Korištenje razrjeđivača za epoksidne smole za kontrolu viskoznosti u formulacijama epoksidnih smola

Kako epoxy diluenti smanjuju i podešavaju viskoznost: mehanizmi i strukturna načela

Reaktivna nasuprot nereaktivnoj kemiji epoxy diluenata i njihovi reološki potpisi

Način na koji razrjeđivači epoksi smola utječu na viskoznost ovisi o potpuno različitim kemijskim procesima. Uzmimo primjerice reaktivna razrjeđivača poput butanediol diglicidil etera, koji sadrže posebne epoksi ili glicidil eter skupine koje zapravo postaju dio polimernog mrežnog sustava tijekom stvrdnjavanja. Ova vrsta razrjeđivača može smanjiti početnu viskoznost za 40 do 60 posto, bez velikog gubitka toplinske čvrstoće ili mehaničkih svojstava u usporedbi s njihovim nereaktivnim kolegama. Neke difunkcionalne reaktivne razrjeđivače iznimno su dobre u ovome jer održavaju tvrdoću originalne smole na razini od 85 do 90 posto, uz minimalno tzv. sniženje Tg-a, što znači da materijal ostaje stabilan na višim temperaturama. S druge strane, nereaktivni razrjeđivači djeluju više poput privremenih plastičnih sredstava tako što remete međumolekularne sile. Iako kratkoročno jednako učinkovito smanjuju viskoznost, uvijek postoji problem njihovog iscjeđivanja tijekom vremena ili odvajanja od glavnog materijala. S obzirom na reologiju, reaktivni razrjeđivači zapravo olakšavaju protok materijala smanjenjem aktivacijske energije za 15 do 20 posto. To pomaže kod ravnanja i vlaženja u onim debelim premazima s visokim udjelom čvrstih tvari koje se često susrećemo. Nereaktivne verzije na početku se ponašaju pristojno na Newtonov način, no to se mijenja nakon isparavanja otapala ili pri izloženosti fluktuacijama temperature, što na kraju utječe na konzistentnost konačnog proizvoda.

Molekulska težina, funkcionalnost i kinetika otvaranja prstena kao ključni faktori viskoznosti

Postoje u osnovi tri ključna čimbenika koja utječu na učinkovitost razrjeđivača u epoksidnim sustavima: njihova molekularna masa, ono što nazivamo funkcionalnošću i način na koji reagiraju kada se prstenovi otvore tijekom obrade. Kada je riječ o molekularnoj masi, sve ispod otprilike 200 grama po molu stvarno pomaže smanjenju viskoznosti. Za svakih pad od 100 g/mol težine, viskoznost obično pada između 1.200 i 1.500 centipoisa u DGEBA sustavima jer dolazi do manje zapetljavanja lanaca i smanjenja ograničenja slobodnog volumena. Aspekt funkcionalnosti potpuno je usmjeren na kontrolu gustoće mrežastih veza. Monofunkcionalni razrjeđivači mogu smanjiti viskoznost za pola do tri četvrtine, ali također snižavaju temperaturu staklastog prijelaza (Tg) otprilike 10 do 20 stupnjeva Celzijevih i smanjuju gustoću mrežastih veza za oko 30 do 40%. Difunkcionalne verzije ipak postižu bolju ravnotežu, zadržavajući većinu termičke stabilnosti dok još uvijek omogućuju obradu pri viskoznostima ispod 4.000 cP. Također je važno što se događa s reakcijama otvaranja prstena u pogledu vremena obrade. Alifatski epoksidi imaju tendenciju ubrzavanja procesa u usporedbi s aromatskim supstratima, povećavajući brzinu učvršćivanja za otprilike 25 do 30%, što materijal čini bržim u stvrdnjavanju, ali zahtijeva znatno strožu kontrolu trajanja uporabe. Prilagodbom ovih različitih parametara proizvođači mogu precizno podešavati svoje materijale od polaznih točaka oko 12.000 cP sve do ispod 4.000 cP, čineći ih prikladnima za sve, od namatanja niti gdje je niska viskoznost ključna, do procesa vakuumskog prodiranja koji zahtijevaju nešto više viskoznosti za odgovarajuće protjecanje smole.

Biorazgradivi epoksidni razrjeđivači: Učinkovitost i praktičnost derivata karvakrola, timola, guajakola i vanilinskog alkohola

Učinkovitost sinteze i prinos epoksidacije za epoksidne razrjeđivače na bazi fenolnih monoterpena

Kada je riječ o prinosima epoksidacije, derivati karvakrola i timola zaista se ističu, postižući više od 95% u vrlo blagim uvjetima od oko 60 do 80 stupnjeva Celzijevih. Sustavi guajakola djeluju još brže, završavajući reakcije već za tri dana. Ono što posebno čini derivat vanelilnog alkohola zanimljivim jest način na koji štite fenolne hidroksilne skupine kroz steričke efekte. To rezultira znatno boljom selektivnošću tijekom reakcija i stvaranjem znatno manje neželjenih nusproizvoda, što znači manje problema pri kasnijoj pročišćavanju finalnog proizvoda. Uz obzir na nedavni razvoj metoda bez otapala, vidjeli smo dosljedne rezultate iznad 90% prinosa čak i na većim pilotnim razmjerima. To je važno jer ove procese čini ekonomski atraktivnima, ali istovremeno i prijateljskima prema okolišu. Za poduzeća koja žele plasirati biobazirane razrjeđivače na tržište, ovakve poboljšanja učinkovitosti predstavljaju stvarni napredak prema izvedivim komercijalnim rješenjima.

Učinkovitost smanjenja viskoznosti: Usporedbeni podaci u odnosu na DGEBA

Kada se dodaju u koncentraciji od 15 mas.%, razrjeđivači izvedeni iz karvakrola značajno smanjuju viskoznost DGEBA, zapravo za 78 do 92 posto. Rezultirajuće viskoznosti kreću se otprilike od 1.050 do 2.500 cP, zbog čega su ovi materijali stvarno pogodni za procese poput impregnacije smolom i vakuumskom asistiranom proizvodnji. Kod analoga timola također vidimo zanimljivu ovisnost o temperaturi. Na sobnoj temperaturi (oko 25 stupnjeva Celzijevih), smjese dosežu oko 1.800 cP, ali prelaze na Newtonovo ponašanje toka kada temperatura poraste iznad 40 stupnjeva Celzijevih. Ovo svojstvo pomaže u poboljšanju konzistentnosti punjenja kalupa pri varirajućim uvjetima temperature tijekom proizvodnih serija. Međutim, razrjeđivači na bazi guajakola nisu baš tako učinkoviti, jer smanjuju viskoznost samo za oko 60 do 70 posto. Zanimljivo je da iako varijante alkohola vanilina imaju veće molekulske mase, ipak uspijevaju doseći viskoznost od oko 3.700 cP. To pokazuje kako određene biološke strukture mogu nadoknaditi ograničenja koja bi inače uzrokovala povećana masa. Posebno je vrijedno napomene da razrjeđivači koji održavaju sadržaj biomase od najmanje 40 posto imaju jednako dobre, ako ne i bolje, performanse od tradicionalnih petrokemijskih alternativa kada je riječ o upravljanju viskoznošću pri sličnim razinama dodavanja.

Balansiranje kompromisa u performansama: sadržaj biokomponenti, reaktivnost i termička svojstva

Kada se radi s biobaziranim epoksidnim razrjeđivačima, formulanti moraju uravnotežiti ciljeve održivosti s performansama koje materijal treba ostvariti. Biljne sirovine poput fenolika i monoterpena obično više smanjuju viskoznost u odnosu na tradicionalne opcije, kada se promatra količina upotrijebljenog materijala. No postoji prepreka. Ovi obnovljivi sastojci mogu promijeniti molekularnu strukturu na način koji ubrzava kemijske reakcije tijekom stvrdnjavanja. Ispitivanja pokazuju da to može ubrzati proces stvrdnjavanja za oko 25 do 30 posto, iako to najčešće znači manje nastalih unakrsnih veza, smanjenih za otprilike 10 do 15 posto. Rezultat? Primjetan pad temperature staklenja (Tg) između 5 i 20 stupnjeva Celzijevih nakon što se sve stegne. Alifatske strukture pomažu u poboljšanju otpornosti materijala na pukotine, ali uz cijenu smanjene otpornosti na toplinu. To je vrlo važno za kompozitne dijelove koji moraju pouzdano funkcionirati čak i kada temperature prijeđu 100 °C. Postizanje pravilnog balansa temelji se na razumijevanju svih ovih međuodnosa. Formulanti moraju birati razrjeđivače koji zadovoljavaju određene standarde Tg-a, a istovremeno odgovaraju vremenskim okvirima proizvodnje vezanim uz trajanje uporabe i trenutak kada se dijelovi mogu sigurno ukloniti iz kalupa.

Usklađivanje učinkovitosti razrjeđivača za epoksid: Reologija, ponašanje tijekom otvrdnjavanja i konačne performanse kompozita

Reološki profiliranje u rasponu opterećenja razrjeđivačem za epoksid od 0–15 težinskih postotaka

Kada se dodaju u koncentraciji od 0 do 15 postotaka težinskih, razrjeđivači epoksi smola smanjuju kompleksnu viskoznost za oko 40 do 70% u usporedbi s čistim DGEBA materijalom. Na otprilike 10 postotaka težinskih, kompleksna viskoznost pada ispod 4.000 centipoisa, što se općenito smatra dovoljno dobrim za odgovarajuće premazivanje vlakana tijekom proizvodnje kompozita. Pregled viskoelastičnih svojstava pokazuje još nešto zanimljivo. Modul skladištenja i modul gubitka dulje vremena rastu u ovim modificiranim sustavima. Rani rezultati mjerenja modula skladištenja su otprilike 20 do 30% niži nego u standardnim formulacijama, što ukazuje na sporiji razvoj elastičnih mreža unutar materijala. To zapravo može pomoći pri obradi, ali nosi i određene rizike. Kada koncentracije prijeđu 12 postotaka težinskih, sve veća je vjerojatnost fazne separacije, što remeti jednolikost križnih veza i konačno utječe na kvalitetu gotovih dijelova. Dobra vijest je da pravilno uravnotežene smjese razrjeđivača i dalje održavaju karakteristike smanjenja viskoznosti pri smicanju, pa dosljedno ispune kalupe bez preranog stvrdnjavanja tijekom proizvodnje.

Utjecaj na vrijeme želiranja, temperaturu staklastog prijelaza i gustoću mreženja

Dodavanjem reaktivnih razrjeđivača vrijeme želiranja može se skratiti za otprilike 15 do 25 posto kada se dodaju u količini od 5 do 10 postotaka težine. To se događa zato što epoksidne skupine postaju pokretljivije, a proces otvaranja prstena ubrzava. No najvažnije je koliko su ti razrjeđivači funkcionalni. Oni s jednom funkcionalnom skupinom obično snižavaju temperaturu staklastog prijelaza za oko 10 do 20 stupnjeva Celzijusovih pri dodatku od 15 postotaka težine. S druge strane, dvofunkcionalni razrjeđivači zadržavaju temperaturu staklastog prijelaza znatno bližu izvornom smolu, obično unutar samo 5 do 10 stupnjeva. Kada je riječ o gustoći mreženja, vidimo slično ponašanje. Dvofunkcionalni razrjeđivači zadržavaju približno 85 do 90 posto mreža prisutnih u nerazrijeđenim materijalima. Jednofunkcionalne varijante znatno otpadaju, obično padajući na samo 60 do 70 posto. Za najbolje rezultate većina proizvođača teži dodatku od 8 do 10 postotaka težine. Na toj razini materijal postaje dovoljno obradiv s viskoznošću ispod 4.000 centipoisa, održava temperaturu staklastog prijelaza iznad 120 stupnjeva Celzijusovih potrebnih za strukturne primjene i zadržava dovoljnu gustoću mreženja za dobre mehaničke osobine. Međutim, prelaskom preko 12 postotaka težine počinu se javljati ozbiljni problemi. Toplinska stabilnost pada, čvrstoća na posmično naprezanje između slojeva slabije, a dijelovi se tijekom vremena mogu izobličiti. Ovi problemi rijetko su obrativi nakon što se jave.