DETA epoksidinėse klijuose: stiprių ir nedelsiant veikiančių jungčių kūrimas

Kaip DETA veikia kaip aminėmis pagrįstas kietinamasis agentas epoksidų kietinime

Aminėmis pagrįstų kietinamųjų agentų supratimas ir jų vaidmuo epoksidų kietinime

Epoxy kietėjimas prasideda tada, kai aminės kilmės kietikliai ataka epoksido žiedus per nukleofilines reakcijas, sukuriant kovalentinius ryšius, kurie sudaro būdingas 3D polimerų tinklus, matomus sukietėjusiuose medžiagose. Pirminės aminogrupės (-NH₂) ir jų antrinės atmainos (-NH-) svarbiai lemia tarpinisryšių tankį bei galutinio produkto savybes. Paimkime pavyzdžiui poliaminus, tokius kaip dietilentriaminas (DETA) – šios medžiagos turi keletą reaktyvių centrų, todėl sukelia žymiai geresnį tarpinisryšiavimą nei paprasti monoaminai. Tai taip pat gerokai paveikia našumą – kai kurie tyrimai parodė, kad klijuvams, pagamintiems su tokiais poliaminais, tempiamoji stipris gali būti apie 25–30 % didesnis nei tiems, kuriuose visiškai nėra amininių komponentų.

Dietilentriamino (DETA) cheminė sudėtis ir reaktyvumas

DETA, turintis cheminę formulę C₄H₁₃N₃, iš tikrųjų sudaryta iš dviejų pirminių aminų ir vienos antrinės amono grupės, todėl kiekviena molekulė turi tris galimus reakcijos taškus. Šią medžiagą tokia naudinga daro jos greitas sukietėjimas kambario temperatūroje. Sumaišytas su epoksidiniais polimerais, DETA gali pasiekti apie 90 % polimerizacijos per maždaug 45 minutes, esant normaliai kambario temperatūrai – apie 25 laipsnius Celsijaus. Santykinai mažas molekulinis svoris – 103,17 gramų vienai molei – leidžia šioms molekulėms laisviau judėti reakcijos metu. Be to, etileno grupės, jungiančios azoto atomus, sukuria tai, ką daugelis chemikų laiko idealia pusiausvyra tarp reakcijos spartos ir lankstumo, kurį medžiaga išlaiko visiškai sukietėjusi.

DETA ir epoksidinių dervų tarpusavio susiejimo mechanizmai

Sukietėjimo metu DETA amino grupės vykdo žiedo atsidarymo reakcijas su epoksido žiedais:

1. Pirminės amono grupės reakcija : -NH₂ ataka į epoksido anglį, suformuojant hidroksilo grupę ir pailginant grandinę
2. Antrinės aminės reakcija : -NH- tęsia tarpinių ryšių susidarymą su gretimomis epoksidinėmis molekulėmis
   Šis dviejų etapų mechanizmas sukuria labai šakotą polimerinę matricą su stiklo pereinamąja temperatūra (Tg) iki 120 °C, dėl ko ji tinka intensyviai apkrovai skirtiems pramoniniams klijams.

Alifatinių poliaminų, tokių kaip DETA, palyginimas su kitais kietinimo agentais

DETA puikiai tinka sukietėjimo greičiui ir sukibimo stipriui, tačiau dėl higroskopiškumo taikymo metu reikia griežtai kontroliuoti drėgmę (<50 % santykinės drėgmės).

Reaktyvumo ir naudojimo trukmės pusiausvyra DETA-epoksidinių mišinių formulėse

Norint pailginti DETA trumpą naudojimo trukmę (25 minutės), formulavimo specialistai naudoja kelias strategijas:

• Skystinamieji : Nereaguojantys tirpikliai sumažina egzoterminį šilumos išsiskyrimą, apribodami temperatūros kilimą iki mažiau nei 40 °C
• Kietikliai : Sumaišant 15–30 % izoforono diamino (IPDA) sulėtinama reakcijos kinetika, neprarandant Tg
• Temperatūros valdymas : Aušinant dervą ir kietiklį iki 10 °C, geliavimas vėluojamas iki 300 %
  Šios korekcijos leidžia automobilių gamintojams išlaikyti 8 valandų darbo galimybę, pasiekiant visišką klijavimo stiprį per 2 valandas.

Kietinimo procesas ir polimerinės tinklo raida DETA pagerintuose epoksiduose

DETA poliamino struktūros poveikis kietinimo mechanizmams

Alifatinės poliamino struktūros DETA iš esmės sudarytos iš trijų reaktyvių aminogrupių, sujungtų dviem etileno jungtimi, todėl ji yra labai efektyvi epoksidinių dervų kietinimui. Jei pažvelgsime atidžiau, pirminės ir antrinės aminogrupės inicijuoja tarpusavio susiejimą, atverdamos epoksidines žiedines struktūras. Tuo tarpu trečiosios eilės aminogrupės veikia panašiai kaip katalizatoriai, pagreitindamos procesą. Dėl šio daugiafunkcinio dizaino, DETA gali sukurti tankius trimatį tinklą apie 23 procentais greičiau lyginant su įprastiniais tiesiniais poliaminais, kaip rodo kai kurie neseniai publikuoti polimerų mokslininkų tyrimai. Šis greičio skirtumas yra gana svarbus pramonės taikymuose, kur laikas reiškia pinigus.

Polimerizacijos kinetika ir molekulinės sąveikos kietinant kambario temperatūroje

Aplinkos temperatūroje (20–25 °C) DETA pasiekia 85 % tarpinisryškį per 90 minučių dėl žemos aktyvacijos energijos (42 kJ/mol). Reologiniai duomenys rodo, kad klampumas padvigubėja kas 18 minučių geliant, leidžiant greitai formuotis ryšiams be išorinio šildymo. Tai daro DETA-epoksidinius sistemas idealias temperatūrai jautriems pagrindams, tokiems kaip plastikai ir apdoroti metalai.

Atvejo tyrimas: DETA-epoksidinio tinklo susidarymo realaus laiko FTIR analizė

2023 m. atliktas tyrimas, naudojant Furjė transformacijos infraraudonųjų spindulių spektroskopiją, stebėjo DETA-epoksidinę reakciją ir nustatė:

• 94 % epoksido konversija per 2 valandas
• Sinchroniškas hidroksilo (–OH) ir trečiarių aminių grupių pikų augimas
• Vienodas tinklo susidarymas su mažiau nei 5 % mikrogelio sritimis
  Šie rezultatai patvirtina pastebėtą 28 % didesnį persidengiančios jungties stiprumą lyginant su aromatiniais aminais sukietintomis sistemomis, patvirtindami DETA struktūrinius pranašumus aukštos kokybės klijų sudėtyse.

DETA sukietintų epoksidinių klijų sukibimo stiprumas ir tarpfaziniai pranašumai

Molekulių sąveikos metalo-epoksi sąsajose, sustiprintos DETA

DETA sustiprina metalo-epoksi sąsajas dėl cheminės sąveikos tarp aminogrupių ir aliuminio bei plieno paviršiaus oksidų. Šios reakcijos su metalo hidroksilais sudaro kovalentinius ryšius, padidindamos sąsajos sukibimą 18–22 % lyginant su inertiškais paviršiais.

Kovalentiniai ryšiai tarp epoksidų ir pagrindų, palengvinti DETA

DETA trifunkcinė struktūra leidžia vienu metu vykdyti reakcijas su epoksidinėmis dervomis ir pagrindo paviršiumi, sukuriant tvirtas 3D tinklus. Ant smėlio srove apdoroto plieno šios sistemos pasiekia daugiau nei 30 MPa skersinio poslinkio stiprumą per 24 valandas esant 25 °C.

Paviršiaus cheminės savybės, veikiančios sukibimą su skirtingomis pagrindo rūšimis

DETA geriausiai veikia hidroksilais turinčiose paviršiuose, tokiuose kaip anodizuotas aliuminis, po drėgmės poveikio išlaikydamas 92 % sukibimo stiprio. Priešingai, sukibimui su nepoliniais plastikais reikalingi paviršiaus oksidavimo apdorojimai, nes sukibimo stipris skiriasi 40–60 % priklausomai nuo pagrindo tipo dėl paviršiaus energijos ir cheminės funkcionalumo skirtumų.

Duomenų analizė: DETA naudojimo pranašumai lyginant su aromatiniais aminais (iki 28 %)

Bandymai parodė, kad DETA sukietintuose jungimuose kiekvieno sluoksnio šlyties stipris yra 24–28 % didesnis nei tų, kuriuose naudojamas benzipoliu alkoholiu modifikuoti aromatiniai aminai. Šis našumo skirtumas dar labiau padidėja žemesnėse temperatūrose (15–20 °C), kai DETA išlaiko 90 % optimalaus sukibimo gebėjimo, palyginti su tik 55 % lėčiau sukietėjančių alternatyvų.

Dvikomponentinių epoksidinių klijų su DETA našumo pranašumai

Dvikomponentinių DETA-epoksidinių sistemų formavimo principai ir pramoniniai taikymai

Dirbant su dviejų dalių epoksidinėmis sistemomis, kurių sudėtyje yra DETA, labai svarbu tiksliai parinkti cheminę sudėtį, nes šioms formulėms reikalingos tikslios proporcijos ir greitas sukietėjimas. DETA naudingumas slypi jo aukštoje aminogrupių koncentracijoje, dėl kurios maišymo santykis dažniausiai yra apie 1 dalis DETA ir 10 dalių dervos. Tai ne tik sumažina medžiagų atliekas, bet ir padeda pasiekti visišką cheminių ryšių susidarymą visoje mišinyje. Dėl šių savybių daugelis gamintojų renkasi DETA pagrindu pagamintus klijus, kai reikia atlikti sudėtingus klijavimo darbus lėktuvų kompozituose arba tvirtinant plieno strypus betoninėse konstrukcijose statybos projektų metu.

Nedelsiant vykstantis klijavimo poveikis kambario temperatūroje kietėjančiuose klijavimuose

Deta aukštas reaktyvumas reiškia, kad ji labai greitai sudaro stiprius cheminius ryšius net kambario temperatūroje, pasiekiant apie 85 % galutinės stiprybės mažiau nei per dvi valandas. Nereikia taikyti šilumos, todėl šie klijai puikiai tinka dirbant su medžiagomis, kurios gali būti pažeistos šiluma, pvz., tam tikromis plastikinėmis detalėmis ar jau dažytais metaliniais komponentais. Automobilių gamintojai jau pradėjo plačiai naudoti tokius klijus surinkimo linijose vidaus apdailos detalių ir kitų mažų elementų tvirtinimui. Greitas sukietėjimas padeda gamybai tekėti sklandžiai, išvengiant varginančių delsimų, kuriuos sukelia laukimas, kol klijai pilnai išsiplėš.

Tendencija: didėjantis greitai kietėjančių alifatinių poliaminų, tokių kaip DETA, naudojimas automobilių surinkimo procesuose

Didelėjant elektrinių transporto priemonių populiarumui, gamintojams reikia geresnių klijų, kurie galėtų sujungti skirtingus medžiagų tipus, tokius kaip aliuminis ir anglies pluoštas, nesukeldami jų deformacijos dėl šilumos. Rinka sparčiai keičiasi, o šiuo metu vis didesnį populiarumą įgauna DETA kietinami epoksidai. Jie sudaro apie 42 procentus visų struktūrinių klijų, naudojamų EV akumuliatorių korpusams surinkti. Šie epoksidai pranašesni už senesnio tipo aromatinius aminius kietiklius, kurie ilgai kietėja. Kodėl tai svarbu? Visas sektorius nori iki 2025 m. sumažinti energijos suvartojimą kietinimo krosnyse nuo 30 iki 35 procentų ir kartu užtikrinti, kad sujungimai būtų pakankamai stiprūs, kad išlaikytų smūgius.

DETA trūkumai ir apribojimai epoksidinių klijų formulėse

DETA sistemų drėgmės jautrumas ir tvarkymo reikalavimai

DETA labai linkęs įsisavinėti drėgmę iš oro, dėl ko gali per anksti pradėti kietėti ir saugojant drėgnose sąlygose suklijuotus ryšius susilpninti apie 18 %. Dėl šios priežasties tinkamas saugojimas tampa būtinas. Dauguma įrenginių laiko DETA žemiau nei 25 laipsnių Celsijaus su drėgme, neviršijančia 40 %. Taip pat reikia ypatingos atsargumo priemonių naudojant medžiagą. Maišymas turi būti atliekamas uždaruose induose, o maišytas produktas turi būti greitai taikomas, kol neprasidėjo cheminė reakcija. Nors DETA veikia kambario temperatūroje ir nereikalauja šildymo, jo jautrumas drėgmei daro sunku jį naudoti lauke. Statybininkams paprastai reikia iš anksto ant paviršiaus užtepti apsauginius sluoksnius arba įsitikinti, kad paviršiai yra visiškai sausi, prieš pradedant naudoti DETA lauke.

Kompromisai tarp kietinimo spartos ir ilgalaikės mechaninės tvirtumo

DETA trys reaktyvios vietos sukelia greitą kryžminį susiejimą, kuris pagreitina ryšių susidarymą, tačiau tai vyksta neprarandant ilgalaikės ilgaamžiškumo. Tyrimai parodė, kad šie tankūs, standūs tinklai turi apie 12–15 procentų mažesnę lūžimo atsparumą po terminių ciklų, palyginti su medžiagomis, pagamintomis naudojant lėčiau kietėjančius cikloalifatinius aminus. Pramonės šakoms, kurios reikalauja greičio, pvz., automobilių gamybos linijoms, toks greitas sukietėjimas puikiai tinka, tačiau medžiaga tampa per trapia tiems produktams, kurie turi išlaikyti didelę apkrovą. Kai kurios įmonės bandydamos padidinti atsparumą po sukietėjimo šildo dalis temperatūroje nuo 60 iki 80 laipsnių Celsijaus, tačiau šis papildomas žingsnis padidina gamybos kaštus. Taigi dirbant su alifatiniais poliaminais visada tenka ieškoti pusiausvyros: pasiekus vienos savybės optimalumą, tenka aukoti ką kita.

DUK

Kas yra DETA epoksidinio sukietėjimo metu?

Diethilentriaminas (DETA) yra aminu pagrindu paremtas kietiklis, kuris optimizuoja epoksidinio dervos sukietėjimą dėka savo kelių reaktyvių vietų, užtikrindamas greitesnį sukibimą ir gerovesnę struktūrinę vientisumą.

Kaip DETA palyginama su kitais sukietinimo agentais?

DETA siūlo greitesnį sukietėjimą ir didesnį persidengiančio sukibimo stiprumą lyginant su aromatiniais aminais ir cikloalifatiniais junginiais, todėl ji labiau tinka taikymams, reikalaujantiems greito sukibimo.

Kokie yra DETA sukietintų epoksidinių dervų privalumai?

DETA sukietintos epoksidinės dervos užtikrina nedelsiant besivystantį sukibimą, aukštą persidengiančio sukibimo stiprumą, gerovesnį sąsajos sukibimą ir yra idealios automobilių ir pramonės taikymams.