تاثیر فرایند پخت بر خواص فیزیکی و مکانیکی رزین اپوکسی

مقدمه

زنجیره های پلیمر ها در طی فرایند پلیمر شدن (پلیمریزاسیون) رشد طولی دارند و تا رسیدن به جرم مولکولی مطلوب خواص مکانیکی رزین به صورت خطی (یک بعدی) رشد می کنند و فقط در صورتی که زنجیره ی اصلی دارای شاخه ی جانبی باشد، می توان برای پلیمریزاسیون رشد دو بعدی در نظر گرفت. در خیلی از پلیمر ها نیروی بین مولکولی قرارگیری زنجیر ها در کنار هم به قدری بالاست که پلیمر به شکل ذاتی استحکام مکانیکی مورد نیاز را دارد، در انواع دیگری از پلیمر ها پیوند های بین مولکولی و آرایش زنجیره ها و گروه های جانبی پلیمر منجر به وقوع فرایند تبلور می شود؛ بلور شدن زنجیره ی پلیمر ها بهبود دهنده خواص فیزیکی پلیمر خواهد بود؛ اما در دسته ی رزین های پخت شونده، نه انرژی های بین مولکولی انقدر بالاست و نه امکان تبلور وجود دارد  که حالت فیزیکی پلیمر در دمای اتاق جامد باشد و بنابراین برای ایجاد اتصالات سه بعدی و افزایش مقاومت آنها از ترکیباتی استفاده می شود که با برقراری اتصال دو طرفه با زنجیر ها منجر به تثبیت شیمیایی آنها در کنار هم و جامد شدن حالت فیزیکی آن شود.

چگالی اتصالات عرضی

چگالی اتصالات عرضی اصطلاحی است که برای تعریف تعداد پیوند های عرضی که در حجم مشخصی از پلیمر برقرار شده است. طبیعی است که هر چه فرایند پخت تکمیل تر شود و یا در فرایند پخت از سخت کننده (Hardener) فعال تری استفاده شده باشد چگالی اتصالات عرضی افزایش پیدا می کند و اینکه زنجیره ی پلیمر محدود بین دو اتصال کوتاه تر می شود.

تاثیرات پخت بر ویسکوزیته رزین اپوکسی

در طی فرایند پخت رزین با پیشرفت فرایند پخت از مایع ویسکوز به جامد شیشه ای صلب تغییر ماهیت می دهد و این فرایند قابل  لمس ترین تغییر رزین می باشد.

در نمودار فوق تغییرات ویسکوزیته ی رزین اپوکسی در فرایند پخت آن در پختهای مختلف با دما های مختلق مقایسه شده است

آنچه که در تصویر بسیار مبرهن است این است که فرایند پخت در دماهای بالاتر بسیار سریع تر از دماهای پایین انجام می شود، علت اصلی این تغییر، سینتیک متفاوت فرایند پخت در شرایط دمایی مختلف است که حتی منجر به بروز تفاوت ساختاری آنها در شرایط مختلف می شود.

تاثیر دمای پخت بر سینتیک پخت رزین اپوکسی

ردیف a مدل پخت رزین اپوکسی در دمای محیط و مدلb  مدل پخت این رزین در دمای بالا می باشد.

هر چه دمای پخت رزین اپوکسی پایین تر باشد فرایند پخت زمان بر تر خواهد بود و رزین قبل از تثبیت در ساختار مولکولی نهایی خود فرصت خواهد داشت که از تنش های ایجاد شده در فرایند اختلاط با هاردنر و اجرا روی سطح، رها شود. نهایتا پس از رها شدن از این تنشها، تنش های باقی مانده (residual stress) در سیستم کمتر خواهد بود که در دراز مدت باعث بهبود دوام قطعه خواهد شد.

تاثیر فرایند پخت بر خواص فیزیکی رزین اپوکسی

نکته ی بسیار با اهمیت تغییرات خواص فیزیکی در روند پخت، این موضوع است که رزینی که به شکل کامل پخت شده باشد هرگز ذوب نخواهد شد.

همانطور که در نمودار زیر مشاهده می نمایید، خط صاف تغییرات مدول یک پلیمر بدون اتصالات عرضی بر اثر افزایش دما را نشان می دهد و مشخصا به دلیل اینکه رزین پخته شده در شبکه سه بعدی خود با اتصالات بین مولکولی نه چندان مستحکم "تبلور "تثبیت نشده است، اتصالات پیوند های عرضی  تا قبل از تخریب مولکولی ناشی از سوختن از هم جدا نمی شود. همچنین اتصالات عرضی باعث می شود مدول یانگ پلیمر در گذر از ناحیه ی شیشه ای به  پلاتو به درصد قابل توجهی کمتر از حالت شبکه ای نشده افت پیدا کند.

تغییرات ناحیه انتقال شیشه ای در فرایند پخت رزین اپوکسی

در نمودار زیر تغییرات دمای انتقال شیشه ای در طول فرایند پخت را مشاهده می نمایید. طبیعتا تغییرات آن صعودی خواهد بود و این تغییر با تحت تاثیر دمای پخت نمی باشد.

نمودار زیر جهت درک بهتر ماهیت فیزیکی رزین در طول فرایند پخت رسم شده است، همانطور که مشاهده می شود وضعیت فیزیکی رزین تابع زمان پخت و دماست، ناحیه ی شیشه ای پایین نمودار ناحیه ی شیشه ای در دمای  پایین از Tg رزین پخت نشده است و قسمت شیشه ای بالای نمودار قرمز (نمودار ژل شدن)، ناحیه ی شیشه ای بعد از پخت را نشان می دهد، این ناحیه نیز از لحاظ دمایی پایی تر از  Tgرزین پخت شده است، در حقیقت جهت نمودار آبی در میانه ی آن، نشان دهنده ی این حقیقت است که  فرایند ژل شدن و تکمیل فرایند پخت منجر به تغییر Tg رزین از دماهای خیلی پایین به دماهای بالاتر می شود، هر چه فرایند پخت تکمیل تر می شود دمای انتقال شیشه ای پلیمر بالاتر می شود، این روند را در نمودار قبل نیز مشاهده نمودید.

این حقیقت که رزین پخت نشده در دمای محیط سیال است و بعد از پخت شیشه ای می گردد به دلیل همین تاثیری است که فرایند پخت بر روی دمای انتقال شیشه ای می گذارد.

در دماهای بالاتر پس از گذر زمان شاهد ناحیه ی تخریب پلیمر خواهیم بود، که نشان دهنده ی غلبه ی نیروی حرارتی گرما بر پیوند های بین مولکولی پلیمر می باشد. در این نمودار نیز مشاهده می کنید که به دلیل وجود اتصالات عرضی بین زنجیر های پلیمر در هیچ قسمتی بین دمای انتقال شیشه ای و دمای تخریب، مایع مذاب نخواهیم دید.

تغییرات مدول در فرایند پخت

تغییرات مدول اتلاف و ذخیره با روند پخت به شکل فوق است،در مرحله ی اولیه G" از 'G  بیشتر است که نشان دهنده ی حالت مایع است، همانطور که فرایند پخت ادامه پیدا می کند، هر دو قبل از رسیدن به یک نقطه که نمودار ها یکدیگر را قطع می کنند ادامه پیدا می کند. نقطه ی برابری مدول اتلاف و ذخیره نقطه ی ژل شدن در نظر گرفته می شود (صرف نظر از اینکه به فرکانس اندازه گیری مدول بستگی دارد و نیازمند دقت بالا در اندازه گیری است).  در این نقطه مدول اتلاف میزان ماکزیمم خود را دارد و با ادامه یافتن فرایند پخت تنزل پیدا می کند، این تنزل به دلیل ورود به ناحیه ی انتقال شیشه ای است. انجماد شیشه ای بخشی از سگمنت های پلیمر منجر به کمتر شدن سهم مدول اتلاف خواهد شد.

در صورتی که دمای پخت به شکل قابل ملاحظه ای بالاتر از دمای انتقال شیشه ای باشد در طول فرایند پخت هیچ کاهشی در G" مشاهده نخواهد شد.

هاردنرهای تولیدی شرکت آبادگران:

شرکت آبادگران تولید کننده هاردنر فنالکامین  می باشد که در صورت استفاده به عنوان عامل پخت رزین اپوکسی، قابلیت پخت در دمای پایین و شرایط مرطوب را برای رزین اپوکسی فراهم می آورد. همچنین این شرکت هاردنر آمین آروماتیک اصلاح شده ای دارد که مقاومت شیمیایی و مکانیکی بسیار بالا به رزین پخت شده می دهد.

منابع:

• Network Formation and Physical Properties of Epoxy Resins for Future Practical Applications
• Curing Agents for Epoxy Resin
• Chemistry And Technology Of Epoxy Resin Brayan Eli
• Curing effects on viscosity and mechanical properties of a commercial epoxy resin adhesive Fabrice Lapique*, Keith Redford