Ačkoli proces vytvrzování často tvoří jen malou část výroby hotového výrobku, má zásadní význam pro jeho kvalitu, a proto je cenné proces vytvrzování optimalizovat, a tím snížit např. počet reklamací a stahování výrobků z trhu.

Problémem pro většinu společností je, že jim chybí příslušné znalosti o procesu a optimálních podmínkách, včetně doby a teploty vytvrzování. Kromě toho je pro společnost důležité znát robustnost procesu ve vztahu k odchylkám směšovacího poměru vícesložkových systémů.

Široce použitelná metoda analýzy

Pro zohlednění těchto otázek jsme identifikovali a vyhodnotili metodu termické analýzy, kterou mohou používat společnosti, které chtějí optimalizovat například výrobu termosetových polymerů/plastových systémů:

  • Pryskyřičné systémy v souvislosti s výrobou kompozitů
  • Termosetové systémy s ohledem na výrobu termosetových plastů
  • Povlaky – například gelové povlaky, laky a nátěrové systémy, povlaky na ochranu náběžných hran atd.

Jako modelový vytvrzovací systém byl vybrán komerční dvousložkový epoxidový systém na biologické bázi, který se obvykle používá pro procesy vakuové infuze a RTM (resin transfer moulding) při výrobě kompozitů.

Pro tyto výrobní procesy je klíčové, aby byl vytvrzovací proces pečlivě kontrolován a aby byly známy optimální podmínky pro teplotu a čas a také to, jak moc nebo jak málo se lze odchýlit od směšovacího poměru a zda je možné minimalizovat dobu vytvrzování, a tím optimalizovat výrobu konečného výrobku.

Dokumentace pro zákazníky

Kromě optimalizace interních výrobních procesů lze metodu analýzy využít k zajištění jednotné kvality ve výrobě. Metodu lze také použít jako výstupní kontrolu a implementovat ji do podnikového systému kontroly kvality. To znamená méně vyřazených kusů, a tedy efektivnější výrobu.

Pomocí analýzy může společnost zajistit, že je dodržen stupeň vytvrzení a že výrobek nebo součástka má stanovené vlastnosti, které jsou popsány v datovém listu od dodavatele epoxidových komponent. To může společnosti pomoci získat konkurenční výhodu na trhu.

Komponenty tohoto typu se často používají v kritických a velkých konstrukcích, jako jsou větrné turbíny, kde pravidelně dochází k poruchám a poškozením. Ve spojení s dalšími zkouškami poskytuje analytická metoda možnost identifikovat a zdokumentovat příčinu poškození nebo poruchy, protože dokáže určit, zda součást nebo jednotka splňuje stanovené požadavky na vytvrzení, a tedy mechanické a tepelné vlastnosti.

K čemu lze použít analýzu DSC?

DSC (diferenční skenovací kalorimetrie) je termická analýza, při níž se měří tepelný tok do zkušebního vzorku a ze zkušebního vzorku v závislosti na teplotě nebo čase, zatímco je zkušební vzorek vystaven řízenému teplotnímu programu v řízené atmosféře. Tato metoda se používá například ke stanovení teploty skelného přechodu (Tg), teploty krystalizace (Tc) při ochlazování a teploty tání (Tm) při zahřívání materiálu. Tyto teploty jsou charakteristické pro konkrétní systémy plastů/pryskyřic, takže výsledky lze použít také v kontextu kontroly kvality a například k identifikaci neznámých/nepravidelných materiálů.

DSC lze použít k vyhodnocení rychlosti vytvrzování a stupně vytvrzení pro termosetový systém (např. epoxidový systém). Metodu lze použít k lepšímu pochopení termosetového systému, čímž lze minimalizovat dobu výroby (dobu vytvrzování) kompozitu/termosetu/povlaku, a lze ji použít jako nástroj k posouzení optimální teploty vytvrzování s ohledem na (tepelné/mechanické) vlastnosti materiálu. Dále lze metodu použít k posouzení robustnosti procesu s ohledem na odchylky směšovacích poměrů ve vícesložkových systémech.

Teplo, které vzniká během vytvrzování, a teplota skelného přechodu (Tg) jsou důležité parametry pro získání představy o vytvrzování epoxidového systému. Tg polymeru je teplota, při které materiál přechází z tvrdého, pevného stavu do viskóznějšího, gumovitého stavu, takže se jedná o materiálový parametr, který je rozhodující pro provozní teplotu. Tg závisí na stupni vytvrzení v konkrétním systému, ale také na typu materiálu.

Za studium vytvrzování epoxidů

Jako modelový systém byl zvolen komerční dvousložkový epoxidový systém SUPER SAP INR, který lze použít pro výrobu kompozitních výrobků pro vakuovou infuzi a RTM. Zpočátku se epoxidový systém vytvrzuje při teplotě 23 °C a následně se dodatečně vytvrzuje při různých teplotách. Stupeň a rychlost vytvrzování systému SUPER SAP INR se zkoumá pomocí DSC. Typický DSC termogram, který se používá k posouzení stupně a rychlosti vytvrzování, je uveden na obrázku 1. Při vytvrzování epoxid uvolňuje teplo, což se nazývá exotermická reakce (na rozdíl od endotermické reakce, kdy je teplo absorbováno).

Tepelný tok se měří jako funkce času uplynulého po smíchání obou složek (pryskyřice a tvrdidla) a vyjadřuje, kolik epoxidu zbývá vytvrdit (vysoký stupeň tepelného toku znamená vysoce nevytvrzený, tepelný tok = 0 znamená zcela vytvrzený). Jsou zobrazeny čtyři různé grafy popisující různé stupně vytvrzení (3 min, 12 h, 33 h a 100 h) při pokojové teplotě.

Studie byla provedena za účelem vyhodnocení metody a posouzení, jak nedostatečné nebo nadbytečné množství tvrdidla (±5 %) ovlivňuje rychlost i stupeň vytvrzení. Je důležité si uvědomit, že se jedná pouze o modelový systém, který může ukázat trendy, protože pro analýzu byla použita pouze velmi malá zkušební množství 10-15 mg. Pro posouzení vlivu velikosti vzorku byla také provedena zkouška DSC na vzorku o hmotnosti přibližně 200 g, a to jak ze středu vzorku, tak z jeho povrchu

.