Utvärdering av härdning av självhäftande system genom reologisk och termisk testning
Summary
En experimentell metodik baserad på termiska och reologiska mätningar föreslås för att karakterisera härdningsprocessen av lim med för att få användbar information för industriellt limval.
Abstract
Analysen av termiska processer i samband med härdning av lim och studiet av mekaniskt beteende en gång botade, ge viktig information för att välja det bästa alternativet för någon specifik tillämpning. Den föreslagna metodiken för härdningskarakteriseringen, baserad på termisk analys och reologi, beskrivs genom jämförelse av tre kommersiella lim. De experimentella tekniker som används här är Thermogravimetric Analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC) och Rheology. TGA ger information om den termiska stabilitet och fyllmedel innehåll, DSC tillåter utvärdering av vissa termiska händelser i samband med botreaktionen och till termiska förändringar av det härdade materialet när de utsätts för temperaturförändringar. Rheologi kompletterar informationen av de termiska omformningarna från en mekanisk synpunkt. Således kan härdningsreaktionen spåras genom den elastiska modulusen (främst lagringsmodulus), fasvinkeln och gapet. Dessutom är det också visat att även om DSC är till någon nytta för att studera härdning av fukthärdbara lim, är det en mycket bekväm metod för att utvärdera den låga temperaturen glas övergången av amorft system.
Introduction
Numera finns det en ökande efterfrågan av lim. Dagens bransch kräver att lim har allt mer varierande egenskaper, anpassade till den växande mångfalden av möjliga nya tillämpningar. Det gör valet av det lämpligaste alternativet för varje specifikt fall en svår uppgift. Därför skulle skapa en standard metodik för att karakterisera limmen enligt deras egenskaper underlätta urvalsprocessen. Analysen av limmet under härdningsprocessen och det botade systemets slutliga egenskaper är avgörande för att avgöra om ett lim är giltigt eller inte för en viss tillämpning.
Två av de mest använda experimentella tekniker för att studera beteendet hos lim är Differential Scanning Calorimetry (DSC) och Dynamisk mekanisk analys (DMA). Även reologiska mätningar och termogravimetriska tester används i stor utsträckning. Genom dem kan glasövergångstemperaturen (Tg) och restvärmen av härdning, som är relaterade till graden av bota1,2, bestämmas.
TGA ger information om den termiska stabiliteten hoslimmet 3,4, vilket är mycket användbart för att fastställa ytterligare processförhållanden, å andra sidan reologiska mätningar möjliggör bestämning av geltiden för limmet, analys av härdningskrympningen, och definitionen av de viskoelastiska egenskaperna hos ett härdat prov5,6,7, medan DSC-tekniken möjliggör mätning av restvärmen vid härdning, och urskiljning mellan en eller flera termiska processer som kan ske samtidigt under härdningen8,9. Därför ger kombinationen av DSC, TGA och reologiska metoder detaljerad och tillförlitlig information för att utveckla en komplett karakterisering av lim.
Det finns ett antal studier av lim där DSC och TGA appliceras tillsammans10,11,12. Det finns också några studier som kompletterar DSC med reologiska mätningar13,14,15. Det finns dock inte ett standardiserat protokoll för att ta itu med jämförelsen av lim på ett systematiskt sätt. Denna jämförelse skulle alla bättre välja rätt lim i olika sammanhang. I detta arbete föreslås en experimentell metodik för att göra en karakterisering av härdningsprocessen genom kombinerad användning av den termiska analysen och reologin. Tillämpa dessa tekniker som en ensemble gör det möjligt att samla information om den självhäftande beteende under och efter härdningsprocessen, även den termiska stabiliteten och Tg av materialet16.
Den föreslagna metodiken som omfattar de tre teknikerna, DSC, TGA och reologin beskrivs i detta arbete med hjälp av tre kommersiella lim som exempel. Ett av limmet, nedan kallat S2c, är ett tvåkomponentslim: komponent A innehåller tetrahydrofurfurylmetakrylat och komponent B innehåller bensoylperoxid. Komponenten B fungerar som en initiativtagare till härdningsreaktionen genom att tetrahydrofurylmetakrylaten öppnas. Genom en fri radikal polymerisation mekanism, C = C-bindning av monomeren reagerar med den växande radikalen att bilda en kedja med tetrahydrofuryl sida grupper17. De andra lim, T1c och T2c, är en- och tvåkomponentsversionerna från samma kommersiella hus av ett modifierat silanpolymerlim. Härdningsprocessen inleds genom hydrolysen av silangruppen18, som kan initieras genom omgivande fuktighet (som i fallet med T1c) eller genom tillsats av en andra komponent (som i fallet med T2c).
Angående tillämpningsområdena för dessa tre olika system: limmet S2c var utformat för att ersätta, i vissa fall, svetsning, nitning, knipan och andra mekaniska fästtekniker och den är lämplig för höghållfast infästning av dolda fogar på olika typer av substrat inklusive topplack, plast, glas etc. T1c- och T2c-limmet används för elastisk bindning av metaller och plaster: i husvagnstillverkning, i järnvägens fordonsindustrin eller inom skeppsbyggnad.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ett preliminärt TGA-test av varje lim är alltid ett fundamentalt steg eftersom det ger information om det temperaturområde där materialet är stabilt. Den informationen är avgörande för att korrekt inrätta ytterligare experiment. Dessutom kan TGA också informera om fyllmedel innehållet, som kan vara mycket insiktsfulla att förstå att lagring och förlust modulus får inte passera längs botemedlet.
Å andra sidan tillåter DSC att studera botemedlet av de flesta härdshärdande sys…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning har delvis fått stöd av det spanska ministeriet för vetenskap och innovation [Grant MTM2014-52876-R], [MTM2017-82724-R] och av Xunta de Galicia (Unidad Mixta de Investigación UDC-Navantia [IN853B-2018/02]). Vi vill tacka TA Instruments för bilden som visar schemat för den reometer som används. Denna bild ingår i artikelns tabell över material. Vi vill också tacka Journal of Thermal Analysis och Calorimetry för dess tillstånd för att använda vissa data från referens [16], och Centro de Investigaciones Científicas Avanzadas (CICA) för att använda sina anläggningar.
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).
