การใช้อะมีนอะลิฟาติกเพื่อผลิตคอมโพสิตอีพอกซีที่มีความแข็งแรงสูง

เหตุใดอะมีนอะลิฟาติกจึงให้การแข็งตัวของเรซินอีพอกซีที่รวดเร็วและมีความแข็งแรงสูง

พลศาสตร์ของการเติมนิวคลีโอไฟล์: ปฏิกิริยาของอะมีนชนิดปฐมภูมิอย่างไรที่ทำให้เกิดการก่อตัวเป็นเจลได้อย่างรวดเร็วและพัฒนาความแข็งแรงในระยะแรก

เมื่อพูดถึงการเร่งกระบวนการบ่มเรซินอีพอกซี อัลลิฟาติกอะมีนจะทำหน้าที่อย่างมีประสิทธิภาพผ่านกระบวนการเพิ่มแบบนิวคลีโอฟิลิก (nucleophilic addition) โดยหมู่อะมีนเบื้องต้น (-NH₂) จะทำปฏิกิริยาเข้ากับวงแหวนอีพอกไซด์อย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดพันธะโควาเลนต์ที่ทำให้โครงสร้างข้ามเชื่อม (crosslink) อย่างรวดเร็ว ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นนี้สอดคล้องกับสิ่งที่นักเคมีเรียกว่า “พลศาสตร์เชิงลำดับที่สอง (second order kinetics)” ดังนั้น เมื่อเราเพิ่มปริมาณของอะมีน หรือเพิ่มอุณหภูมิ กระบวนการบ่มจะไม่เพียงแต่เร็วขึ้นเท่านั้น แต่ยังเร็วขึ้นแบบทวีคูณอีกด้วย เมื่อเปรียบเทียบกับอะมีนอะโรมาติกหรือตัวเร่งปฏิกิริยาแบบแฝง (latent catalysts) แล้ว อัลลิฟาติกอะมีนเหล่านี้มีความสามารถในการบริจาคอิเล็กตรอนจากอะตอมไนโตรเจนได้ดีกว่ามาก ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าสามารถเพิ่มอัตราการเปิดวงแหวนได้ประมาณร้อยละ 30 ถึง 40 ในระบบที่ใช้ DGEBA ทั่วไป ผลลัพธ์สุดท้ายคือ กระบวนการก่อตัวเป็นเจล (gelation) เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว — บางครั้งภายในครึ่งชั่วโมง — ซึ่งให้ความแข็งแรงในระยะแรกที่จำเป็นอย่างยิ่งต่อการผลิตคอมโพสิต สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากช่วยป้องกันไม่ให้เส้นใยเคลื่อนออกจากตำแหน่งที่กำหนดระหว่างขั้นตอนการวางชั้น (layup operations) และลดความจำเป็นในการใช้อุปกรณ์จัดตำแหน่ง (jigs and fixtures) ต่าง ๆ ลงอย่างมากตลอดกระบวนการผลิต

เกณฑ์การประเมินประสิทธิภาพของการแข็งตัวที่อุณหภูมิแวดล้อม: ระบบ DGEBA ที่ทำให้แข็งตัวด้วย DETA และ TETA สามารถบรรลุความแข็งแรงดึงได้มากกว่า 85 MPa ภายใน 24 ชั่วโมง

ไดเอทิลีนทรีอะมีน (DETA) และไทรเอทิลีนเททราไมน์ (TETA) เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับประเมินประสิทธิภาพของเรซินอีพอกซีที่แข็งตัวที่อุณหภูมิแวดล้อม เมื่อนำมาทำปฏิกิริยากับไดกลัยซิดิล อีเทอร์ของไบส์ฟีนอล-เอ (DGEBA) ที่อุณหภูมิ 23°C และความชื้นสัมพัทธ์ 50% จะสามารถตอบสนอง—และเกินข้อกำหนดเชิงโครงสร้าง—ได้อย่างสม่ำเสมอ โดยไม่จำเป็นต้องใช้ความร้อนเสริมหลังการแข็งตัว:

น้ำหนักโมเลกุลต่ำและความสามารถในการทำปฏิกิริยาของหมู่อะมีนสูงของสารทั้งสองชนิดนี้ ส่งผลให้เกิดการข้ามพันธะอย่างหนาแน่นและสม่ำเสมอ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อคุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่าในงานขนาดใหญ่หรืองานที่ไวต่อความร้อน เช่น ใบพัดกังหันลม หรือเปลือกหุ้มอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยึดติดด้วยกาว

ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างกับสมบัติของอะมีนอะลิฟาติก: การปรับความหนาแน่นของการเชื่อมขวางและเนื้อความสม่ำเสมอของเครือข่าย

ผลกระทบจากฟังก์ชันนาลิตี้: ไทรแอมีน (เช่น TETA) เทียบกับไดแอมีน (เช่น DETA) — การวัดเชิงปริมาณความหนาแน่นของการเชื่อมขวางด้วยเทคนิค DMA และการบวมในตัวทำละลาย

เมื่อเปรียบเทียบตัวทำให้แข็งแบบไทร์อะมีน เช่น TETA กับไดอะมีน เช่น DETA จะพบความแตกต่างที่ชัดเจนในการก่อตัวของโครงข่าย (network formation) ทั้งนี้ เนื่องจาก TETA สร้างโครงสร้างที่แน่นหนาขึ้นอย่างมาก เนื่องจากมีจุดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นประมาณร้อยละ 50 เมื่อเทียบกับ DETA ซึ่งส่งผลโดยธรรมชาติให้เกิดความหนาแน่นของการเชื่อมขวาง (crosslink density) สูงขึ้นทั่วทั้งวัสดุ ผลการวิเคราะห์เชิงกลศาสตร์แบบไดนามิก (Dynamic Mechanical Analysis) ก็ยืนยันข้อสังเกตนี้ได้อย่างน่าเชื่อถือเช่นกัน โดยเรซินอีพอกซีที่ผ่านกระบวนการบ่มด้วย TETA มักมีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะแก้ว (glass transition temperature: Tg) สูงกว่าอุณหภูมิ Tg ของเรซินที่บ่มด้วย DETA ประมาณ 15 องศาเซลเซียส ความแตกต่างของอุณหภูมินี้บ่งบอกถึงระดับความแน่นหนาของการยึดตรึงกันระหว่างสายโพลิเมอร์อย่างมีน้ำหนัก ผลกระทบดังกล่าวปรากฏชัดเจนยิ่งขึ้นเมื่อทำการทดสอบการบวมในตัวทำละลาย (solvent swelling) กล่าวคือ เมื่อนำโครงข่ายที่บ่มด้วย TETA ไปแช่ในอะซิโตน จะพบว่ามีการขยายตัวของปริมาตรน้อยกว่าโครงข่ายที่บ่มด้วย DETA ประมาณร้อยละ 20 ถึง 30 ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความแน่นหนาของโครงสร้างวัสดุเหล่านี้อย่างชัดเจน สำหรับผู้ที่ทำงานด้านการพัฒนาสูตรผสม (formulation development) ความแตกต่างที่วัดค่าได้เช่นนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะช่วยให้ผู้พัฒนาสูตรสามารถควบคุมการเลือกชนิดของอะมีนได้อย่างแม่นยำตามความต้องการเฉพาะของผลิตภัณฑ์สุดท้าย ไม่ว่าจะเป็นความทนทานต่ออุณหภูมิ สารเคมี หรือแรงทางกายภาพในสภาพแวดล้อมการใช้งานจริง

ผลกระทบของโครงสร้างอะมีน: อัตราส่วนของอะมีนเบื้องต้นต่ออะมีนรอง และความยาวของสายโซ่แอลคิล ควบคุมค่า Tg ความเหนียวต่อการแตกร้าว และความสม่ำเสมอของการแข็งตัว

วิธีการจัดเรียงโมเลกุลนั้นเกินกว่าการปฏิบัติหน้าที่พื้นฐานเพียงอย่างเดียว และแท้จริงแล้วกำหนดประสิทธิภาพของวัสดุอย่างชัดเจน ยกตัวอย่างเช่น ส่วนเชื่อมอัลคิล (alkyl spacers) ซึ่งส่วนเชื่อมที่สั้น เช่น สะพานเอทิลีน (ethylene bridges) จะจำกัดการเคลื่อนที่ของสายโซ่ได้มากกว่าส่วนเชื่อมที่ยาวกว่าอย่างเช่น สายโพรพิลีน (propylene chains) ข้อจำกัดนี้ทำให้อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะจากแก้ว (glass transition temperature: Tg) เพิ่มขึ้นในช่วง 25 ถึง 40 องศาเซลเซียส แต่ก็มาพร้อมกับข้อเสียคือ ความต้านทานต่อแรงกระแทกลดลงประมาณ 35% สำหรับอะมีนนั้น อะมีนชนิดเบื้องต้น (primary amines) มักจะทำปฏิกิริยาได้เร็วกว่า แต่สร้างโครงสร้างที่แข็งและเปราะกว่า จึงหักหรือแตกได้ง่ายกว่า ในทางกลับกัน อะมีนชนิดทุติยภูมิ (secondary amines) จะก่อให้เกิดพันธะที่ยืดหยุ่น ทำให้วัสดุมีความสามารถในการโค้งงอได้ดีขึ้น และผ่านกระบวนการบ่ม (curing) ได้อย่างสม่ำเสมอมากขึ้นทั่วทั้งพื้นผิว การรักษาระดับสัดส่วนของอะมีนชนิดเบื้องต้นต่อชนิดทุติยภูมิให้อยู่ต่ำกว่า 2 ต่อ 1 มักจะให้สมดุลที่เหมาะสมที่สุดในส่วนใหญ่ของกรณี ซึ่งช่วยให้มั่นใจว่าสารทั้งหมดจะเปลี่ยนสภาพอย่างสมบูรณ์ระหว่างกระบวนการผลิต โดยไม่เหลือจุดอ่อนที่เกิดจากการบ่มไม่สมบูรณ์ สำหรับอุตสาหกรรมที่ต้องการวัสดุที่เชื่อถือได้ เช่น ชิ้นส่วนอากาศยาน หรือฝาครอบแบตเตอรี่ในยานพาหนะไฟฟ้า (EV) การออกแบบโครงสร้างโมเลกุลให้เหมาะสมนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออายุการใช้งานและความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์

การสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความทนทานในคอมโพสิตเรซินอีพอกซีที่ทำให้แข็งตัวด้วยอะมีนอะลิฟาติก

ข้อแลกเปลี่ยนด้านความเปราะ: โมดูลัสสูงของ IPDA (3.2 GPa) เทียบกับความต้านทานการกระแทกที่ลดลง เมื่อเทียบกับ DETA

การเลือกใช้อะมีนเชิงอะลิฟาติกหมายถึงการเดินบนเส้นด้ายบางๆ ระหว่างความแข็งแกร่งและความทนทานในการออกแบบวัสดุ ยกตัวอย่างเช่น IPDA ซึ่งมีโครงสร้างไซโคลอะลิฟาติกที่แข็งแกร่งมาก ส่งผลให้วัสดุมีความต้านแรงดึงสูงมากถึงประมาณ 3.2 GPa แต่ข้อจำกัดสำคัญคือวัสดุชนิดนี้ไม่สามารถรับแรงกระแทกได้ดีนัก เราสังเกตเห็นการเกิดรอยแตกจุลภาคเมื่อวัสดุถูกสัมผัสกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ หรือได้รับแรงกระแทกอย่างฉับพลัน ทางกลับกัน อะมีนเชิงสายตรง เช่น DETA อาจสูญเสียความแข็งแกร่งบางส่วน (ประมาณ 2.1 GPa) แต่ชดเชยด้วยความสามารถในการดูดซับพลังงานที่ดีกว่า เนื่องจากห่วงโซ่คาร์บอนที่ยืดหยุ่นช่วยเชื่อมต่อโครงสร้างทั้งหมดเข้าด้วยกัน สาเหตุของภาวะแลกเปลี่ยนนี้เกิดจากความหนาแน่นของการเชื่อมข้าม (crosslink density) เป็นหลัก โดยโครงสร้างของ IPDA ไม่สามารถจัดเรียงตัวให้แน่นหนาได้มากนักโดยไม่เกิดความแออัด จึงก่อให้เกิดเครือข่ายที่แข็งแกร่งแต่เปราะบาง ในขณะที่โครงสร้างของ DETA ที่มีความแออัดน้อยกว่าทำให้ห่วงโซ่สามารถเคลื่อนที่ได้พอสมควร เพื่อดูดซับพลังงานจากการกระแทกก่อนที่จะก่อให้เกิดความเสียหาย

กลยุทธ์การบ่มแบบไฮบริด: ผสมอะมีนเชิงอะลิฟาติกกับอะมีนเชิงอะโรมาติกหรืออะมีนที่ผ่านการดัดแปลงด้วยโพลีอีเทอร์ เพื่อรักษาความแข็งแรงไว้ในขณะที่เพิ่มความยืดหยุ่น

ความท้าทายในการรักษาสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวได้นำผู้ผลิตจำนวนมากหันไปใช้ระบบตัวทำให้แข็งแบบผสม (hybrid hardener systems) ในปัจจุบัน งานวิจัยล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร BMC Chemistry เมื่อปี ค.ศ. 2024 แสดงผลที่น่าสนใจเมื่อนำ IPDA มาผสมกับ TETA ในอัตราส่วนประมาณ 3 ต่อ 1 ผลที่เกิดขึ้นคือ ความต้านทานแรงอัดยังคงอยู่ที่ประมาณ 94 MPa แต่ความสามารถในการต้านทานการแตกร้าวเพิ่มขึ้นอย่างน่าประทับใจถึง 40% เมื่อเทียบกับการใช้ IPDA บริสุทธิ์เพียงอย่างเดียว แล้วรู้หรือไม่ว่า? เวลาในการบ่มที่อุณหภูมิห้องยังคงเกือบไม่เปลี่ยนแปลงเลย สารสูตรผสมเหล่านี้ทำงานได้ดีเพราะรวมองค์ประกอบอะโรมาติกซึ่งช่วยเสริมความต้านทานความร้อน เข้ากับส่วนประกอบโพลีอีเธอร์ที่ให้ความยืดหยุ่นมากขึ้นแก่โซ่โมเลกุล ส่งผลให้เกิดโครงสร้างเครือข่ายที่พันกันอย่างซับซ้อน เมื่อวัสดุเกิดเป็นเฟสแยกต่างหากระหว่างกระบวนการผลิต เฟสเหล่านั้นจะกลายเป็นจุดที่ความเค้นสะสมอยู่ ซึ่งนำไปสู่การเกิดรอยแตกขนาดเล็กอย่างควบคุมได้ เพื่อดูดซับพลังงานแทนที่จะปล่อยให้ความเสียหายแพร่กระจายอย่างไม่สามารถควบคุมได้ ดังนั้น เราจึงได้รับการป้องกันที่ดีขึ้นจากการล้มเหลวของวัสดุ โดยไม่สูญเสียคุณสมบัติการบ่มเร็วและคุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่าซึ่งเกิดจากสารประกอบอะลิฟาติก

ส่วน FAQ

อะมีนอะลิฟาติกคืออะไร?

อะมีนอะลิฟาติกเป็นกลุ่มหนึ่งของอะมีนที่มีโครงสร้างโมเลกุลแบบเปิดเป็นหลัก โดยทั่วไปจะมีพันธะคาร์บอน-ไนโตรเจน และถูกใช้ในกระบวนการบ่มเรซินอีพอกซี เนื่องจากสามารถเริ่มต้นปฏิกิริยาข้ามพันธะได้อย่างรวดเร็ว

เรซินอีพอกซีแบบบ่มที่อุณหภูมิห้องทำงานอย่างไร?

เรซินอีพอกซีแบบบ่มที่อุณหภูมิห้องถูกออกแบบมาให้แข็งตัวที่อุณหภูมิห้องโดยไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนเพิ่มเติม การใช้สารบ่ม เช่น ไดเอทิลีนทรีอะมีน (DETA) และไทรเอทิลีนเททราไมน์ (TETA) ช่วยให้เกิดการบ่มอย่างรวดเร็วและให้ความแข็งแรงดึงสูง

ความแตกต่างระหว่างอะมีนชนิดเบื้องต้น (primary amines) กับอะมีนชนิดทุติยภูมิ (secondary amines) ในการบ่มเรซินอีพอกซีคืออะไร?

อะมีนชนิดเบื้องต้นทำปฏิกิริยากับเรซินอีพอกซีได้เร็วกว่า ส่งผลให้เกิดโครงสร้างที่แข็งและแข็งแรงมากขึ้น ขณะที่อะมีนชนิดทุติยภูมิสร้างพันธะที่ยืดหยุ่นกว่า จึงให้ความสามารถในการโค้งงอที่ดีขึ้น และการบ่มที่สม่ำเสมอมากขึ้นทั่วทั้งพื้นผิว

ความสำคัญของการใช้กลยุทธ์การบ่มแบบผสมผสานคืออะไร?

กลยุทธ์การบ่มแบบไฮบริดรวมเอามีนอะลิฟาติกเข้ากับมีนอะโรมาติกหรือมีนที่ผ่านการดัดแปลงด้วยโพลีอีเทอร์ เพื่อให้เกิดสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความเหนียว ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการแตกร้าว และรักษาคุณสมบัติเชิงกลที่จำเป็นไว้