Vurdering af hærdning af klæbemidler ved hjælp af reologisk og termisk testning

Summary

Der foreslås en eksperimentel metode baseret på termiske og reologiske målinger for at karakterisere hærdningsprocessen af klæbemidler med for at opnå nyttige oplysninger til udvælgelse af industrielle klæbemidler.

Abstract

Analysen af termiske processer i forbindelse med hærdning af klæbemidler og studiet af mekanisk adfærd, når helbredt, give vigtige oplysninger til at vælge den bedste løsning for en bestemt anvendelse. Den foreslåede metode til hærdning karakterisering, baseret på termisk analyse og reologi, er beskrevet ved sammenligning af tre kommercielle klæbemidler. De eksperimentelle teknikker, der anvendes her, er thermogravimetric analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC) og Rheology. TGA giver oplysninger om den termiske stabilitet og fyldstof indhold, DSC giver mulighed for evaluering af nogle termiske begivenheder i forbindelse med hærdning reaktion og termiske ændringer af det hærdede materiale, når de udsættes for temperaturændringer. Reologi supplerer oplysningerne om de termiske transformationer fra et mekanisk synspunkt. Således kan hærdning reaktion spores gennem den elastiske modulus (primært opbevaring modulus), fase vinkel og hullet. Desuden er det også vist, at selv om DSC ikke er til nogen nytte for at studere hærdning af fugthærdelige klæbemidler, er det en meget bekvem metode til at evaluere lavtemperaturglasovergangen af amorfe systemer.

Introduction

I dag er der en stigende efterspørgsel af klæbemidler. Nutidens industri kræver, at lim har stadig mere varierede egenskaber, tilpasset den voksende mangfoldighed af mulige nye applikationer. Det gør valget af den bedst egnede løsning for hvert enkelt tilfælde til en vanskelig opgave. Derfor ville det lette udvælgelsesprocessen at skabe en standardmetode til at karakterisere klæbemidlerne i henhold til deres egenskaber. Analysen af limen under hærdningsprocessen og de endelige egenskaber ved det hærdede system er afgørende for at afgøre, om et klæbemiddel er gyldigt eller ej til en bestemt anvendelse.

To af de mest almindeligt anvendte eksperimentelle teknikker til at studere adfærd klæbemidler er Differential Scanning Calorimetry (DSC) og Dynamic Mechanical Analysis (DMA). Reologiske målinger og termogravimetriske test er også meget udbredt. Gennem dem, glas overgang temperatur (Tg) og restvarmen af hærdning, som er relateret til graden af helbredelse^1,2, kan bestemmes.

TGA giver oplysninger om den termiske stabilitet af^{klæbemidlerne 3,4}, hvilket er meget nyttigt at etablere yderligere procesbetingelser, på den anden side gør reologiske målinger det muligt at bestemme klæbemidlets geltid, analyse af hærdningssvinden og definitionen af de viskoelastiske egenskaber ved en hærdet prøve^5,6,7, mens DSC-teknikken gør det muligt at måle restvarmen ved hærdning og skelne mellem en eller flere termiske processer, der kan finde sted samtidig under hærdningen^8,9. Derfor giver kombinationen af DSC, TGA og reologiske metoder detaljerede og pålidelige oplysninger for at udvikle en fuldstændig karakterisering af klæbemidler.

Der er en række undersøgelser af klæbemidler , hvor DSC og TGA påføres^{sammen 10,11,12}. Der er også nogle undersøgelser, der supplerer DSC med reologiske målinger^13,14,15. Der findes imidlertid ikke en standardiseret protokol til at håndtere sammenligningen af klæbemidler på en systematisk måde. Denne sammenligning ville alle til bedre at vælge de rigtige klæbemidler i forskellige sammenhænge. I dette arbejde foreslås en eksperimentel metode til at udføre en karakterisering af hærdningsprocessen gennem kombineret brug af den termiske analyse og reologi. Anvendelse af disse teknikker som et ensemble gør det muligt at indsamle oplysninger om den klæbende adfærd under og efter hærdningsprocessen, også den termiske stabilitet og Tg af materialet¹⁶.

Den foreslåede metode, der omfatter de tre teknikker, DSC, TGA og reologi, er beskrevet i dette værk ved hjælp af tre kommercielle klæbemidler som eksempel. Et af klæbemidlerne, i det følgende benævnt S2c, er et tokomponentklæbemiddel: Komponent A indeholder tetrahydrofurfuryl methacrylat, og komponent B indeholder benzoylperoxid. Komponent B fungerer som initiativtager til hærdningsreaktionen ved at få tetrahydrofurfuryl methacrylatringene til at åbne. Gennem en fri radikal polymerisering mekanisme, C = C obligation af monomer reagerer med den voksende radikale at danne en kæde med tetrahydrofurfuryl side grupper¹⁷. De andre klæbemidler, T1c og T2c, er en- og to-komponent versioner fra samme kommercielle hus af en modificeret silan polymer lim. Hærdningsprocessen begynder med hydrolyse af silangruppe¹⁸, som kan indledes ved luftfugtighed (som det er tilfældet med T1c) eller ved tilsætning af en anden komponent (som i tilfældet med T2c).

Med hensyn til anvendelsesområderne for disse tre forskellige systemer: den klæbende S2c var designet til i nogle tilfælde at erstatte svejsning, nitning, clinching og andre mekaniske fastgørelsesteknikker, og det er velegnet til højstyrkefastgørelse af skjulte samlinger på forskellige typer underlag, herunder topcoats, plast, glas osv. T1c- og T2c-klæbemidlerne anvendes til elastisk limning af metaller og plast: i campingvognsproduktionen, i jernbaneindustrien eller i skibsbygning.

Protocol

1. Kontrol af fabrikantens hærdningsbetingelser Hærd den selvklæbende prøve efter producentens anbefalinger, og derefter evaluere det ved en TGA og en DSC test. Registrere de specifikke hærdningsbetingelser. TGA-test af hærdet prøve Udfør termygravimetriske test i en TGA eller i et samtidigT DSC+TGA-udstyr (SDT). Der udføres en termygravimetrisk prøve af den hærdede prøve efter de næste trin for at bestemme indholdet af det uorganiske fyldstofindhold og den temperatur, …

Representative Results

For at vise anvendelsen af den foreslåede metode anvendes der tre klæbesystemer (Materialetabel): S2c, et system med to komponenter. T1c, en en-komponent silan-modificeret-polymer, hvis helbrede reaktion er udløst af fugt. T2c, et system med to komponenter. Det er en silan-modificeret-polymer også, men den anden komponent har til formål at gøre hærdning sats lidt mere uafhængig af fugtindholdet i luft. Den termiske stabilitet og m?…

Discussion

En foreløbig TGA-test af hvert klæbemiddel er altid et grundlæggende trin, da den giver oplysninger om det temperaturområde, hvor materialet er stabilt. Disse oplysninger er afgørende for en korrekt etablering af yderligere eksperimenter. Desuden kan TGA også informere om fyldstof indhold, som kan være meget indsigtsfulde at forstå, at opbevaring og tab modulus kan ikke krydse langs kuren.

På den anden side, DSC gør det muligt at studere helbredelse af de fleste termohærdende system…

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