सहायता करता है। हालाँकि ग्वाइएकॉल आधारित तनुकारक इतने प्रभावी नहीं होते हैं, जो केवल श्यानता में लगभग 60 से 70 प्रतिशत तक की कमी कर पाते हैं। दिलचस्प बात यह है कि, भले ही वेनिलिल अल्कोहल विविधताओं का आणविक भार अधिक होता है, फिर भी वे लगभग 3,700 cP तक पहुँचने में सक्षम होते हैं। यह दर्शाता है कि कुछ जैविक संरचनाएँ बढ़ी हुई द्रव्यमान के कारण होने वाली सीमाओं की भरपाई कैसे कर सकती हैं। विशेष रूप से उल्लेखनीय यह है कि कम से कम 40% बायोमास सामग्री बनाए रखने वाले तनुकारक पारंपरिक पेट्रोरासायनिक विकल्पों की तुलना में समान लोडिंग स्तर पर श्यानता नियंत्रित करने के मामले में उतना ही अच्छा, यदि नहीं तो बेहतर प्रदर्शन करते हैं।

प्रदर्शन व्यापार-ऑफ़ को संतुलित करना: जैव सामग्री, प्रतिक्रियाशीलता और तापीय गुण

जैव-आधारित एपॉक्सी तनुकारकों के साथ काम करते समय, फॉर्मूलेटर को सामग्री के उचित प्रदर्शन की आवश्यकताओं के खिलाफ स्थिरता लक्ष्यों का संतुलन बनाने की आवश्यकता होती है। फ़ीनॉलिक्स और मोनोटरपीन्स जैसी पौधे आधारित सामग्री पारंपरिक विकल्पों की तुलना में उपयोग की गई सामग्री की मात्रा के संदर्भ में चिपचिपाहट को कम करने में बेहतर होती हैं। लेकिन एक समस्या है। इन नवीकरणीय सामग्रियों में आण्विक संरचना में ऐसे बदलाव हो सकते हैं जो उष्मा दृढीकरण के दौरान रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज़ कर देते हैं। परीक्षणों से पता चलता है कि यह दृढीकरण प्रक्रिया को लगभग 25 से 30 प्रतिशत तक तेज़ कर सकता है, हालाँकि इसका आमतौर पर यह अर्थ होता है कि क्रॉसलिंक्स की संख्या कम हो जाती है, जो लगभग 10 से 15 प्रतिशत तक घट जाती है। परिणाम? एक बार सब कुछ स्थापित हो जाने के बाद ग्लास ट्रांज़िशन तापमान (Tg) में 5 से 20 डिग्री सेल्सियस की स्पष्ट गिरावट आती है। ऐलिफैटिक संरचनाएँ सामग्री के दरारों के प्रति व्यवहार को बेहतर बनाने में मदद करती हैं, लेकिन इसके लिए ऊष्मा प्रतिरोध में कमी की कीमत चुकानी पड़ती है। यह उन संयुक्त भागों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है जिन्हें 100°C से अधिक तापमान तक पहुँचने पर भी विश्वसनीय ढंग से काम करने की आवश्यकता होती है। इसे सही करना इन सभी संबंधों को समझने पर निर्भर करता है। फॉर्मूलेटर को ऐसे तनुकारकों का चयन करना चाहिए जो निश्चित Tg मानदंडों को प्राप्त करें, साथ ही साथ उपयोग की अवधि (pot life) और साँचे से भागों को सुरक्षित ढंग से निकालने के समय जैसी उत्पादन से जुड़ी समयसीमा के अनुरूप हों।

इपॉक्सी डाइलुएंट की प्रभावशीलता का तुलनात्मक मूल्यांकन: रेओलॉजी, क्योरिंग व्यवहार और अंतिम सम्मिश्रण प्रदर्शन

0–15 भार% इपॉक्सी डाइलुएंट लोडिंग के आर-पार रेओलॉजिकल प्रोफाइलिंग

0 से 15 वजन प्रतिशत के बीच लोड करने पर, एपॉक्सी डाइल्यूएंट्स शुद्ध DGEBA सामग्री की तुलना में जटिल श्यानता को लगभग 40 से 70% तक कम कर देते हैं। लगभग 10 वजन प्रतिशत सांद्रता पर, जटिल श्यानता 4,000 सेंटीपॉइज़ से नीचे चली जाती है जो आमतौर पर संयुग्म उत्पादन के दौरान उचित फाइबर वेटिंग के लिए पर्याप्त माना जाता है। विस्कोइलास्टिक गुणों को देखने से यह भी पता चलता है कि रोचक बात। इन संशोधित प्रणालियों में भंडारण मापांक और हानि मापांक दोनों को बनाने में अधिक समय लगता है। भंडारण मापांक के प्रारंभिक मापन लगभग 20 से 30% कम होते हैं जो मानक सूत्रीकरण में देखे जाने वाले की तुलना में होते हैं, जो सामग्री के भीतर लचीले नेटवर्क के धीमे विकास को दर्शाता है। यह वास्तव में प्रसंस्करण में मदद कर सकता है लेकिन इसके साथ जोखिम भी आते हैं। एक बार जब सांद्रता 12 वजन प्रतिशत से आगे बढ़ जाती है, तो चरण अलगाव की संभावना बढ़ जाती है, जो क्रॉसलिंक की एकरूपता को बिगाड़ देता है और अंततः अंतिम भागों की गुणवत्ता को प्रभावित करता है। अच्छी खबर यह है कि उचित रूप से संतुलित डाइल्यूएंट मिश्रण अपनी अपरूपण पतली विशेषताओं को बनाए रखते हैं, इसलिए वे निर्माण के दौरान बहुत जल्दी जेल नहीं होने के बिना लगातार ढालों को भरते हैं।

जेल समय, कांच संक्रमण तापमान और क्रॉसलिंक घनत्व पर प्रभाव

5 से 10 वजन प्रतिशत के बीच लोड करने पर प्रतिक्रियाशील तनुकारक जेल समय को लगभग 15 से 25 प्रतिशत तक कम कर सकते हैं। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि एपॉक्सी समूह अधिक गतिशील हो जाते हैं और रिंग खुलने की प्रक्रिया तेज़ हो जाती है। लेकिन वास्तव में यह महत्वपूर्ण है कि ये तनुकारक कितने क्रियाशील हैं। एकल-क्रियाशील तनुकारक 15 वजन प्रतिशत लोड पर ग्लास ट्रांज़िशन तापमान को लगभग 10 से 20 डिग्री सेल्सियस तक कम कर देते हैं। दूसरी ओर, द्वि-क्रियाशील प्रकार मूल राल के बहुत करीब ग्लास ट्रांज़िशन तापमान बनाए रखते हैं, आमतौर पर केवल 5 से 10 डिग्री के भीतर। क्रॉसलिंक घनत्व के मामले में, हमें समान व्यवहार देखने को मिलता है। द्वि-क्रियाशील तनुकारक अतनित सामग्री में पाए जाने वाले क्रॉसलिंक्स के लगभग 85 से 90 प्रतिशत बनाए रखते हैं। एकल-क्रियाशील विकल्प काफी कम गिर जाते हैं, आमतौर पर केवल 60 से 70 प्रतिशत तक गिरते हैं। सर्वोत्तम परिणामों के लिए, अधिकांश निर्माता 8 से 10 वजन प्रतिशत लोडिंग का लक्ष्य रखते हैं। इस स्तर पर, सामग्री 4,000 सेंटीपॉइज़ से कम श्यानता के साथ पर्याप्त रूप से कार्य करने योग्य हो जाती है, संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक 120 डिग्री सेल्सियस से ऊपर ग्लास ट्रांज़िशन तापमान बनाए रखती है, और अच्छे यांत्रिक गुणों के लिए पर्याप्त क्रॉसलिंक घनत्व बनाए रखती है। 12 वजन प्रतिशत से अधिक जाने पर गंभीर समस्याएं शुरू हो जाती हैं। तापीय स्थिरता कम हो जाती है, अंतरपरत अपरूपण ताकत कमजोर हो जाती है, और समय के साथ भाग विकृत हो सकते हैं। एक बार ऐसा होने के बाद ये समस्याएं लगभग कभी उलट नहीं पाती हैं।