שימוש בממסים אפוקסיים לשליטה בצמיגות בתערובות רזין אפוקסי

איך מסיסי אפוקסי מורידים ומאושרים צמיגות: מנגנונים ועקרונות מבניים

כימיה של מסיסי אפוקסי ריאקטיביים לעומת לא ריאקטיביים והחתימות הריאולוגיות שלהם

הדרך בה דילואנטים אפוקסידיים משפיעים על צמיגות תלויה בתהליכים כימיים שונים לחלוטין. קחו לדוגמה דילואנטים תגובתיים כמו בוטנדיאול די-גליצידיל אתר, שמכילים קבוצות אפוקסי או גליצידיל אתר מיוחדות שממש הופכות חלק מהרשת הפולימרית בעת הקשיה. סוגים אלו של דילואנטים יכולים להפחית את הצמיגות הראשונית ב-40 עד 60 אחוז, מבלי להקריב הרבה מהתכונות המכניות או החוזק התרמי של החומר, בהשוואה לאלה שאינם תגובתיים. חלק מדילואנטים תגובתיים דו-פונקציונליים מצטיינים במיוחד בכך, ושומרים על סביבות 85 עד 90 אחוזים מקשיחות הרזין המקורי, תוך שמירה על ירידת Tg מינימלית, כלומר החומר נשאר יציב בטמפרטורות גבוהות. מאידך, דילואנטים לא תגובתיים פועלים יותר כמו פלסטייזרים זמניים, על ידי הפרעה לכוחות בין מולקולריים. הם בהחלט מורידים את הצמיגות בצורה יעילה באותה מידה בזמן קצר, אך תמיד קיימת הבעיה של נדידה שלהם לאורך זמן או של היפרדות מהחומר העיקרי. מבחינת עקרונות ריאולוגיה, דילואנטים תגובתיים באמת מקלים על זרימה של חומרים על ידי הפחתת אנרגיית ההפעלה בכ-15 עד 20 אחוז. זה עוזר לדברים כמו שיטוח והרטבה במעטמים עבים ובעלי תכולת חומרים מוצקים גבוהה, שכפי שידוע לנו, נפוצים מאוד. גרסאות לא תגובתיות מתחילות להתנהג יפה באופן ניוטוני, אך מצב זה משתנה לאחר שהתמיסות מתאדות או כשיש חשיפה לשינויי טמפרטורה, מה שבסופו של דבר משפיע על עקביות המוצר הסופי.

משקל מולקולרי, פונקציונליות, וקינטיקת פתיחת טבעת כגורמי מפתח בצמיגות

למעשה, יש שלושה גורמים עיקריים שמשפיעים על היעילות של מוסיפים במערכות אפוקסי: המשקל המולקולרי, מה שאנו מכנים פונקציונליות, ואופן ההתנהגות שלהם כאשר טבעות נפתחות בתהליך העיבוד. מבחינת המשקל המולקולרי, כל ערך שמתחת לערך קריטי של כ-200 גרם למול מסייע בצורה משמעותית להורדת הצמיגות. עם ירידה של 100 גרם/מול במשקל, הצמיגות יורדת בדרך כלל בין 1,200 ל-1,500 סנטיפואיז במערכות DGEBA, עקב הפחתת שזירות השרשרת והורדת אילוצי הנפח החופשי. היבט הפונקציונליות קשור לשליטה בצפיפות הקשרים הצולבים. מוספים חד-פונקציונליים יכולים להוריד את הצמיגות במחצית עד שלושה רבעים, אך הם גם מורידים את טמפרטורת המעבר הזجاجי (Tg) בכ-10–20 מעלות צלזיוס ומקטינים את צפיפות הקשרים הצולבים ב-30–40%. לעומת זאת, מוספים דו-פונקציונליים מציעים איזון טוב יותר, שכן הם שומרים על יציבות תרמית גבוהה יחסית, ועדיין מאפשרים עיבוד בצמיגות מתחת ל-4,000 סנ"ד. גם התגובה במהלך פתיחת הטבעות חשובה מבחינת זמני עיבוד. אפוקסידים אליפטיים נוטים להאיץ את התהליך בהשוואה לאלה מסוג ארומטי, ומעלה את קצב הקישור בכ-25–30%, מה שגורם לחומר לקשה מהר יותר, אך דורש שליטה הדוקה יותר על משך חיי הסיר. על ידי התאמת הפרמטרים השונים, יצרנים יכולים לכוונן בדיוק את חומרי הבסיס שלהם, מצמיגות התחלתית של כ-12,000 סנ"ד ועד פחות מ-4,000 סנ"ד, ומאפשרים שימוש במגוון היישומים – החל מליפוף חוטים, בהם נחוצה צמיגות נמוכה, ועד תהליכי השקה בתוכו, הדורשים צמיגות מעט גבוהה יותר לצורך זרימה נכונה של הרזין.

מסילונים אפוקסיים ממקורות ביולוגיים: ביצועים ותועלת מעשית של יבולי קרווהקרול, טימול, גואיאקול ואלכוהול ונילי

יעילות סינתזה ושיעור אפוקסידציה למסילונים אפוקסיים מבוססי מונוטרפנים פנוליים

כשמדובר בתוצרים של אפוקסידציה, נגזרות של קרווהקרול ותימול מתרחשות במיוחד, עם תוצar השורף 95% בתנאים מתונים למדי, בין 60 ל-80 מעלות צלזיוס. מערכות הגואיאקול פועלות אפילו מהר יותר, ומסיימות את התגובות תוך ימים בודדים. מה שמעניין במיוחד בנגזרות של כוהל ואניליל הוא הדרך שבה הן מגנות על קבוצות ההידרוקסיל הפנוליות באמצעות אפקטים סטראים. זה מביא לבחירה טובה בהרבה במהלך התגובות ויוצר הרבה פחות תוצרים לוואי לא רצויים, מה שפירושו פחות בעיות בשלב הניקוי של המוצר הסופי. בהסתכלות על פיתוחים אחרונים בשיטות ללא מסיסנים, ראינו תוצאות עקביות שנותנות ת_yield por 90% גם בקנה מידה גדול יותר, בקנה מידה של ייצור ניסיוני. זה חשוב כי זה הופך את התהליכים האלה למושכים מבחינה כלכלית וגם ידידותיים יותר לסביבה. לחברות שרוצות להכניס שומנים ביולוגיים לשוק, שיפורים באפקטיביות כמו אלה מייצגים התקדמות אמיתית לקראת פתרונות מסחריים ישימים.

יעילות הפחתת צמיגות: נתונים השוואתיים מול DGEBA

כאשר נטענים ב-15 wt%，דילואנטים ממקור קרווהקולור מצמצמים באופן משמעותי את צמיגות DGEBA，בכ-78 עד 92 אחוז. הצמיגויות המתקבלות נעות בין כ-1,050 ל-2,500 cP，מה שהופך את החומרים האלה למתאימים במיוחד לפעולות כמו שטיפת רזין ותהליכי ייצור בהפעלת ריק. בדיקה של תיאמול אנלוגי מגלה גם כן תגובות מעניינות לטמפרטורה. בטמפרטורת החדר (בערך 25 מעלות צלזיוס)，התערובות מגיעות לכ-1,800 cP אך לאחר מכן עוברות לתכונות זרימה ניוטוניאניות כאשר הטמפרטורות עולות מעל 40 מעלות צלזיוס. תכונה זו מסייעת בשיפור עקביות מילוי הזריבה כשמדובר בתנאי חום משתנים במהלך פעולות ייצור. עם זאת，דילואנטים מבוססי גוואיקול פחות אפקטיביים，ומצמצמים את הצמיגות רק ב-60 עד 70%. מעניין כי למרות שווריאציות של אלכוהול וניליyl יש משקל מולקולרי גבוה יותר，הן עדיין מצליחות להגיע לצמיגות של כ-3,700 cP. זה מראה כיצד מבנים ביולוגיים מסוימים יכולים לפצות על מה שהיה נחשב למגבלות הנגרמות ממשקל רב יותר. מה שמדגיש במיוחד הוא שדילואנטים ששומרים על לפחות 40% תוכן ביולוגי מתפקדים באותה מידה，אם לא טוב יותר，מאפשרות פטרוכימיות מסורתיות כשמדובר בשליטה בצמיגות ברמות טעינה דומות.

איזון בין תהליכי ביצוע: תוכן ביולוגי, ריאקטיביות ותכונות תרמיות

כשעובדים עם מפיחים אפוקסידיים מבוססי חומרים ביולוגיים, על המהנדסים להשלים בין יעדי הקיימות לבין הצורך שהחומר יבצע כראוי. חומרים צמחיים כמו פנולים ומונה-טרפנים נוטים לצמצם את הצמיגות בצורה טובה יותר מאפשרויות מסורתיות כאשר בודקים לפי כמות החומר בשימוש. אך קיימת דוכתנה. חומרי הגלם המתחדשים הללו יכולים לשנות את המבנה המולקולרי בדרך שמאיצה את התגובות הכימיות במהלך הקיבוע. מבחנים מראים שזה יכול להאיץ את תהליך הקיבוע בכ-25 עד 30 אחוז, אם כי לרוב זה אומר שנוצרים פחות קשרים צלבניים, והפחתה של כ-10 עד 15 אחוז. התוצאה? ירידה מורגשת בטמפרטורת המעבר הזجاجי (Tg) שבין 5 ל-20 מעלות צלזיוס לאחר שקורה הסטיה. מבנים אליפטיים עוזרים ביכולת החומר לעמוד בסדקים, אך במחיר של ירידה בהתנגדות לחום. זה חשוב במיוחד לרכיבים מרוכבים שצריכים לשמור על ביצועים מהימנים גם כאשר הטמפרטורות עולות מעל 100° צלזיוס. הגישה הנכונה כאן תלויה בהבנת כל הקשרים הללו. על המהנדסים לבחור מפיחים שיעמדו בדרישות מינימליות מסוימות של Tg, ובמקביל יתאימו ללוחות זמנים של הייצור הקשורים לדברים כמו משך חיי הסיר ומועד הוצאת החלקים באופן בטוח מהצופים.

השוואת יעילות של מפיח רזינית אפוקסי: ריאולוגיה, התנהגות עיבוי וביצועי הסופגון הסופיים

אפיון ריאולוגי בטווח טעינה של 0–15% במשקל של מפיח רזינית אפוקסי

כאשר מוסיפים חומרי דילול אפוקסי בטווח של 0 עד 15 אחוז משקל, הצמיגות המורכבת יורדת ב-40 עד 70% בהשוואה לחומר DGEBA טהור. בריכוז של כ-10 אחוז משקל, הצמיגות המורכבת יורדת מתחת ל-4,000 סנטיפואז, מה שמספיק באופן כללי להרטנת סיבים מתאימה בייצור קומפוזיטים. בחינה של תכונות ויסקו-אלסטיות מגלה גם כאן דבר מעניין: מודול האיחסון ומודול האבידה ממשיכים לבנות ערך גבוה יותר לאורך זמן במערכות המותאמות אלו. מדידות מוקדמות של מודול האיחסון נמוכות בכ-20 עד 30% לעומת התערובות הסטנדרטיות, מה שמצביע על פיתוח איטי יותר של רשתות אלסטיות בתוך החומר. מצב זה יכול לסייע בעיבוד, אך כולל גם סיכונים. כאשר הריכוזים עולים על 12 אחוז משקל, הסיכון להפרדה פאזית עולה, מה שמטעה את אחידות הקruz'לינקים ומשפיע בסופו של דבר על איכות החלקים הסופיים. החדשות הטובות הן שתערובות חומרי דילול מאוזנות נכון שומרות על תכונת ה-shear thinning, ולכן ממלאות תבניות באופן עקבי מבלי לג'ל מוקדם מדי במהלך הייצור.

השפעה על זמן ג'ל, טמפרטורת מעבר זכוכית, וצפיפות צלבית

הוספת דילואנטים ריאקטיביים יכולה לקצר את זמן הג'ל ב-15 עד 25 אחוז בערך, כאשר הם נטענים בין 5 ל-10 אחוז לפי משקל. זה קורה בגלל שקבוצות האפוקסי הופכות לנעדרות יותר והתהליך של פתיחת הטבעת מאיץ. אך מה שחשוב באמת הוא כמה פונקציונליים הדילואנטים הללו. אלו בעלי פונקציה אחת נוטים להוריד את טמפרטורת המעבר הזجاجי בכ-10 עד 20 מעלות צלזיוס בריכוז של 15 אחוז לפי משקל. לעומת זאת, הסוגים בעלי שתי הפונקציות שומרים על טמפרטורת המעבר הזglassית קרובה בהרבה לערכה של הרזין המקורי, בדרך כלל בתוך טווח של 5 עד 10 מעלות בלבד. כשמדובר בצפיפות הצומברגים, אנו מבחינים בדפוס דומה. דילואנטים דו-פונקציונליים שומרים על כ-85 עד 90 אחוז מצומברגים הנמצאים בחומרים לא מדוללים. אופציות חד-פונקציונליות יורדות בצורה משמעותית יותר, ונהיות בדרך כלל רק 60 עד 70 אחוז. לצורך תוצאות אופטימליות, מרבית היצרנים שואפים לריכוז של 8 עד 10 אחוז לפי משקל. ברמה זו, החומר הופך לשימושי מספיק עם צמיגות מתחת ל-4,000 סנטי-פויז, שומר על טמפרטורת מעבר זכוכית מעל 120 מעלות צלזיוס, כפי שנדרש ביישומים מבניים, ושומר על צפיפות צומברגים מספקת לשמירה על תכונות מכניות טובות. עם זאת, עלייה מעל 12 אחוז לפי משקל מובילה לבעיות חמורות. יציבות חום יורדת, חוזק הגזירה בין שכבות מתערער, וחלקים עלולים להתעוות לאורך זמן. בעיות אלו כמעט ולא הפיכות לאחר שتحدث.