Vaikka kovettumisprosessi muodostaa usein vain pienen osan lopputuotteen valmistuksesta, sillä on ratkaiseva merkitys sen laadulle, minkä vuoksi on arvokasta optimoida kovettumisprosessi ja siten vähentää esimerkiksi reklamaatioiden ja tuotteiden takaisinvetojen määrää.

Haasteena useimmilla yrityksillä on se, että niiltä puuttuu asiaankuuluva tietämys prosessista ja optimaalisista olosuhteista, mukaan lukien kovettumisaika ja lämpötila. Lisäksi yrityksen on tärkeää tietää prosessin kestävyys suhteessa monikomponenttijärjestelmien sekoitussuhteen poikkeamiin.

Laaja-alaisesti sovellettavissa oleva analyysimenetelmä

Näiden seikkojen huomioon ottamiseksi olemme määritelleet ja arvioineet lämpöanalyysimenetelmän, jota voivat käyttää yritykset, jotka haluavat optimoida esimerkiksi lämpökovettuvien polymeerien/muovijärjestelmien tuotantonsa:

  • Hartsijärjestelmät liittyen komposiittituotantoon
  • Lämpökovettuvat järjestelmät liittyen lämpökovettuvien muovien valmistukseen
  • Pinnoitteet – esimerkiksi geelipinnoitteet, lakka- ja maalijärjestelmät, etureunan suojapinnoitteet ja niin edelleen.

Mallikovetusjärjestelmäksi valittiin kaupallinen biopohjainen 2-komponenttinen epoksijärjestelmä, jota käytetään tyypillisesti tyhjiöinfuusioprosesseissa ja RTM-menetelmissä (resin transfer moulding) komposiittien valmistuksessa.

Kriittistä näissä valmistusprosesseissa on se, että kovettumisprosessia hallitaan tarkoin ja tiedetään optimaaliset olosuhteet lämpötilalle ja ajalle, samoin kuin se, kuinka paljon tai vähän sekoitussuhteesta voidaan poiketa, ja se, onko kovettumisaika minimoitavissa ja siten optimoitavissa valmiiden tuotteiden valmistus.

Dokumentointi asiakkaille

Sisäisten valmistusprosessien optimoinnin lisäksi analyysimenetelmällä voidaan varmistaa tasainen laatu tuotannossa. Menetelmää voidaan käyttää myös tuotosvalvontana ja ottaa käyttöön yrityksen laadunvalvontajärjestelmässä. Tämä tarkoittaa vähemmän poisheitettäviä kappaleita ja siten tehokkaampaa tuotantoa.

Käyttämällä analyysia yritys voi varmistaa, että kovettumisaste täyttyy ja että tuotteella tai komponentilla on määritellyt ominaisuudet, jotka on kuvattu epoksikomponenttien toimittajan laatimassa tietolomakkeessa. Tämä voi auttaa antamaan yritykselle kilpailuetua markkinoilla.

Tämmöisiä komponentteja käytetään usein kriittisissä ja suurissa rakenteissa, kuten tuulivoimaloissa, joissa esiintyy säännöllisesti rikkoutumisia ja vaurioita. Yhdessä muiden testien kanssa analyysimenetelmä tarjoaa mahdollisuuden tunnistaa ja dokumentoida vaurion tai rikkoutumisen syy, sillä sen avulla voidaan määrittää, täyttääkö komponentti tai yksikkö kovettumiselle asetetut vaatimukset ja siten mekaaniset ja termiset ominaisuudet.

Mihin DSC-analyysiä voidaan käyttää?

DSC (Differential Scanning Calorimetry) on lämpöanalyysi, jossa lämpövirta testikappaleeseen ja testikappaleesta mitataan lämpötilan tai ajan funktiona, kun testikappaleeseen sovelletaan kontrolloitua lämpötilaohjelmaa kontrolloidussa ilmakehässä. Menetelmää käytetään esimerkiksi materiaalin lasittumislämpötilan (Tg), kiteytymislämpötilan (Tc) määrittämiseen jäähdytettäessä ja sulamislämpötilan (Tm) määrittämiseen lämmitettäessä. Lämpötilat ovat tyypillisiä tietyille muovi-/hartsijärjestelmille, joten tuloksia voidaan käyttää myös laadunvalvonnassa ja esimerkiksi tuntemattomien/epäsäännöllisten materiaalien tunnistamiseen.

DSC:tä voidaan käyttää lämpökovettuvan järjestelmän (esim. epoksijärjestelmän) kovettumisnopeuden ja kovettumisasteen arviointiin. Menetelmää voidaan käyttää lämpökovettuvan järjestelmän parempaan ymmärtämiseen, jolloin komposiitin/termosetin/pinnoitteen tuotantoaika (kovettumisaika) voidaan minimoida, ja sitä voidaan käyttää työkaluna optimaalisen kovettumislämpötilan arvioimiseksi materiaalin (termisten/mekaanisten) ominaisuuksien kannalta. Lisäksi menetelmän avulla voidaan arvioida, kuinka kestävä prosessi on monikomponenttisten järjestelmien sekoitussuhteiden poikkeamien suhteen.

Kovettumisprosessin aikana syntyvä lämpö ja lasittumislämpötila (Tg) ovat tärkeitä parametreja, jotta saadaan käsitys epoksijärjestelmän kovettumisesta. Polymeerin Tg on lämpötila, jossa materiaali siirtyy kovasta, kiinteästä tilasta viskoosimpaan, kumimaiseen tilaan, joten se on materiaaliparametri, joka on kriittinen käyttölämpötilan kannalta. Tg riippuu tietyn järjestelmän kovettumisasteesta, mutta se riippuu myös materiaalityypistä.

Epoksin kovettumisen tutkiminen

Mallijärjestelmäksi on valittu kaupallinen SUPER SAP INR 2-komponenttinen epoksijärjestelmä, jota voidaan soveltaa komposiittituotteiden valmistukseen tyhjiöinfuusiota ja RTM:ää varten. Epoksijärjestelmä kovetetaan aluksi 23 °C:ssa ja sen jälkeen jälkikovetetaan eri lämpötiloissa. SUPER SAP INR -JÄRJESTELMÄN kovettumisastetta ja -nopeutta tutkitaan DSC:n avulla. Kuvassa 1 esitetään tyypillinen DSC-termogrammi, jota käytetään kovettumisasteiden ja -nopeuksien arviointiin. Kovettuessaan epoksi luovuttaa lämpöä, jota kutsutaan eksotermiseksi reaktioksi (toisin kuin endotermisessä reaktiossa, jossa lämpö absorboituu).

Lämpövirtaus mitataan kahden komponentin (hartsin ja kovettimen) sekoittamisen jälkeen kuluneen ajan funktiona, ja se ilmaisee, kuinka paljon epoksia on vielä kovettumatta (suuri lämpövirtausaste tarkoittaa erittäin kovettumatonta, lämpövirtaus = 0 tarkoittaa täysin kovettunutta). Esitetään neljä eri kuvaajaa, jotka kuvaavat eri kovettumisasteita (3 minuuttia, 12 tuntia, 33 tuntia ja 100 tuntia) huoneenlämmössä.

Tutkimus on tehty menetelmän arvioimiseksi ja sen arvioimiseksi, miten riittämätön tai ylimääräinen kovettimen määrä (±5 %) vaikuttaa kovettumisnopeuteen ja -asteeseen. On tärkeää muistaa, että kyseessä on vain mallijärjestelmä, jolla voidaan osoittaa trendejä, koska analyysissä on käytetty vain hyvin pieniä, 10-15 mg:n testimääriä. Näytekoon vaikutuksen arvioimiseksi tehtiin DSC-testi myös noin 200 g:n näytteelle sekä näytteen keskeltä että sen pinnalta.