DETA ในกาวอีพ็อกซี่: การสร้างพันธะที่แข็งแรงและเกิดทันที

การทำงานของ DETA ในฐานะตัวทำให้แข็งแบบอะมีนในการบ่มอีพ็อกซี่

เข้าใจเกี่ยวกับตัวทำให้แข็งแบบอะมีนและบทบาทของมันในการบ่มอีพ็อกซี่

การบ่มอีพ็อกซี่เริ่มต้นขึ้นเมื่อสารแข็งที่มีอะมีนเป็นส่วนประกอบทำปฏิกิริยากับวงแหวนอีพ็อกไซด์ผ่านปฏิกิริยานิวคลีโอไฟล์ สร้างพันธะโควาเลนต์ที่ก่อให้เกิดโครงข่ายพอลิเมอร์ 3 มิติ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของวัสดุที่ผ่านการบ่มแล้ว กลุ่มอะมีนหลัก (-NH₂) และกลุ่มอะมีนรอง (-NH-) มีบทบาทสำคัญในการกำหนดความหนาแน่นของพันธะขวาง และคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป ตัวอย่างเช่น โพลีอะมีน เช่น ไดเอทิลีนทรีอะมีน (DETA) สารเหล่านี้มีจุดที่ทำปฏิกิริยาหลายจุด หมายความว่าสามารถสร้างพันธะขวางได้ดีกว่าโมโนอะมีนธรรมดาอย่างมาก ส่งผลต่อประสิทธิภาพอย่างชัดเจน โดยผลการทดสอบบางอย่างแสดงให้เห็นว่ากาวที่ผลิตจากโพลีอะมีนมีความแข็งแรงภายใต้แรงดึงได้สูงกว่ากาวที่ไม่มีส่วนผสมของอะมีนประมาณ 25-30%

องค์ประกอบทางเคมีและปฏิกิริยาของไดเอทิลีนทรีอะมีน (DETA)

DETA ซึ่งมีสูตรเคมี C₄H₁₃N₃ ที่จริงแล้วประกอบด้วยแอมีนปฐมภูมิสองกลุ่มและแอมีนทุติยภูมิหนึ่งกลุ่ม ทำให้โมเลกุลแต่ละตัวมีจุดเกิดปฏิกิริยาได้ถึงสามจุด สิ่งที่ทำให้สารนี้มีประโยชน์อย่างมากคือความเร็วในการบ่มที่อุณหภูมิห้อง เมื่อนำ DETA ผสมลงในระบบอีพ็อกซี จะสามารถบรรลุการพอลิเมอไรเซชันได้ประมาณ 90% ภายในเวลาประมาณ 45 นาที โดยคงอุณหภูมิห้องปกติที่ประมาณ 25 องศาเซลเซียส น้ำหนักโมเลกุลที่ค่อนข้างต่ำเพียง 103.17 กรัมต่อโมล ทำให้โมเลกุลเหล่านี้เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระมากขึ้นระหว่างกระบวนการเกิดปฏิกิริยา นอกจากนี้ หมู่เอทิลีนที่เชื่อมโยงอะตอมไนโตรเจนเข้าด้วยกัน สร้างสมดุลที่นักเคมีหลายคนมองว่าเหมาะสมระหว่างความเร็วในการเกิดปฏิกิริยาและความยืดหยุ่นของวัสดุหลังจากบ่มจนเสร็จสมบูรณ์

กลไกการเชื่อมขวางระหว่าง DETA และเรซินอีพ็อกซี

ระหว่างกระบวนการบ่ม หมู่แอมีนของ DETA จะเกิดปฏิกิริยาเปิดวงแหวนกับวงแหวนอีพอกไซด์:

1. ปฏิกิริยาของแอมีนปฐมภูมิ : -NH₂ ทำปฏิกิริยากับคาร์บอนของอีพอกไซด์ เกิดกลุ่มไฮดรอกซิลและยืดสายโซ่ยาวออกไป
2. ปฏิกิริยาของแอมมีนระดับทุติยภูมิ : -NH- ดำเนินการเชื่อมขวางต่อไปกับโมเลกุลของอีพอกซี่ที่อยู่ใกล้เคียง
   กลไกสองระยะนี้สร้างแมทริกซ์โพลิเมอร์ที่มีการแยกสาขาสูง พร้อมจุดเปลี่ยนแปลงแก้ว (Tg) สูงถึง 120°C ทำให้เหมาะสมสำหรับกาวอุตสาหกรรมที่ต้องรับแรงเครียดสูง

เปรียบเทียบโพลีแอมมีนอะลิฟาติก เช่น DETA กับตัวเร่งปฏิกิริยาอื่นๆ

DETA มีข้อได้เปรียบในด้านความเร็วในการบ่มและความแข็งแรงของพันธะ แต่ต้องควบคุมความชื้นอย่างเข้มงวด (<50% RH) ระหว่างการใช้งาน เนื่องจากมีลักษณะดูดความชื้นจากอากาศ

การปรับสมดุลระหว่างความไวต่อปฏิกิริยาและการใช้งานได้นานในสูตรเดีย-อีพ็อกซี่

เพื่อยืดอายุการใช้งานของเดียที่สั้น (25 นาที) ผู้จัดทำสูตรใช้กลยุทธ์หลายประการ:

• ตัวเจือจาง : ตัวทำละลายที่ไม่มีปฏิกิริยาช่วยลดความร้อนจากปฏิกิริยา จำกัดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิไม่เกิน 40°C
• ตัวแข็งตัวร่วม : การผสมไอโซโฟรนอนไดอะมีน (IPDA) 15–30% จะช่วยชะลออัตราการเกิดปฏิกิริยา โดยไม่สูญเสียค่า Tg
• การควบคุมอุณหภูมิ : การทำให้เรซินและตัวแข็งตัวเย็นลงที่ 10°C จะช่วยหน่วงเวลาการเกิดเจลได้ถึง 300%
  การปรับเปลี่ยนเหล่านี้ช่วยให้ผู้ผลิตรถยนต์สามารถคงความสามารถในการทำงานได้นาน 8 ชั่วโมง ขณะที่ยังคงบรรลุความแข็งแรงของกาวได้เต็มที่ภายใน 2 ชั่วโมง

กระบวนการบ่มและการพัฒนาโครงข่ายโพลิเมอร์ในอีพ็อกซี่ที่เสริมด้วย DETA

อิทธิพลของโครงสร้างโพลีแอมีนของ DETA ต่อกลไกการบ่ม

โครงสร้างโพลีแอมมีนเชิงอะลิฟาติกของ DETA ประกอบด้วยกลุ่มแอมีนที่มีปฏิกิริยาได้สามกลุ่ม ซึ่งเชื่อมต่อกันผ่านหมู่เอทิลีนสองชุด ทำให้มันสามารถใช้ในการทำให้เรซินอีพ็อกซี่แข็งตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก เมื่อพิจารณาอย่างละเอียด แอมีนชนิดปฐมภูมิและทุติยภูมิจะเริ่มกระบวนการเชื่อมขวางโดยการเปิดวงแหวนอีพ็อกไซด์ ในขณะเดียวกัน ส่วนของแอมีนตติยภูมิจะทำหน้าที่คล้ายตัวเร่งปฏิกิริยา ช่วยเร่งกระบวนการให้รวดเร็วขึ้น เนื่องจากออกแบบให้มีหลายหน้าที่เช่นนี้ DETA จึงสามารถสร้างเครือข่ายสามมิติที่หนาแน่นได้เร็วกว่าโพลีแอมีนเชิงเส้นทั่วไปประมาณ 23 เปอร์เซ็นต์ ตามรายงานการวิจัยล่าสุดจากนักวิทยาศาสตร์ด้านพอลิเมอร์ ความแตกต่างด้านความเร็วนี้มีความสำคัญอย่างมากในงานประยุกต์ใช้งานเชิงอุตสาหกรรม ที่เวลาเท่ากับเงิน

จลนศาสตร์ของการพอลิเมอไรเซชันและการมีปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลระหว่างการทำให้แข็งตัวที่อุณหภูมิห้อง

ที่อุณหภูมิโดยรอบ (20–25°C) DETA สามารถทำให้เกิดการเชื่อมโยงข้ามได้ 85% ภายใน 90 นาที เนื่องจากพลังงานกระตุ้นต่ำ (42 kJ/mol) ข้อมูลด้านเรขาคณิตของไหลแสดงให้เห็นว่าความหนืดเพิ่มเป็นสองเท่าทุกๆ 18 นาทีในช่วงที่เกิดเจล ทำให้พัฒนาแรงยึดเกาะได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องใช้ความร้อนจากภายนอก ส่งผลให้ระบบ DETA-อีพ็อกซี่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุพื้นฐานที่ไวต่ออุณหภูมิ เช่น พลาสติก และโลหะที่ผ่านการเตรียมพื้นผิวมาแล้ว

กรณีศึกษา: การวิเคราะห์ FTIR เวลาจริงของการสร้างโครงข่าย DETA-อีพ็อกซี่

การศึกษาปี 2023 ที่ใช้สเปกโทรสโกปีฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม (Fourier-transform infrared spectroscopy) ติดตามปฏิกิริยาของ DETA-อีพ็อกซี่ และพบว่า

• การเปลี่ยนแปลงของอีพอกไซด์ 94% ภายใน 2 ชั่วโมง
• การเติบโตพร้อมกันของสัญญาณไฮดรอกซิล (–OH) และอะมีนระดับสาม
• การเกิดโครงข่ายอย่างสม่ำเสมอ โดยมีพื้นที่ไมโครเจลน้อยกว่า 5%
  ผลลัพธ์เหล่านี้สนับสนุนการปรับปรุงแรงดึงร่วม (lap shear strength) ที่สังเกตได้ถึง 28% เมื่อเทียบกับระบบที่ใช้อะมีนชนิดอะโรแมติกเป็นตัวทำให้เกิดการเชื่อมโยง ยืนยันถึงข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างของ DETA ในกาวประสิทธิภาพสูง

ความแข็งแรงในการยึดเกาะและข้อได้เปรียบเชิงส่วนต่อประสานของกาวอีพ็อกซี่ที่ใช้ DETA เป็นตัวทำให้เกิดการเชื่อมโยง

ปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลที่อินเตอร์เฟสของโลหะ-อีพ็อกซี่ที่ดีขึ้นด้วย DETA

DETA ช่วยเสริมความแข็งแรงของอินเตอร์เฟสโลหะ-อีพ็อกซี่ผ่านปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างหมู่อะมีนกับออกไซด์ผิวหน้าของอลูมิเนียมและเหล็ก ปฏิกิริยาเหล่านี้สร้างพันธะโควาเลนต์กับไฮดรอกซิลของโลหะ ทำให้การยึดเกาะที่อินเตอร์เฟสเพิ่มขึ้น 18–22% เมื่อเทียบกับพื้นผิวที่ไม่มีปฏิกิริยา

การเกิดพันธะโควาเลนต์ระหว่างอีพ็อกซี่กับพื้นผิวฐานที่ได้รับการอำนวยความสะดวกโดย DETA

โครงสร้างแบบไตรฟังก์ชันของ DETA ทำให้สามารถเกิดปฏิกิริยาพร้อมกันกับเรซินอีพ็อกซี่และพื้นผิวฐาน สร้างเครือข่ายสามมิติที่แข็งแรง บนพื้นผิวเหล็กที่ผ่านการกรอทราย ระบบนี้สามารถบรรลุค่าแรงเฉือนแบบแลป (lap shear strength) สูงกว่า 30 MPa ภายใน 24 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 25°C

ผลของเคมีผิวต่อการยึดเกาะกับชนิดพื้นผิวฐานที่แตกต่างกัน

DETA ทำงานได้ดีที่สุดบนพื้นผิวที่มีหมู่ไฮดรอกซิล เช่น อลูมิเนียมอะโนไดซ์ โดยยังคงแรงยึดเกาะ 92% หลังจากการสัมผัสกับความชื้น ตรงข้ามกัน การยึดติดกับพลาสติกชนิดไม่มีขั้วจำเป็นต้องทำปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ผิว เนื่องจากแรงยึดติดอาจเปลี่ยนแปลงได้ 40–60% ขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุพื้นฐาน อันเนื่องมาจากความแตกต่างของพลังงานผิวและคุณสมบัติทางเคมี

ข้อมูลเชิงลึก: การปรับปรุงแรงเฉือนแบบแลป โดยใช้ DETA เทียบกับแอมโมเนียอะโรมาติก (สูงสุดถึง 28%)

ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า ข้อต่อที่ใช้ DETA ในการทำให้แข็งตัว มีแรงเฉือนแบบแลปสูงกว่าข้อต่อที่ใช้แอมโมเนียอะโรมาติกที่ถูกดัดแปลงด้วยเบนซิลแอลกอฮอล์ 24–28% ช่องว่างด้านประสิทธิภาพนี้จะเพิ่มขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ (15–20°C) โดย DETA ยังคงความสามารถในการยึดติดในระดับ 90% เมื่อเทียบกับทางเลือกอื่นที่ใช้เวลานานกว่าในการแข็งตัว ซึ่งมีเพียง 55%

ประโยชน์ด้านประสิทธิภาพของกาวอีพ็อกซี่สองส่วนประกอบที่มี DETA

หลักการจัดสูตรและการประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมของระบบอีพ็อกซี่-DETA สองส่วนประกอบ

เมื่อทำงานกับระบบอีพ็อกซี่สองส่วนที่มี DETA การควบคุมปฏิกิริยาทางเคมีให้ถูกต้องนั้นสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากสูตรดังกล่าวต้องการสัดส่วนที่แม่นยำและเวลาในการแข็งตัวที่รวดเร็ว สิ่งที่ทำให้ DETA มีประโยชน์คือปริมาณแอมีนสูง ซึ่งโดยทั่วไปช่วยให้สามารถผสมในอัตราส่วนประมาณ 1 ส่วน DETA ต่อ 10 ส่วนเรซิน วิธีนี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดของเสียจากวัสดุ แต่ยังช่วยให้เกิดพันธะทางเคมีที่สมบูรณ์ทั่วทั้งส่วนผสม อันเนื่องมาจากคุณสมบัติเหล่านี้ ผู้ผลิตจำนวนมากจึงหันมาใช้กาวที่มีส่วนประกอบของ DETA เมื่อต้องเผชิญกับงานการยึดติดที่ซับซ้อน เช่น ในโครงสร้างคอมโพสิตของเครื่องบิน หรือการยึดเหล็กเส้นภายในโครงสร้างคอนกรีตระหว่างการก่อสร้างอาคาร

การพัฒนาแรงยึดติดทันทีในกาวที่แข็งตัวที่อุณหภูมิห้อง

ความไวในการทำปฏิกิริยาสูงของ DETA หมายความว่ามันสามารถสร้างพันธะเคมีที่แข็งแรงได้อย่างรวดเร็วแม้ในอุณหภูมิห้อง โดยสามารถบรรลุความแข็งแรงประมาณ 85% ของค่าเต็มภายในเวลาไม่ถึงสองชั่วโมง การไม่ต้องใช้ความร้อนทำให้กาวประเภทนี้เหมาะสำหรับการใช้งานกับวัสดุที่อาจเสียหายจากความร้อน เช่น พลาสติกบางชนิด หรือชิ้นส่วนโลหะที่เคลือบสีมาแล้ว ผู้ผลิตรถยนต์เริ่มนำวัสดุเหล่านี้ไปใช้อย่างแพร่หลายในสายการประกอบ เพื่อยึดติดชิ้นส่วนตกแต่งภายในและชิ้นส่วนขนาดเล็กอื่นๆ เวลาการเซ็ตตัวที่รวดเร็วช่วยให้กระบวนการผลิตดำเนินไปอย่างต่อเนื่องโดยไม่เกิดความล่าช้าที่น่ารำคาญใจ ซึ่งมักเกิดขึ้นเมื่อต้องรอให้วัสดุแข็งตัวเต็มที่

แนวโน้ม: การนำอะมีนเชิงอะลิฟาติกที่แห้งตัวเร็วอย่าง DETA มาใช้เพิ่มมากขึ้นในกระบวนการประกอบรถยนต์

เมื่อยานยนต์ไฟฟ้าได้รับความนิยมเพิ่มขึ้น ผู้ผลิตจึงต้องการกาวที่ดีกว่าซึ่งสามารถยึดวัสดุต่างชนิดกัน เช่น อลูมิเนียมและคาร์บอนไฟเบอร์ เข้าด้วยกันได้ โดยไม่ทำให้วัสดุเสียรูปจากความร้อน ตลาดกำลังเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว และกาวอีพ็อกซี่ที่ใช้ DETA เป็นสารเร่งปฏิกิริยา (DETA cured epoxies) กำลังได้รับความนิยมมากในปัจจุบัน ซึ่งคิดเป็นประมาณ 42 เปอร์เซ็นต์ของกาวโครงสร้างทั้งหมดที่ใช้ในการประกอบกล่องแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ EV กาวประเภทนี้เหนือกว่ากาวอโรแมติกแอมีนแบบเดิม ที่ใช้เวลานานมากในการบ่มให้สมบูรณ์ แล้วทำไมสิ่งนี้ถึงสำคัญ? เพราะทั้งอุตสาหกรรมต้องการลดการใช้พลังงานในเตาอบบ่มให้ได้ระหว่าง 30 ถึง 35 เปอร์เซ็นต์ ก่อนสิ้นปี 2025 และยังคงต้องการให้ข้อต่อที่ยึดชิ้นส่วนทั้งหมดเข้าด้วยกันมีความแข็งแรงพอที่จะทนต่อการชนได้

ความท้าทายและข้อจำกัดของ DETA ในการสูตรกาวอีพ็อกซี่

ความไวต่อความชื้นและความต้องการในการจัดการระบบฐาน DETA

DETA มีแนวโน้มที่จะดูดซับความชื้นจากอากาศอย่างมาก ซึ่งอาจทำให้เริ่มแข็งตัวก่อนเวลาและลดแรงยึดเกาะลงประมาณ 18% เมื่อจัดเก็บในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น เนื่องจากเหตุนี้ การจัดเก็บอย่างเหมาะสมจึงเป็นสิ่งจำเป็น สถานที่ส่วนใหญ่จะเก็บ DETA ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 25 องศาเซลเซียส และระดับความชื้นต่ำกว่า 40% การจัดการวัสดุจึงต้องใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษ การผสมควรดำเนินการในภาชนะที่ปิดสนิท และหลังจากการผสมแล้ว วัสดุต้องได้รับการนำไปใช้งานอย่างรวดเร็วก่อนที่จะเริ่มเกิดปฏิกิริยา แม้ว่า DETA จะสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้องโดยไม่ต้องใช้ความร้อน แต่ความไวต่อความชื้นทำให้การใช้งานกลางแจ้งค่อนข้างยุ่งยาก ผู้รับเหมามักจำเป็นต้องเคลือบสารป้องกันก่อน หรือตรวจสอบให้แน่ใจว่าพื้นผิวแห้งสนิทก่อนใช้งาน DETA กลางแจ้ง

ข้อแลกเปลี่ยนระหว่างความเร็วในการแข็งตัวและความทนทานทางกลระยะยาว

ไซต์ที่ทำปฏิกิริยาสามแห่งของ DETA ทำให้เกิดการเชื่อมโยงข้ามอย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยเร่งการสร้างพันธะ แต่ก็แลกมาด้วยความทนทานในระยะยาวที่ลดลง การทดสอบแสดงให้เห็นว่าโครงข่ายที่หนาแน่นและแข็งตัวนี้มีความเหนียวในการแตกหักต่ำกว่าประมาณ 12 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ หลังผ่านรอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ เมื่อเทียบกับวัสดุที่ผลิตจากแอมีนไซโคลอะลิฟาติกที่บ่มช้ากว่า สำหรับอุตสาหกรรมที่ต้องการความเร็ว เช่น สายการผลิตรถยนต์ การจับตัวเร็วนี้ถือเป็นข้อดี แต่วัสดุดังกล่าวจะเปราะเกินไปสำหรับงานที่ต้องรับน้ำหนักหนัก บางบริษัทพยายามให้ความร้อนกับชิ้นส่วนที่อุณหภูมิระหว่าง 60 ถึง 80 องศาเซลเซียส หลังกระบวนการบ่มเพื่อเพิ่มความแข็งแรง แต่ขั้นตอนเพิ่มเติมนี้ทำให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้น ดังนั้นจึงมีการต้องชั่งน้ำหนักเสมอเมื่อทำงานกับโพลีแอมีนอะลิฟาติก เพราะการได้วัสดุที่ดีในคุณสมบัติหนึ่งมักหมายถึงการเสียสละคุณสมบัติอีกอย่าง

คำถามที่พบบ่อย

DETA ในกระบวนการบ่มอีพอกซีคืออะไร

ไดเอทิลีนทรีแอมีน (DETA) เป็นสารแข็งตัวชนิดแอมีนที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการบ่มอีพอกซีด้วยตำแหน่งที่ทำปฏิกิริยาได้หลายจุด ทำให้เกิดการยึดเกาะที่รวดเร็วขึ้นและเพิ่มความแข็งแรงของโครงสร้าง

DETA เปรียบเทียบกับสารบ่มอื่นๆ อย่างไร

DETA มีเวลาบ่มที่สั้นกว่าและให้แรงต้านทานการแทรกตัวแบบเลื่อน (lap shear strength) สูงกว่าเมื่อเทียบกับแอมีนชนิดอะโรแมติกและไซโคลอะลิฟาติก ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการการยึดเกาะอย่างรวดเร็ว

ข้อดีของการใช้อีพอกซีที่บ่มด้วย DETA คืออะไร

อีพอกซีที่บ่มด้วย DETA ให้การพัฒนาแรงยึดเกาะทันที แรงต้านทานการแทรกตัวแบบเลื่อนสูง การยึดเกาะระหว่างผิวดีขึ้น และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมยานยนต์และอุตสาหกรรมทั่วไป