Valutazione della polimerizzazione dei sistemi adesivi mediante prove reologiche e termiche
Summary
Viene proposta una metodologia sperimentale basata su misurazioni termiche e reologiche per caratterizzare il processo di polimerizzazione degli adesivi con per ottenere informazioni utili per la selezione dell’adesivo industriale.
Abstract
L’analisi dei processi termici associati alla polimerizzazione degli adesivi e lo studio del comportamento meccanico una volta curati, forniscono informazioni chiave per scegliere l’opzione migliore per qualsiasi applicazione specifica. La metodologia proposta per la caratterizzazione della polimerizzazione, basata su analisi termica e reologia, è descritta attraverso il confronto di tre adesivi commerciali. Le tecniche sperimentali qui utilizzate sono l’analisi termogravimetrica (TGA), la calorimetria a scansione differenziale (DSC) e la reologia. TGA fornisce informazioni sulla stabilità termica e sul contenuto di riempitivo, DSC consente la valutazione di alcuni eventi termici associati alla reazione di polimerizzazione e ai cambiamenti termici del materiale polimerizzato quando sottoposto a variazioni di temperatura. La reologia integra l’informazione delle trasformazioni termiche da un punto di vista meccanico. Pertanto, la reazione di polimerizzazione può essere tracciata attraverso il modulo elastico (principalmente il modulo di stoccaggio), l’angolo di fase e lo spazio. Inoltre, viene anche dimostrato che sebbene il DSC non sia utile per studiare la polimerizzazione degli adesivi polimerizzabili all’umidità, è un metodo molto conveniente per valutare la transizione del vetro a bassa temperatura dei sistemi amorfo.
Introduction
Al giorno d’oggi c’è una crescente domanda di adesivi. L’industria di oggi richiede che gli adesivi abbiano proprietà sempre più varie, adattate alla crescente diversità di possibili nuove applicazioni. Rende difficile la selezione dell’opzione più adatta per ogni caso specifico. Pertanto, la creazione di una metodologia standard per caratterizzare gli adesivi in base alle loro proprietà faciliterebbe il processo di selezione. L’analisi dell’adesivo durante il processo di polimerizzazione e le proprietà finali del sistema stagionato sono fondamentali per decidere se un adesivo è valido o meno per una determinata applicazione.
Due delle tecniche sperimentali più comunemente utilizzate per studiare il comportamento degli adesivi sono la calorimetria a scansione differenziale (DSC) e l’analisi meccanica dinamica (DMA). Anche le misurazioni reologiche e le prove termogravimetriche sono ampiamente utilizzate. Attraverso di essi, è possibile determinare la temperatura di transizione del vetro (Tg) e il calore residuo della polimerizzazione, che sono correlati al grado di cura1,2.
TGA fornisce informazioni sulla stabilità termica degli adesivi3,4, che è molto utile per stabilire ulteriori condizioni di processo, d’altra parte le misurazioni reologiche consentono la determinazione del tempo gel dell’adesivo, l’analisi del restringimento della polimerizzazione e la definizione delle proprietà viscoelastiche di un campione stagionato5,6,7 ,mentrela tecnica DSC consente la misurazione del calore residuo della polimerizzazione e il discernimento tra uno o più processi termici che possono avvenire contemporaneamente durante la stagionatura8,9. Pertanto, la combinazione di metodologie DSC, TGA e reologiche fornisce informazioni dettagliate e affidabili per sviluppare una caratterizzazione completa degli adesivi.
Ci sono una serie di studi di adesivi in cui DSC e TGA vengono applicatiinsieme 10,11,12. Ci sono anche alcuni studi che completano il DSC con misurazionireologiche 13,14,15. Tuttavia, non esiste un protocollo standardizzato per affrontare il confronto degli adesivi in modo sistematico. Questo confronto sceglierebbe meglio gli adesivi giusti in diversi contesti. In questo lavoro viene proposta una metodologia sperimentale per fare una caratterizzazione del processo di polimerizzazione attraverso l’uso combinato dell’analisi termica e della reologia. L’applicazione di queste tecniche come insieme consente di raccogliere informazioni sul comportamento adesivo durante e dopo il processo di polimerizzazione, anche la stabilità termica e il Tg del materiale16.
La metodologia proposta che coinvolge le tre tecniche, DSC, TGA e reologia, è descritta in questo lavoro utilizzando tre adesivi commerciali come esempio. Uno degli adesivi, di seguito denominato S2c, è un adesivo a due componenti: il componente A contiene metacrilato tetraidrofurfurile e il componente B contiene perossido di benzoile. Il componente B agisce come iniziatore della reazione di polimerizzazione causando l’apertura degli anelli di metacrilato tetraidrofurfuril. Attraverso un meccanismo di polimerizzazione dei radicali liberi, il legame C=C del monomero reagisce con il radicale in crescita per formare una catena con gruppi laterali tetraidrofurfuril17. Gli altri adesivi, T1c e T2c, sono le versioni monocomponente e bicomponente della stessa casa commerciale di un adesivo polimerico silane modificato. Il processo di polimerizzazione inizia con l’idrolisi del gruppo silano18, che può essere avviata dall’umidità ambientale (come nel caso di T1c) o dall’aggiunta di un secondo componente (come nel caso di T2c).
Per quanto riguarda le aree di applicazione di questi tre diversi sistemi: l’adesivo S2c è stato progettato per sostituire, in alcuni casi, saldatura, rivettatura, clinching e altre tecniche di fissaggio meccanico ed è adatto per il fissaggio ad alta resistenza di giunti nascosti su diversi tipi di substrati tra cui top coat, plastica, vetro, ecc. Gli adesivi T1c e T2c sono utilizzati per l’incollaggio elastico di metalli e materie plastiche: nella produzione di roulotte, nell’industria dei veicoli ferroviari o nella costruzione navale.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un test TGA preliminare di ogni adesivo è sempre un passaggio fondamentale in quanto fornisce informazioni sull’intervallo di temperatura in cui il materiale è stabile. Tali informazioni sono fondamentali per istituire correttamente ulteriori esperimenti. Inoltre, TGA può anche informare sul contenuto del riempitivo, che può essere molto perspicente per capire che il modulo di archiviazione e perdita potrebbe non attraversare lungo la cura.
D’altra parte, DSC consente di studiare la cura d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata parzialmente supportata dal Ministero spagnolo della Scienza e dell’Innovazione [Grant MTM2014-52876-R], [MTM2017-82724-R] e da Xunta de Galicia (Unidad Mixta de Investigación UDC-Navantia [IN853B-2018/02]). Vorremmo ringraziare TA Instruments per l’immagine che mostra lo schema del reometro utilizzato. Questa immagine è inclusa nella tabella dei materiali dell’articolo. Vorremmo anche ringraziare il Journal of Thermal Analysis and Calorimetry per il suo permesso per l’utilizzo di alcuni dati di riferimento [16], e il Centro de Investigaciones Científicas Avanzadas (CICA) per l’utilizzo delle sue strutture.
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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