Лечение (химия) - Curing (chemistry)

Лечение это химический процесс, используемый в химия полимеров и технологический процесс что вызывает упрочнение или упрочнение полимер материал от сшивание полимерных цепей. Даже если это сильно связано с производством термореактивные полимеры, термин отверждение может использоваться для всех процессов, в которых, начиная с жидкого раствора, получают твердый продукт.^[1]

Процесс отверждения

Рисунок 1: Структура застывшего эпоксидного клея. Отвердитель триамина показан красным цветом, смола - черным. Эпоксидные группы смолы вступили в реакцию с отвердителем. Материал очень сшитый и содержит много групп ОН, которые придают адгезионные свойства.

В процессе отверждения отдельные мономеры и олигомеры, смешанные с отвердителем или без него, реагируют с образованием трехмерной полимерной сетки.^[2]

В первой части реакции разветвляет молекулы с различной архитектурой, и их молекулярный вес увеличивается со временем по мере реакции, пока размер сети не станет равным размеру системы. Система потеряла растворимость и это вязкость стремится к бесконечности. Остальные молекулы начинают сосуществовать с макроскопической сетью, пока они не реагируют с сетью, создавая другие сшивки. Плотность сшивки увеличивается до тех пор, пока система не дойдет до конца химической реакции.^[2]

Отверждение может быть инициировано нагреванием, излучением, электронными лучами или химическими добавками. Цитировать из ИЮПАК: curing "может потребоваться или не потребоваться смешивание с химическим отвердителем".^[3] Таким образом, два широких класса: (i) отверждение, вызванное химическими добавками (также называемые отвердителями, отвердителями) и (ii) отверждение без добавок. Промежуточный случай включает смесь смолы и добавок, которая требует внешнего воздействия (света, тепла, излучения), чтобы вызвать отверждение.

Методика отверждения зависит от смолы и области применения. Особое внимание уделяется усадке, вызванной отверждением. Обычно желательны небольшие значения усадки (2-3%).^[1]

Отверждение, вызванное добавками

Рисунок 2: Общее представление химической структуры вулканизированного натурального каучука, показывающее сшивание двух полимерных цепей (синий и зеленый) с сера (n = 0, 1, 2, 3…).

Рисунок 3: Упрощенные химические реакции, связанные с отверждением олифы. На первом этапе диен подвергается самоокислению, чтобы дать гидропероксид. На втором этапе гидропероксид соединяется с другой ненасыщенной боковой цепью с образованием поперечной связи.^[4]

Эпоксидные смолы обычно отверждаются при помощи добавок, часто называемых отвердителями. Полиамины часто используются. Аминные группы открывают эпоксидные кольца.

В резинка отверждение также вызывается добавлением сшивающего агента. Полученный процесс называется вулканизация серы. Сера распадается с образованием полисульфида перекрестные ссылки (мосты) между секциями полимерные цепи. Степень сшивки определяет жесткость и долговечность, а также другие свойства материала.^[5]

Краски и лаки обычно содержат осушители масла; мыло из металла которые катализируют сшивание ненасыщенных масел, из которых они в основном состоят. Таким образом, когда краска описывается как высыхающая, на самом деле она затвердевает. Атомы кислорода служат поперечными связями, аналогичными той роли, которую играет сера при вулканизации резины.

Отверждение без добавок

В случае конкретный, отверждение влечет за собой образование силикатных сшивок. Этот процесс не вызывается добавками.

Во многих случаях смола предоставляется в виде раствора или смеси с термически активированным катализатором, который вызывает сшивание, но только при нагревании. Например, некоторые смолы на основе акрилата содержат дибензоил пероксид. При нагревании смеси пероксид превращается в свободный радикал, который присоединяется к акрилату, инициируя сшивание.

Некоторые органические смолы отверждаются при нагревании. Когда нагревается, вязкость капель смолы до начала сшивание, после чего увеличивается по мере того, как составляющая олигомеры соединить. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не появится трехмерная сеть олигомер цепочки создаются - этот этап называется гелеобразование. С точки зрения технологичности смола это важный этап: до гелеобразование система относительно мобильна, после нее подвижность очень ограничена, микроструктура смолы и композитный материал фиксируется, и создаются серьезные диффузионные ограничения для дальнейшего лечения. Таким образом, чтобы добиться стеклование в смоле обычно необходимо повышать температуру процесса после гелеобразование.

Когда катализаторы активируются ультрафиолетовая радиация этот процесс называется УФ-отверждением.^[6]

Методы мониторинга

Мониторинг отверждения является, например, важным компонентом контроля производственного процесса композитные материалы Материал, изначально жидкость, в конце процесса будет твердый: вязкость это самое важное свойство, которое меняется в процессе.

Мониторинг отверждения основан на мониторинге различных физических или химических свойств.

Реологический анализ

Рисунок 4: Изменение во времени модуля упругости G 'и модуля потерь G "во время реакции отверждения.

Простой способ контролировать изменение вязкости и, следовательно, степень реакции в процессе отверждения - это измерить изменение вязкости. модуль упругости.^[7]

Чтобы измерить модуль упругости системы во время отверждения, реометр может быть использован.^[7] С динамический механический анализ можно измерить модуль упругости (G ’) и модуль потерь (G ’’). Изменение G 'и G "во времени может указывать на степень реакции отверждения.^[7]

Как показано на рисунке 4, по истечении «времени индукции» G 'и G «начинают увеличиваться с резким изменением наклона. В определенный момент они пересекаются друг с другом; затем скорости G 'и G "уменьшаются, и модули стремятся к плато. Когда они достигают плато, реакция завершается.^[2]

Когда система жидкая, модуль упругости очень мал: система ведет себя как жидкость. Затем реакция продолжается, и система начинает реагировать больше как твердое тело: модуль упругости увеличивается.

Степень отверждения, ${ displaystyle alpha}$ , можно определить следующим образом:^[8]

${ displaystyle alpha = { frac {G '(t) -G' _ {min}} {G '_ {max} -G' _ {min}}}}$ ^[8]

Степень отверждения начинается с нуля (в начале реакции) и увеличивается до единицы (в конце реакции). Наклон кривой меняется со временем и имеет максимум примерно на половине реакции.

Термический анализ

Если реакции, происходящие во время сшивания, экзотермический, скорость сшивания может быть связана с теплотой, выделяющейся во время процесса. Больше количество облигации создается больше тепла, выделяемого в реакции. По окончании реакции тепло больше не выделяется. Для измерения теплового потока дифференциальная сканирующая калориметрия может быть использован.^[9]

Предполагая, что каждый связь сформированный во время сшивание высвобождает такое же количество энергии, степень отверждения, ${ displaystyle alpha}$ , можно определить следующим образом:^[9]

${ displaystyle alpha = { frac {Q} {Q_ {T}}} = { frac { int _ {0} ^ {s} { dot {Q}} , dt} { int _ { 0} ^ {s_ {f}} { dot {Q}} , dt}}}$ ^[9]

куда ${ displaystyle Q}$ выделяется ли тепло за определенное время ${ displaystyle s}$ , ${ displaystyle { dot {Q}}}$ - мгновенная скорость нагрева и ${ displaystyle Q_ {T}}$ это общее количество тепла, выделяемого в ${ displaystyle s_ {f}}$ , когда реакция закончится.^[9]

Также в этом случае степень отверждения изменяется от нуля (нет связей) до единицы (реакции больше не происходят) с наклоном, который изменяется во времени и имеет максимум примерно на половине скорости реакции.^[9]

Диэлектрометрический анализ

Обычная диэлектрометрия обычно выполняется в конфигурации параллельных пластин прибора. диэлектрик датчик (емкостной зонд ) и имеет возможность контролировать отверждение смолы на протяжении всего цикла, от жидкости до резины и до твердого состояния. Он способен контролировать фазовое разделение в сложных смесях смол, отверждаемых также в волокнистой основе. Те же атрибуты принадлежат более позднему развитию диэлектрической техники, а именно микродиэлектрометрии.

В продаже имеется несколько версий диэлектрических датчиков. Наиболее подходящим форматом для использования в приложениях мониторинга отверждения являются плоские встречно-штыревые емкостные конструкции, несущие на своей поверхности чувствительную сетку. В зависимости от их конструкции (особенно на прочных подложках) их можно использовать повторно, в то время как датчики с гибкими подложками могут использоваться также в основной массе полимерных систем в качестве встроенных датчиков.

Спектроскопический анализ

За процессом отверждения можно следить, измеряя изменения различных параметров:

концентрация конкретных химически активных смол с использованием спектроскопические методы Такие как FTIR & Раман;
то показатель преломления или же флуоресценция смолы (оптическое свойство);
внутренняя смола напряжение (механическое свойство) с использованием Волоконная решетка Брэгга (ВБР) датчики.

Ультразвуковой анализ

Ультразвуковой методы мониторинга лечения основаны на взаимосвязи между изменениями характеристик размножения УЗИ и механические свойства компонента в реальном времени путем измерения:

ультразвуковое время пролета как в сквозном, так и в эхо-импульсном режимах;
собственная частота с использованием ударного возбуждения и лазер -индуцированная поверхность акустическая волна измерение скорости.