Bewertung der Aushärtung von Klebstoffsystemen durch rheologische und thermische Prüfung
Summary
Es wird eine experimentelle Methodik vorgeschlagen, die auf thermischen und rheologischen Messungen basiert, um den Aushärtungsprozess von Klebstoffen zu charakterisieren, um nützliche Informationen für die industrielle Klebstoffauswahl zu erhalten.
Abstract
Die Analyse der thermischen Prozesse im Zusammenhang mit der Aushärtung von Klebstoffen und die Untersuchung des mechanischen Verhaltens nach der Aushärtung, bieten wichtige Informationen, um die beste Option für jede spezifische Anwendung zu wählen. Die vorgeschlagene Methode für die Härtungscharakterisierung, die auf thermischer Analyse und Rheologie basiert, wird durch den Vergleich von drei kommerziellen Klebstoffen beschrieben. Die hier verwendeten experimentellen Techniken sind Thermogravimetric Analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC) und Rheology. TGA liefert Informationen über die thermische Stabilität und den Füllstoffgehalt, DSC ermöglicht die Auswertung einiger thermischer Ereignisse im Zusammenhang mit der Aushärtungsreaktion und thermischen Veränderungen des ausgehärteten Materials bei Temperaturänderungen. Die Rheologie ergänzt die Information der thermischen Transformationen aus mechanischer Sicht. So kann die Aushärtungsreaktion durch den elastischen Modul (hauptsächlich den Speichermodul), den Phasenwinkel und den Spalt verfolgt werden. Darüber hinaus wird auch gezeigt, dass DSC zwar nichts nützt, um die Aushärtung feuchtigkeitshärtender Klebstoffe zu untersuchen, es aber eine sehr bequeme Methode ist, den Niedertemperatur-Glasübergang amorpher Systeme zu bewerten.
Introduction
Heutzutage steigt die Nachfrage nach Klebstoffen. Die heutige Industrie verlangt, dass Klebstoffe immer vielfältigere Eigenschaften haben, die an die wachsende Vielfalt möglicher neuer Anwendungen angepasst sind. Es macht die Auswahl der am besten geeigneten Option für jeden spezifischen Fall zu einer schwierigen Aufgabe. Daher würde die Erstellung einer Standardmethodik, um die Klebstoffe nach ihren Eigenschaften zu charakterisieren, den Auswahlprozess erleichtern. Die Analyse des Klebstoffs während des Aushärtungsprozesses und die endgültigen Eigenschaften des ausgehärteten Systems sind entscheidend, um zu entscheiden, ob ein Klebstoff für eine bestimmte Anwendung gültig ist oder nicht.
Zwei der am häufigsten verwendeten experimentellen Techniken zur Untersuchung des Verhaltens von Klebstoffen sind Differential Scanning Calorimetry (DSC) und Dynamic Mechanical Analysis (DMA). Rheologische Messungen und thermogravimetrische Tests sind ebenfalls weit verbreitet. Durch sie können die Glasübergangstemperatur (Tg) und die Restwärme der Aushärtung, die mit dem Heilungsgrad1,2zusammenhängen, bestimmt werden.
TGA liefert Informationen über die thermische Stabilität der Klebstoffe3,4, was sehr nützlich ist, um weitere Prozessbedingungen zu schaffen, auf der anderen Seite ermöglichen rheologische Messungen die Bestimmung der Gelzeit des Klebstoffs, die Analyse der aushärtenden Schrumpfung und die Definition der viskoelastischen Eigenschaften einer ausgehärteten Probe5,6,7, während die DSC-Technik die Messung der Restwärme der Aushärtung und die Unterscheidung zwischen einem oder mehreren thermischen Prozessen ermöglicht, die gleichzeitig während der Aushärtung8,9stattfinden können. Daher liefert die Kombination von DSC-, TGA- und rheologischen Methoden detaillierte und zuverlässige Informationen, um eine vollständige Charakterisierung von Klebstoffen zu entwickeln.
Es gibt eine Reihe von Studien von Klebstoffen, wo DSC und TGA zusammen angewendet werden10,11,12. Es gibt auch einige Studien, die den DSC mit rheologischen Messungen13,14,15ergänzen. Es gibt jedoch kein standardisiertes Protokoll, um den Vergleich von Klebstoffen systematisch anzugehen. Dieser Vergleich würde alle besser die richtigen Klebstoffe in verschiedenen Kontexten wählen. In dieser Arbeit wird eine experimentelle Methodik für eine Charakterisierung des Härtungsprozesses durch die kombinierte Verwendung der thermischen Analyse und Rheologie vorgeschlagen. Die Anwendung dieser Techniken als Ensemble ermöglicht es, Informationen über das Haftverhalten während und nach dem Aushärtungsprozess zu sammeln, auch die thermische Stabilität und die Tg des Materials16.
Die vorgeschlagene Methodik, die die drei Techniken DSC, TGA und Rheologie einbezieht, wird in dieser Arbeit am Beispiel von drei kommerziellen Klebstoffen beschrieben. Einer der Klebstoffe, im Folgenden S2c genannt, ist ein Zweikomponenten-Klebstoff: Komponente A enthält Tetrahydrofurfurylmethacrylat und Komponente B enthält Benzoylperoxid. Die Komponente B wirkt als Initiator der Aushärtungsreaktion, indem sie das Öffnen der Tetrahydrofurfuryl-Methacrylatringe verursacht. Durch einen freien Radikalpolymerisationsmechanismus reagiert die C=C-Bindung des Monomers mit dem wachsenden Radikal, um eine Kette mit Tetrahydrofurfuryl-Seitengruppen17zu bilden. Die anderen Klebstoffe, T1c und T2c, sind die Ein- und Zweikomponentenausführungen aus dem gleichen Handelshaus eines modifizierten Silanpolymerklebers. Der Aushärtungsprozess beginnt mit der Hydrolyse der Silangruppe18, die durch Umgebungsfeuchtigkeit (wie im Fall von T1c) oder durch Zugabe einer zweiten Komponente (wie im Fall von T2c) eingeleitet werden kann.
Bezüglich der Anwendungsbereiche dieser drei verschiedenen Systeme: Der Klebstoff S2c wurde entwickelt, um in einigen Fällen Schweißen, Nieten, Clinching und andere mechanische Befestigungstechniken zu ersetzen, und er eignet sich für die hochfeste Befestigung von verdeckten Verbindungen auf verschiedenen Arten von Substraten, einschließlich Decklacken, Kunststoffen, Glas usw. Die Klebstoffe T1c und T2c werden zur elastischen Verklebung von Metallen und Kunststoffen eingesetzt: in der Caravan-Fertigung, in der Eisenbahnfahrzeugindustrie oder im Schiffbau.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ein vorläufiger TGA-Test jedes Klebstoffs ist immer ein grundlegender Schritt, da er Informationen über den Temperaturbereich gibt, in dem das Material stabil ist. Diese Informationen sind von entscheidender Bedeutung, um weitere Experimente richtig durchzuführen. Darüber hinaus kann TGA auch über den Füllstoffinhalt informieren, der sehr aufschlussreich sein kann, um zu verstehen, dass Speicher- und Verlustmodul nicht entlang der Kur kreuzen kann.
Auf der anderen Seite erlaubt DSC, die …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde teilweise vom spanischen Ministerium für Wissenschaft und Innovation [Grant MTM2014-52876-R], [MTM2017-82724-R] und von Xunta de Galicia (Unidad Mixta de Investigacion UDC-Navantia [IN853B-2018/02]) unterstützt. Wir danken TA Instruments für das Bild, das das Schema des verwendeten Rheometers zeigt. Dieses Bild ist in der Tabelle der Materialien des Artikels enthalten. Wir möchten auch dem Journal of Thermal Analysis and Calorimetry für seine Erlaubnis danken, einige Daten aus der Referenz [16] zu verwenden, und dem Centro de Investigaciones Cientéficas Avanzadas (CICA) für die Nutzung seiner Einrichtungen.
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 |
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