Evaluatie van de uitharding van lijmsystemen door rheologische en thermische tests
Summary
Er wordt een experimentele methodologie voorgesteld op basis van thermische en rheologische metingen om het uithardingsproces van lijmen te karakteriseren om nuttige informatie te verkrijgen voor industriële lijmselectie.
Abstract
De analyse van thermische processen in verband met het genezen van lijmen en de studie van mechanisch gedrag eenmaal genezen, bieden belangrijke informatie om de beste optie te kiezen voor een specifieke toepassing. De voorgestelde methode voor de uithardingskarakterisering, gebaseerd op thermische analyse en reologie, wordt beschreven door de vergelijking van drie commerciële lijmen. De experimentele technieken die hier worden gebruikt zijn Thermogravimetric Analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC) en Rheology. TGA biedt informatie over de thermische stabiliteit en vulstof inhoud, DSC maakt de evaluatie van een aantal thermische gebeurtenissen in verband met de genezing reactie en thermische veranderingen van het uitgeharde materiaal wanneer onderworpen aan temperatuurveranderingen. Reologie vult de informatie van de thermische transformaties vanuit mechanisch oogpunt aan. Zo kan de uithardingsreactie worden gevolgd via de elastische modulus (voornamelijk de opslagmodulus), de fasehoek en de kloof. Bovendien wordt ook aangetoond dat, hoewel DSC geen nut heeft om het genezen van vochtcurrbele lijmen te bestuderen, het een zeer handige methode is om de lage temperatuur glasovergang van amorfe systemen te evalueren.
Introduction
Tegenwoordig is er een toenemende vraag naar lijmen. De industrie van vandaag eist dat lijmen steeds meer uiteenlopende eigenschappen hebben, aangepast aan de groeiende diversiteit aan mogelijke nieuwe toepassingen. Het maakt de selectie van de meest geschikte optie voor elk specifiek geval een moeilijke taak. Daarom zou het creëren van een standaardmethodologie om de lijmen te karakteriseren op basis van hun eigenschappen het selectieproces vergemakkelijken. De analyse van de lijm tijdens het uithardingsproces en de uiteindelijke eigenschappen van het uitgeharde systeem zijn cruciaal om te beslissen of een lijm geldig is of niet voor een bepaalde toepassing.
Twee van de meest gebruikte experimentele technieken om het gedrag van lijmen te bestuderen zijn Differential Scanning Calorimetry (DSC) en Dynamic Mechanical Analysis (DMA). Ook rheologische metingen en thermogravimetrische tests worden veel gebruikt. Door hen kunnen de glasovergangstemperatuur (Tg) en de restwarmte van het uitharden, die gerelateerd zijn aan de mate van genezing1,2, worden bepaald.
TGA geeft informatie over de thermische stabiliteit van de lijmen3,4, wat zeer nuttig is om verdere procesomstandigheden vast te stellen, anderzijds kunnen de reologische metingen de geltijd van de lijm, de analyse van de uithardingskrimp en de definitie van de visco-elastische eigenschappen van een uitgehard monster5,6,7, terwijl de DSC-techniek het mogelijk maakt de restwarmte van het uitharden te meten en onderscheid te maken tussen een of meer thermische processen die gelijktijdig tijdens het uitharden8,9kunnen plaatsvinden . Daarom biedt de combinatie van DSC, TGA en rheologische methodologieën gedetailleerde en betrouwbare informatie om een volledige karakterisering van lijmen te ontwikkelen.
Er is een aantal studies van lijmen waarbij DSC en TGA samen worden toegepast10,11,12. Er zijn ook enkele studies die de DSC aanvullen met rheologische metingen13,14,15. Er is echter geen gestandaardiseerd protocol om de vergelijking van lijmen systematisch aan te pakken. Die vergelijking zou allemaal beter kiezen voor de juiste lijmen in verschillende contexten. In dit werk wordt een experimentele methodologie voorgesteld voor het karakteriseren van het uithardingsproces door het gecombineerde gebruik van de thermische analyse en reologie. Het toepassen van deze technieken als een ensemble maakt het mogelijk om informatie te verzamelen over het kleefgedrag tijdens en na het uithardingsproces, ook de thermische stabiliteit en de Tg van het materiaal16.
De voorgestelde methode met betrekking tot de drie technieken, DSC, TGA en reologie, wordt in dit werk beschreven met behulp van drie commerciële lijmen als voorbeeld. Een van de lijmen, hierna S2c genoemd, is een lijm met twee componenten: component A bevat tetrahydrofurfurylmecrylaat en component B bevat benzoylperoxide. De component B fungeert als initiatiefnemer van de uithardingsreactie door de tetrahydrofurfuryl methacrylaatringen te openen. Door middel van een vrij radical polymerisatiemechanisme reageert de C=C-binding van de monomeer met de groeiende radicaal om een keten te vormen met tetrahydrofurfurylzijgroepen17. De andere lijmen, T1c en T2c, zijn de versies van één en twee componenten uit hetzelfde commerciële huis van een gemodificeerde silane polymeerlijm. Het uithardingsproces begint met de hydrolyse van de silanegroep18, die kan worden geïnitieerd door luchtvochtigheid (zoals in het geval van T1c) of door toevoeging van een tweede component (zoals in het geval van T2c).
Wat de toepassingsgebieden van deze drie verschillende systemen betreft: de lijm S2c is ontworpen om in sommige gevallen lassen, klinken, vastklemmen en andere mechanische bevestigingstechnieken te vervangen en is geschikt voor het vastmaken van verborgen verbindingen met een hoge sterkte op verschillende soorten substraten, waaronder topcoats, kunststoffen, glas, enz. De T1c- en T2c-lijmen worden gebruikt voor elastische hechting van metalen en kunststoffen: in de caravanproductie, in de spoorwegvoertuigenindustrie of in de scheepsbouw.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een voorlopige TGA-test van elke lijm is altijd een fundamentele stap omdat het informatie geeft over het temperatuurbereik waarbij het materiaal stabiel is. Die informatie is van cruciaal belang voor het correct opzetten van verdere experimenten. Bovendien kan TGA ook informeren over de vulinhoud, die zeer inzichtelijk kan zijn om te begrijpen dat opslag en verliesmodulus niet langs de kuur mogen gaan.
Aan de andere kant, DSC maakt het mogelijk om de genezing van de meeste thermohardende syst…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek is gedeeltelijk ondersteund door het Spaanse ministerie van Wetenschap en Innovatie [Grant MTM2014-52876-R], [MTM2017-82724-R] en door Xunta de Galicia (Unidad Mixta de Investigación UDC-Navantia [IN853B-2018/02]). We willen TA Instruments bedanken voor het beeld dat het schema van de gebruikte rheometer laat zien. Deze afbeelding is opgenomen in de tabel met materialen van het artikel. We willen ook Journal of Thermal Analysis en Calorimetry bedanken voor zijn toestemming voor het gebruik van enkele gegevens uit referentie [16], en de Centro de Investigaciones Científicas Avanzadas (CICA) voor het gebruik van haar faciliteiten.
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 |
References
- Zhang, Y., Adams, R. D., da Silva, L. F. M. Effects of Curing Cycle and Thermal History on the Glass Transition Temperature of Adhesives. The Journal of Adhesion. 90 (4), 327-345 (2014).
- Wisanrakkit, G., Gillham, J. K. The glass transition temperature (Tg) as an index of chemical conversion for a high-Tg amine/epoxy system: Chemical and diffusion-controlled reaction kinetics. Journal of Applied Polymer Science. 41 (11-12), 2885-2929 (1990).
- Ji, X., Guo, M. Preparation and properties of a chitosan-lignin wood adhesive. International Journal of Adhesion and Adhesives. 82, 8-13 (2018).
- Aliakbari, M., Jazani, M. O., Sohrabian, M., Jouyandeh, M., Saeb, M. R. Multi-nationality epoxy adhesives on trial for future nanocomposite developments. Progress in Organic Coatings. 133, 376-386 (2019).
- Kozowyk, P. R. B., Poulis, J. A. A new experimental methodology for assessing adhesive properties shows that Neandertals used the most suitable material available. Journal of Human Evolution. 137, 102664 (2019).
- Tenorio-Alfonso, A., Pizarro, M. L., Sánchez, M. C., Franco, J. M. Assessing the rheological properties and adhesion performance on different substrates of a novel green polyurethane based on castor oil and cellulose acetate: A comparison with commercial adhesives. International Journal of Adhesion and Adhesives. 82, 21-26 (2018).
- Presser, M., Geiss, P. L. Experimental investigation of the influence of residual stress due to curing shrinkage on the interphase formation in adhesively bonded joints. Procedia Engineering. 10, 2743-2748 (2011).
- McHugh, J., Fideu, P., Herrmann, A., Stark, W. Determination and review of specific heat capacity measurements during isothermal cure of an epoxy using TM-DSC and standard DSC techniques. Polymer Testing. 29 (6), 759-765 (2010).
- Moussa, O., Vassilopoulos, A. P., Keller, T. Experimental DSC-based method to determine glass transition temperature during curing of structural adhesives. Construction and Building Materials. 28 (1), 263-268 (2012).
- Yang, Q., Xian, G., Karbhari, V. M. Hygrothermal ageing of an epoxy adhesive used in FRP strengthening of concrete. Journal of Applied Polymer Science. 107 (4), 2607-2617 (2008).
- Campbell, R., Pickett, B., La Saponara, V., Dierdorf, D. Thermal Characterization and Flammability of Structural Epoxy Adhesive and Carbon/Epoxy Composite with Environmental and Chemical Degradation. Journal of Adhesion Science and Technology. 26, 889-910 (2012).
- Rahman, M. M., Kim, H. D. Synthesis and characterization of waterborne polyurethane adhesives containing different amount of ionic groups (I). Journal of Applied Polymer Science. 102 (6), 5684-5691 (2006).
- Vega-Baudrit, J., Navarro-Bañón, V., Vázquez, P., Martín-Martínez, J. M. Addition of nanosilicas with different silanol content to thermoplastic polyurethane adhesives. International Journal of Adhesion and Adhesives. 26 (5), 378-387 (2006).
- Park, Y. J., Joo, H. S., Kim, H. J., Lee, Y. K. Adhesion and rheological properties of EVA-based hot-melt adhesives. International Journal of Adhesion and Adhesives. 26 (8), 571-576 (2006).
- Kim, H., Kim, J., Kim, J. Effects of novel carboxylic acid-based reductants on the wetting characteristics of anisotropic conductive adhesive with low melting point alloy filler. Microelectronics Reliability. 50 (2), 258-265 (2010).
- Sánchez-Silva, B., et al. Thermal and rheological comparison of adhesives. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 138 (5), 3357-3366 (2019).
- Full, A. P., et al. Polymerization of tetrahydrofurfuryl methacrylate in three-component anionic microemulsions. Macromolecules. 25, 5157-5164 (1992).
- Pizzi, A., Mittal, K. L. . Handbook of adhesive technology. , (1992).
- Keenan, M. R. Autocatalytic cure kinetics from DSC measurements: Zero initial cure rate. Journal of Applied Polymer Science. 33 (5), 1725-1734 (1987).
- Lee, J. Y., Shim, M. J., Kim, S. W. Autocatalytic cure kinetics of natural zeolite filled epoxy composites. Materials Chemistry and Physics. 48 (1), 36-40 (1997).
- Hayaty, M., Beheshty, M. H., Esfandeh, M. Isothermal differential scanning calorimetry study of a glass/epoxy prepreg. Polymers for Advanced Technologies. 22 (6), 1001-1006 (2011).
- Lee, E. J., Park, H. J., Kim, S. M., Lee, K. Y. Effect of Azo and Peroxide Initiators on a Kinetic Study of Methyl Methacrylate Free Radical Polymerization by DSC. Macromolecular Research. 26 (4), 322-331 (2018).
- Chambon, F., Winter, H. H. Linear Viscoelasticity at the Gel Point of a Crosslinking PDMS with Imbalanced Stoichiometry. Journal of Rheology. 31 (8), 683-697 (1987).
- Winter, H. H., Chambon, F. Analysis of linear viscoelasticity of a crosslinking polymer at the gel point. Journal of Rheology. 30 (2), 367-382 (1986).
- Roland, C. M. Characteristic relaxation times and their invariance to thermodynamic conditions. Soft Matter. 4 (12), 2316 (2008).
