Evaluación del curado de sistemas adhesivos mediante ensayos reológicos y térmicos
Summary
Se propone una metodología experimental basada en mediciones térmicas y reológicas para caracterizar el proceso de curado de adhesivos con el fin de obtener información útil para la selección de adhesivos industriales.
Abstract
El análisis de los procesos térmicos asociados al curado de adhesivos y el estudio del comportamiento mecánico una vez curado, proporcionan información clave para elegir la mejor opción para cualquier aplicación específica. La metodología propuesta para la caracterización del curado, basada en el análisis térmico y la reología, se describe mediante la comparación de tres adhesivos comerciales. Las técnicas experimentales utilizadas aquí son Análisis Termogravimétrico (TGA), Calorimetría de Escaneo Diferencial (DSC) y Reología. TGA proporciona información sobre la estabilidad térmica y el contenido de relleno, DSC permite la evaluación de algunos eventos térmicos asociados a la reacción de curación y a los cambios térmicos del material curado cuando se somete a cambios de temperatura. La reología complementa la información de las transformaciones térmicas desde un punto de vista mecánico. Por lo tanto, la reacción de curado se puede rastrear a través del módulo elástico (principalmente el módulo de almacenamiento), el ángulo de fase y la brecha. Además, también se ha demostrado que aunque DSC no sirve de nada para estudiar el curado de adhesivos curables por humedad, es un método muy conveniente para evaluar la transición de vidrio a baja temperatura de los sistemas amorfos.
Introduction
Hoy en día existe una creciente demanda de adhesivos. La industria actual exige que los adhesivos tengan propiedades cada vez más variadas, adaptadas a la creciente diversidad de posibles nuevas aplicaciones. Hace que la selección de la opción más adecuada para cada caso específico sea una tarea difícil. Por lo tanto, la creación de una metodología estándar para caracterizar los adhesivos de acuerdo con sus propiedades facilitaría el proceso de selección. El análisis del adhesivo durante el proceso de curado y las propiedades finales del sistema curado son cruciales para decidir si un adhesivo es válido o no para una determinada aplicación.
Dos de las técnicas experimentales más utilizadas para estudiar el comportamiento de los adhesivos son la Calorimetría de Escaneo Diferencial (DSC) y el Análisis Mecánico Dinámico (DMA). Las mediciones reológicas y las pruebas termogravimétricas también se utilizan ampliamente. A través de ellos, se puede determinar la temperatura de transición del vidrio (Tg) y el calor residual del curado, que están relacionados con el grado decuración 1,2, .
TGA proporciona información sobre la estabilidad térmica de los adhesivos3,4, que es muy útil para establecer nuevas condiciones de proceso, por otro lado, las mediciones reológicas permiten la determinación del tiempo de gel del adhesivo, el análisis de la contracción de curado, y la definición de las propiedades viscoelásticas de una muestra curada5,6,7, mientras que la técnica DSC permite la medición del calor residual del curado, y el discernimiento entre uno o más procesos térmicos que pueden tener lugar simultáneamente durante el curado8,9. Por lo tanto, la combinación de METODOLOGÍAs DSC, TGA y reológicas proporciona información detallada y confiable para desarrollar una caracterización completa de los adhesivos.
Hay una serie de estudios de adhesivos donde DSC y TGA se aplican juntos10,11,12. También hay algunos estudios que complementan el DSC con mediciones reológicas13,14,15. Sin embargo, no existe un protocolo estandarizado para abordar la comparación de adhesivos de manera sistemática. Esa comparación elegiría mejor los adhesivos adecuados en diferentes contextos. En este trabajo, se propone una metodología experimental para realizar una caracterización del proceso de curado a través del uso combinado del análisis térmico y la reología. La aplicación de estas técnicas como conjunto permite recopilar información sobre el comportamiento adhesivo durante y después del proceso de curado, también la estabilidad térmica y la Tg del material16.
La metodología propuesta que implica las tres técnicas, DSC, TGA y reología se describe en este trabajo utilizando tres adhesivos comerciales como ejemplo. Uno de los adhesivos, en lo sucesivo denominado S2c, es un adhesivo de dos componentes: el componente A contiene metacrilato tetrahidrofutrérido y el componente B contiene peróxido de benzoilo. El componente B actúa como iniciador de la reacción de curado al hacer que se abran los anillos de metacrilato tetrahidrofurfuryl. A través de un mecanismo de polimerización de radicales libres, el enlace C-C del monómero reacciona con el radical en crecimiento para formar una cadena con grupos laterales de tetrahidrofurfuryl17. Los otros adhesivos, T1c y T2c, son las versiones de uno y dos componentes de la misma casa comercial de un adhesivo de polímero de silano modificado. El proceso de curado comienza por la hidrólisis del grupo de silano18,que puede iniciarse por humedad ambiental (como en el caso de T1c) o por la adición de un segundo componente (como en el caso de T2c).
En cuanto a las áreas de aplicación de estos tres sistemas diferentes: el adhesivo S2c fue diseñado para sustituir, en algunos casos, la soldadura, remachado, clinching y otras técnicas de fijación mecánica y es adecuado para la fijación de alta resistencia de juntas ocultas en diferentes tipos de sustratos incluyendo capas superiores, plásticos, vidrio, etc. Los adhesivos T1c y T2c se utilizan para la unión elástica de metales y plásticos: en la fabricación de caravanas, en la industria de vehículos ferroviarios o en la construcción naval.
Protocol
Representative Results
Discussion
Una prueba TGA preliminar de cada adhesivo es siempre un paso fundamental, ya que proporciona información sobre el rango de temperatura en el que el material es estable. Esa información es crucial para establecer correctamente nuevos experimentos. Además, TGA también puede informar sobre el contenido de relleno, que puede ser muy perspicaz para entender que el módulo de almacenamiento y pérdida puede no cruzar a lo largo de la cura.
Por otro lado, DSC permite estudiar la curación de la …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación ha sido apoyada parcialmente por el Ministerio de Ciencia e Innovación de España y por la Xunta de Galicia (Unidad de Investigación UDC-Navantia[IN853B-2018/02]). Nos gustaría dar las gracias a TA Instruments por la imagen que muestra el esquema del reómetro utilizado. Esta imagen se incluye en la Tabla de Materiales del artículo. También queremos agradecer a Journal of Thermal Analysis and Calorimetry por su permiso para el uso de algunos datos de referencia [16], y el Centro de Investigaciones Científicas Avanzadas (CICA) por el uso de sus instalaciones.
Materials
| 2960 SDT | TA Instruments | Simultaneous DSC/TGA device: Used to perform thermogravimetric tests. | |
| Discovery HR-2 | TA Instruments | Rheometer to perform rheological test. | |
| MDSC Q2000 | TA Instruments | Differential Scanning Calorimeter with optional temperature modulation. Used to peform DSC and MDSC tests. | |
| Sikafast 5211NT | Sika | S2c: a two component system manufactured by Sika. It is based on tetrahydrofurfuryl methacrylate and contains an ethoxylated aromatic amine. The second component contains benzoyl peroxide as the initiator for the crosslinking reaction. |
|
| Teroson MS 939 FR | Henkel | T1c: manufactured by Henkel, which is a one component sylil-modified-polymer, whose cure reaction is triggered by moisture. | |
| Teroson MS 9399 | Henkel | T2c: a two component system manufactured by Henkel. It is a sylil-modified-polymer too but the second component is aimed to make the curing rate a little more independent from the moisture content of air. | |
| TRIOS | TA Instruments | Control Software for the rheometer. Version 4.4.0.41651 |
Riferimenti
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