Selv om hærdningsprocessen ofte kun udgør en lille del af produktionen af det færdige produkt, er den af afgørende betydning for dets kvalitet, hvilket gør det værdifuldt at optimere hærdningsprocessen og dermed reducere f.eks. antallet af reklamationer og tilbagekaldelser af produkter.

Udfordringen for de fleste virksomheder er, at de mangler den relevante viden om processen og de optimale forhold, herunder hærdningstid og temperatur. Desuden er det vigtigt for en virksomhed at kende til processens robusthed i forhold til afvigelser i blandingsforholdet i flerkomponentssystemer.

En bredt anvendelig analysemetode

For at imødekomme disse problemstillinger har vi identificeret og evalueret en termisk analysemetode, som kan anvendes af virksomheder, der ønsker at optimere deres produktion af f.eks. termohærdende polymerer/plastsystemer:

  • Harpiks-systemer i forbindelse med kompositproduktion
  • Thermohærdende systemer i forbindelse med fremstilling af termohærdende plast
  • Beklædninger – f.eks. gelcoats, lak- og malingssystemer, frontbeskyttelsesbelægninger m.m.

Som modelhærdningssystem blev der valgt et kommercielt biobaseret 2-komponent epoxysystem, som typisk anvendes til vakuuminfusionsprocesser og RTM (resin transfer moulding) ved fremstilling af kompositter.

Det er afgørende for disse fremstillingsprocesser, at hærdningsprocessen er nøje kontrolleret, og at man kender de optimale betingelser for temperatur og tid, samt hvor meget eller hvor lidt man kan afvige fra blandingsforholdet, og om det er muligt at minimere hærdningstiden og dermed optimere produktionen af det færdige produkt.

Dokumentation til kunderne

Ud over at optimere de interne fremstillingsprocesser kan analysemetoden anvendes til at sikre ensartet kvalitet i produktionen. Metoden kan også anvendes som outputkontrol og implementeres i virksomhedens kvalitetskontrolsystem. Det betyder færre kasserede emner og dermed en mere effektiv produktion.

Med analysen kan virksomheden sikre, at hærdningsgraden er overholdt, og at produktet eller komponenten har de specificerede egenskaber, som er beskrevet i databladet fra leverandøren af epoxykomponenterne. Dette kan være med til at give virksomheden en konkurrencefordel på markedet.

Komponenter af denne type anvendes ofte i kritiske og store konstruktioner som f.eks. vindmøller, hvor der jævnligt ses nedbrud og skader. Sammen med andre test giver analysemetoden mulighed for at identificere og dokumentere årsagen til skader eller nedbrud, da den kan fastslå, om komponenten eller enheden overholder de specificerede krav til hærdning og dermed de mekaniske og termiske egenskaber.

Hvad kan DSC-analysen bruges til?

DSC (Differential Scanning Calorimetry) er en termisk analyse, hvor varmestrømmen til og fra en testprøve måles som en funktion af temperaturen eller tiden, mens testprøven udsættes for et kontrolleret temperaturprogram i en kontrolleret atmosfære. Denne metode anvendes f.eks. til at bestemme et materiales glasovergangstemperatur (Tg), krystalliseringstemperatur (Tc) ved afkøling og smeltetemperatur (Tm) ved opvarmning. Temperaturerne er karakteristiske for specifikke plast/harpiks-systemer, så resultaterne kan også bruges i kvalitetskontrolsammenhænge og f.eks. til at identificere ukendte/irregulære materialer.

DSC kan anvendes til vurdering af hærdningshastighed og hærdningsgrad for et termohærdende system (f.eks. et epoxysystem). Metoden kan anvendes til at opnå en bedre forståelse af det termohærdende system, hvorved produktionstiden (hærdningstiden) for kompositten/termosetten/belægningen kan minimeres, og den kan anvendes som et værktøj til at vurdere den optimale hærdningstemperatur med hensyn til materialets (termiske/mekaniske) egenskaber. Endvidere kan metoden bruges til at vurdere, hvor robust processen er over for afvigelser i blandingsforholdet i flerkomponentssystemer.

Den varme, der genereres under hærdningsprocessen, og glasovergangstemperaturen (Tg) er vigtige parametre for at opnå en forståelse for hærdningen af epoxysystemet. Tg for en polymer er den temperatur, hvor materialet går fra en hård, fast tilstand til en mere tyktflydende, gummiagtig tilstand, så det er en materialeparameter, der er kritisk for driftstemperaturen. Tg afhænger af graden af hærdning i et specifikt system, men er også afhængig af materialetypen.

Bag undersøgelsen af epoxyhærdning

Som modelsystem er der valgt et kommercielt SUPER SAP INR 2-komponent epoxysystem, som kan anvendes til fremstilling af kompositprodukter til vakuuminfusion og RTM. Indledningsvis er epoxysystemet hærdet ved 23 °C og efterfølgende efterhærdet ved forskellige temperaturer. Hærdningsgraden og -hastigheden af SUPER SAP INR SYSTEMET er undersøgt ved hjælp af DSC. Et typisk DSC-termogram, som anvendes til at vurdere hærdningsgrad og -hastighed, er vist i figur 1. Ved hærdning afgiver epoxy varme, hvilket kaldes en exotermisk reaktion (i modsætning til en endotermisk reaktion, hvor varme absorberes).

Varmestrømmen måles som en funktion af den tid, der er gået, efter at de to komponenter (harpiks og hærder) er blevet blandet sammen, og er et udtryk for, hvor meget epoxy der mangler at blive hærdet (høj grad af varmestrøm betyder meget uhærdet, varmestrøm = 0 betyder fuldstændig hærdet). Der er vist fire forskellige grafer, som beskriver de forskellige grader af hærdning (3 min., 12 timer, 33 timer og 100 timer) ved stuetemperatur.

Undersøgelsen er foretaget for at evaluere metoden og for at vurdere, hvordan en utilstrækkelig eller overskydende mængde hærder (±5 %) påvirker både hærdningshastigheden og hærdningsgraden. Det er vigtigt at huske, at der kun er tale om et modelsystem, der kan vise tendenser, da der kun er anvendt meget små testmængder på 10-15 mg til analysen. For at vurdere virkningen af prøvestørrelsen blev der også udført en DSC-test på en prøve på ca. 200 g, både fra prøvens midte og dens overflade.