Epoksīda šķīdinātāju izmantošana viskozitātes regulēšanai epoksīda sveķu formulējumos

Kā epoksīda atšķaidītāji samazina un regulē viskozitāti: mehānismi un strukturālie principi

Reaģējošo un nereaģējošo epoksīda atšķaidītāju ķīmija un to reoloģiskās pazīmes

Tas, kā epoksīda šķēlēji ietekmē viskozitāti, ir atkarīgs no pilnīgi atšķirīgiem ķīmiskiem procesiem. Ņemsim, piemēram, reaģējošos šķēlējus, piemēram, butāndiola diglikidilēteri, kuros ir speciālas epoksīda vai glikidilētera grupas, kas izcietēšanas laikā faktiski kļūst par daļu no polimēra tīkla. Šādi šķēlēji var samazināt sākotnējo viskozitāti par 40 līdz 60 procentiem, nezaudējot daudz materiāla termisko izturību vai mehāniskās īpašības salīdzinājumā ar to nestabilajiem analogiem. Daži bifunkcionālie reaģējošie šķēlēji ir īpaši labi šajā ziņā, saglabājot aptuveni 85 līdz 90 procentus sākotnējā sveķa cietības un minimizējot tā saucamo Tg pazemināšanos, kas nozīmē, ka materiāls augstākās temperatūrās paliek stabils. Savukārt nestabilie šķēlēji darbojas vairāk kā pagaidu plastifikatori, traucējot spēkiem starp molekulām. Protams, tie īsā termiņā tikpat efektīvi samazina viskozitāti, taču pastāv vienmēr problēma ar to migrēšanu laika gaitā vai atdalīšanos no galvenā materiāla. No reoloģiskā viedokļa reaģējošie šķēlēji faktiski padara materiālus vieglāk plūstošus, samazinot aktivizācijas enerģiju aptuveni par 15 līdz 20 procentiem. Tas palīdz tādās lietās kā izlīdzināšana un mitrināšana biezās augsta cietais vielas saturu pārklājumos, ko mēs tik bieži redzam. Nestabilās versijas sākumā uzvedas pieklājīgi, rādot Ņūtona raksturu, taču tas mainās, kad iztvaiko šķīdinātāji vai kad tie tiek pakļauti temperatūras svārstībām, kas galu galā ietekmē gala produkta konsekvenci.

Molekulārā svars, funkcionalitāte un gredzenu atvēršanās kinētika kā galvenie viskozitātes noteikšanas faktori

Pamata ir trīs galvenie faktori, kas ietekmē šķīdinātāju darbību epoksīda sistēmās: to molekulmasa, tā saucamā funkcionalitāte un to reakcija, atveroties gredzeniem apstrādes laikā. Attiecībā uz molekulmasu viss, kas zem aptuveni 200 gramu uz molu, patiešām palīdz samazināt viskozitāti. Katrs 100 g/mol masas kritums parasti rada viskozitātes pazemināšanos no 1200 līdz 1500 centipoisu DGEBA sistēmās, jo samazinās ķēžu sapinosanas pakāpe un brīvā tilpuma ierobežojumi. Funkcionalitātes aspekts saistīts ar šķērssaistījumu blīvuma kontroli. Monofunkcionālie šķīdinātāji var samazināt viskozitāti aptuveni par pusi līdz trim ceturtdaļām, taču vienlaikus arī pazemina stikla pārejas temperatūru (Tg) aptuveni par 10–20 grādiem Celsija un samazina šķērssaistījumu blīvumu par aptuveni 30–40%. Divfunkcionālie šķīdinātāji nodrošina labāku līdzsvaru, saglabājot lielāko daļu termisko stabilitāti, vienlaikus ļaujot apstrādāt materiālu ar viskozitāti zem 4000 cP. Arī atverto gredzenu reakcijas būtiski ietekmē apstrādes laiku. Alifātiskie epoksīdi parasti paātrina procesu salīdzinājumā ar aromātiskajiem, palielinot sacietēšanas ātrumu aptuveni par 25–30%, kas padara materiālu ātrāk sastingu, taču prasa daudz precīzāku kontroli pār derīgo laiku. Regulējot šos dažādos parametrus, ražotāji var precīzi pielāgot savus materiālus sākot no aptuveni 12 000 cP līdz pat zem 4000 cP, padarot tos piemērotus visam – sākot no filamentiņu vijuma operācijām, kur zema viskozitāte ir būtiska, līdz vakuumiekalšanas procesiem, kuros nepieciešama nedaudz augstāka viskozitāte, lai nodrošinātu pareizu sveķu plūsmu.

Biobāzēti epoksīda atšķaidītāji: Karvakrola, timola, gvaikola un vanililspirta atvasinājumu veiktspēja un praktiskums

Sintēzes efektivitāte un epoksīdēšanas iznākums fenoliskiem monoterpeniem bāzētiem epoksīda atšķaidītājiem

Kas attiecas uz epoksīdēšanas iznākumu, karvakrola un timola atvasinājumi patiešām izceļas, sasniedzot vairāk nekā 95% apstākļos aptuveni 60 līdz 80 grādos pēc Celsija. Gvaiakola sistēmas darbojas vēl ātrāk, reakcijas pabeidzot tikai aptuveni trīs dienu laikā. Vanililspirta atvasinājumus padara sevišķi interesantus tas, kā tajos fenoliskās hidroksilgrupas tiek aizsargātas caur steriskiem efektiem. Tas rada daudz labāku selektivitāti reakciju laikā un veido ievērojami mazāk nepatīkamu blakusproduktu, kas nozīmē mazāk sarežģītību, attīrot galaproduktu vēlāk. Skatoties uz jaunākajiem sasniegumiem bezšķīdinātāju metodēs, arī lielākos mēroga pārbaudes apstākļos ir novērots stabils rezultāts, kas saglabājas virs 90% iznākuma. Tas ir svarīgi, jo padara šos procesus ekonomiski pievilcīgus, vienlaikus būdot draudzīgākus pret apkārtējo vidi. Uzņēmumiem, kuri vēlas tirgot biopamatojuma diluentus, šāda veida efektivitātes uzlabojumi nozīmē reālu progresu uz komerciāli dzīvotspējīgu risinājumu virzienā.

Viskozitātes Samazināšanas Efektivitāte: Salīdzinošie Dati Pret DGEBA

Ielādējot 15 svara%, karvakrola izcelsmes šķīdinātāji ievērojami samazina DGEBA viskozitāti — faktiski par aptuveni 78 līdz 92 procentiem. Rezultātā iegūtās viskozitātes svārstās no aptuveni 1050 līdz 2500 cP, kas šos materiālus padara ļoti piemērotus lietošanai, piemēram, sveķu infūzijā un vakuuma palīgierīču ražošanas procesos. Apskatot timola analoģus, mēs redzam arī interesantas temperatūras atbildes. Istabas temperatūrā (apmēram 25 grādi pēc Celsija) maisījumi sasniedz apmēram 1800 cP, taču, kad temperatūra pārsniedz 40 grādus pēc Celsija, tie pāriet uz Ņūtona plūstamības raksturojumu. Šī īpašība palīdz uzlabot formas piepildīšanas vienmērīgumu, strādājot ar mainīgiem siltuma apstākļiem ražošanas ciklos. Tomēr guaīkola bāzes šķīdinātāji nav tik efektīvi, samazinot viskozitāti tikai par aptuveni 60 līdz 70%. Interesanti, ka pat vanililspirta variantiem, kuriem ir augstāka molekulmasa, tomēr izdodas sasniegt apmēram 3700 cP. Tas rāda, kā noteiktas bioloģiskas struktūras var kompensēt to, kas citādi būtu ierobežojums, ko rada palielināta masa. Jo īpaši vērts minēt, ka šķīdinātāji, kuru biomases saturs ir vismaz 40%, veic darbu tikpat labi vai pat labāk nekā tradicionālie petroķīmiskie risinājumi, ja runa ir par viskozitātes kontroli līdzīgos ielādes apjomos.

Snieguma kompromisu novēršana: bioloģiskais saturs, reaktivitāte un termiskās īpašības

Strādājot ar biobāzētiem epoksīda šķīdinātājiem, formulētājiem ir jāsaskaņo ilgtspējas mērķi ar materiāla funkcionalitātes prasībām. Augu izcelsmes materiāli, piemēram, fenoli un monoterpeni, parasti labāk samazina viskozitāti salīdzinājumā ar tradicionālajiem variantiem, ņemot vērā izmantotā materiāla daudzumu. Tomēr te ir nianses. Šie atjaunojamie komponenti var mainīt molekulāro struktūru tādā veidā, ka ķīmiskās reakcijas cietēšanas laikā notiek ātrāk. Testi rāda, ka tas var paātrināt cietēšanas procesu aptuveni par 25 līdz 30 procentiem, kaut arī parasti tas nozīmē mazāk šķērssaistījumu veidošanos, samazinot to skaitu apmēram par 10 līdz 15 procentiem. Rezultāts? Ievērojams Tg (stikla pārejas temperatūras) pazeminājums no 5 līdz 20 grādiem pēc tam, kad viss ir nostabilizējies. Alifātiskās struktūras palīdz ar materiāla izturību pret plaisām, taču par zaudētu siltumizturību. Tas ir īpaši svarīgi kompozītizstrādājumiem, kam jāsaglabā uzticama darbība pat tad, ja temperatūra pārsniedz 100°C. Pareiza risinājuma atrašana ir atkarīga no visu šo attiecību izpratnes. Formulētājiem ir jāizvēlas šķīdinātāji, kas sasniedz noteiktus Tg standartus, vienlaikus atbilstot ražošanas grafikiem, kas saistīti ar lietderīgo dzīvi un brīdi, kad detaļas var droši izņemt no formām.

Epihīda šķīdinātāja efektivitātes salīdzinājums: reoloģija, cietēšanas uzvedība un gala kompozīta veiktspēja

Reoloģiskā profila analīze no 0 līdz 15 svara% epihīda šķīdinātāja daudzumam

Iekļaujot no 0 līdz 15 svara procentiem, epoksīda atšķaidītāji samazina sarežģīto viskozitāti par aptuveni 40 līdz 70% salīdzinājumā ar tīru DGEBA materiālu. Apmēram 10 svara procentu koncentrācijā sarežģītā viskozitāte krītas zem 4000 centipoisu, kas parasti tiek uzskatīts par pietiekami labu, lai nodrošinātu pienācīgu šķiedru piesūcināšanu kompozīta ražošanas laikā. Skatoties uz viskoelastiskajām īpašībām, redzams arī kaut kas interesants. Gan uzglabāšanas modulis, gan zuduma modulis ilgāk veidojas šajos modificētajos sistēmās. Sākotnējie uzglabāšanas moduļa mērījumi ir aptuveni par 20 līdz 30% zemāki nekā standarta formulējumos, kas norāda uz lēnāku elastīgo tīklu attīstību materiālā. Tas faktiski var palīdzēt apstrādē, taču nes arī riskus. Kad koncentrācija pārsniedz 12 svara procentus, pastāvvien lielāks fāžu atdalīšanās risks, kas traucē krustsaistījumu vienmērīgumam un galu galā ietekmē gala izstrādājumu kvalitāti. Tomēr labs jaunums ir tāds, ka pareizi balansētas atšķaidītāju maisījumi joprojām saglabā savas šķidruma plānināšanās īpašības, tāpēc tās vienmērīgi aizpilda formas, neģelatinējoties pārāk agri ražošanas procesā.

Ietekme uz želejas laiku, stiklošanās pārejas temperatūru un šķērssaistījumu blīvumu

Reaktīvu atšķaidītāju pievienošana var saīsināt želejas veidošanās laiku aptuveni par 15 līdz 25 procentiem, kad to pievieno 5–10 svara procentos. Tas notiek tādēļ, ka epoksigrupas kļūst mobilonākas un gredzenu atvēršanās process paātrinās. Taču patiesībā svarīgākais ir diluētāju funkcionalitāte. Vienfunkcionālie parasti samazina stikla pārejas temperatūru par aptuveni 10 līdz 20 grādiem Celsija, pievienojot 15 svara procentus. Savukārt divfunkcionālie saglabā stikla pārejas temperatūru daudz tuvāku sākotnējam sveķim, parasti tikai 5 līdz 10 grādu robežās. Attiecībā uz šķērssaistījumu blīvumu novēro līdzīgu uzvedību. Divfunkcionālie diluenti saglabā aptuveni 85 līdz 90 procentus no šķērssaistījumiem, kas raksturīgi neatšķaidītiem materiāliem. Vienfunkcionālie risinājumi ievērojami zaudē blīvumu, parasti krītot līdz tikai 60–70 procentiem. Lai panāktu labākos rezultātus, lielākā daļa ražotāju mērķtiecīgi pievieno 8–10 svara procentus. Šajā līmenī materiāls kļūst pietiekami apstrādājams ar viskozitāti zem 4000 centipoizu, uztur stikla pārejas temperatūru virs 120 grādiem Celsija, kas nepieciešams strukturālām pielietošanas jomām, un saglabā pietiekamu šķērssaistījumu blīvumu, lai nodrošinātu labas mehāniskās īpašības. Tomēr pārsniedzot 12 svara procentus, sākas nopietnas problēmas. Samazinās termiskā stabilitāte, samazinās starpslāņu bīdes izturība un detaļas var deformēties laika gaitā. Šīs problēmas parasti nav atgriezeniskas, kad tās reiz rodas.