Hoewel het uithardingsproces vaak slechts een klein deel uitmaakt van de productie van het eindproduct, is het van cruciaal belang voor de kwaliteit ervan, waardoor het waardevol is om het uithardingsproces te optimaliseren en daardoor bijvoorbeeld het aantal klachten en het terugroepen van producten te verminderen.

De uitdaging voor de meeste bedrijven is dat het hen ontbreekt aan de relevante kennis over het proces en de optimale omstandigheden, waaronder uithardingstijd en -temperatuur. Bovendien is het voor een bedrijf belangrijk om de robuustheid van het proces te kennen in verband met afwijkingen in de mengverhouding van meercomponentensystemen.

Een breed toepasbare analysemethode

Om aan deze kwesties tegemoet te komen, hebben wij een thermische analysemethode geïdentificeerd en geëvalueerd die kan worden gebruikt door bedrijven die hun productie van bijvoorbeeld thermohardende polymeren/kunststofsystemen wensen te optimaliseren:

  • harssystemen met betrekking tot de productie van composieten
  • Thermohardende systemen met betrekking tot de productie van thermohardende kunststoffen
  • Coatings – bijvoorbeeld gelcoats, vernis- en verfsystemen, coatings ter bescherming van voorranden, enzovoort.

Als modelhardend systeem werd een commercieel biogebaseerd 2-componenten epoxysysteem gekozen, dat typisch wordt gebruikt voor vacuüminfusieprocessen en RTM (resin transfer moulding) bij de vervaardiging van composieten.

Cruciaal voor deze fabricageprocessen is dat het uithardingsproces zorgvuldig wordt gecontroleerd en dat de optimale omstandigheden voor temperatuur en tijd bekend zijn, alsmede hoeveel of hoe weinig van de mengverhouding kan worden afgeweken, en of het mogelijk is de uithardingstijd te minimaliseren en daardoor de productie van het eindproduct te optimaliseren.

Documentatie aan klanten

Naast het optimaliseren van de interne fabricageprocessen kan de analysemethode worden gebruikt om een uniforme kwaliteit bij de productie te waarborgen. De methode kan ook worden gebruikt als outputcontrole en in het kwaliteitscontrolesysteem van de onderneming worden opgenomen. Dit betekent minder afgedankte artikelen en dus een efficiëntere productie.

Door gebruik te maken van de analyse kan het bedrijf zich ervan verzekeren dat aan de uithardingsgraad wordt voldaan en dat het product of onderdeel de gespecificeerde eigenschappen heeft die zijn beschreven in het gegevensblad van de leverancier van de epoxy-componenten. Dit kan het bedrijf een concurrentievoordeel op de markt opleveren.

Dergelijke componenten worden vaak gebruikt in kritische en grote constructies, zoals windturbines, waar regelmatig storingen en beschadigingen optreden. In combinatie met andere tests biedt de analysemethode de mogelijkheid om de oorzaak van de schade of het defect vast te stellen en te documenteren, aangezien kan worden bepaald of het onderdeel of de eenheid voldoet aan de gespecificeerde eisen voor uitharding en dus aan de mechanische en thermische eigenschappen.

Waarvoor kan de DSC-analyse worden gebruikt?

DSC (Differentiële Scanning Calorimetrie) is een thermische analyse, waarbij de warmtestroom van en naar een proefstuk wordt gemeten als functie van de temperatuur of de tijd, terwijl het proefstuk wordt onderworpen aan een gecontroleerd temperatuurprogramma in een gecontroleerde atmosfeer. Deze methode wordt bijvoorbeeld gebruikt om de glasovergangstemperatuur (Tg), de kristallisatietemperatuur (Tc) bij afkoeling en de smelttemperatuur (Tm) bij verwarming van een materiaal te bepalen. De temperaturen zijn karakteristiek voor specifieke kunststof/harssystemen, zodat de resultaten ook kunnen worden gebruikt in het kader van kwaliteitscontrole en bijvoorbeeld om onbekende/onregelmatige materialen te identificeren.

DSC kan worden gebruikt voor de beoordeling van de uithardingssnelheid en de uithardingsgraad van een thermohardend systeem (bv. een epoxysysteem). De methode kan worden gebruikt om een beter inzicht te krijgen in het thermohardende systeem, waardoor de productietijd (uithardingstijd) voor de composiet/thermoset/coating kan worden geminimaliseerd, en kan worden gebruikt als hulpmiddel om de optimale uithardingstemperatuur te beoordelen met betrekking tot de (thermische/mechanische) eigenschappen van het materiaal. Bovendien kan de methode worden gebruikt om te beoordelen hoe robuust het proces is ten aanzien van afwijkingen in de mengverhoudingen in meercomponentensystemen.

De warmte die vrijkomt tijdens het uithardingsproces en de glasovergangstemperatuur (Tg) zijn belangrijke parameters om inzicht te krijgen in de uitharding van het epoxysysteem. De Tg van een polymeer is de temperatuur waarbij het materiaal overgaat van een harde, vaste toestand naar een meer viskeuze, rubberachtige toestand, dus het is een materiaalparameter die kritisch is voor de gebruikstemperatuur. Tg hangt af van de mate van uitharding in een specifiek systeem, maar is ook afhankelijk van het type materiaal.

Als modelsysteem is gekozen voor een commercieel SUPER SAP INR 2-componenten epoxysysteem, dat kan worden toegepast bij de fabricage van composietproducten voor vacuüminfusie en RTM. Aanvankelijk is het epoxy systeem uitgehard bij 23 °C en vervolgens is het bij verschillende temperaturen nagehard. De mate en snelheid van uitharding van het SUPER SAP INR SYSTEEM wordt onderzocht met behulp van DSC. Een typisch DSC-thermogram, dat wordt gebruikt om de mate en snelheid van uitharding te beoordelen, is afgebeeld in figuur 1. Bij het uitharden geeft epoxy warmte af, dit wordt een exotherme reactie genoemd (in tegenstelling tot een endotherme reactie, waarbij warmte wordt geabsorbeerd).

De warmtestroom wordt gemeten als functie van de tijd die is verstreken nadat de twee componenten (hars en verharder) met elkaar zijn vermengd, en is een uitdrukking van hoeveel epoxy nog moet worden uitgehard (een hoge mate van warmtestroom betekent zeer niet-uitgehard, warmtestroom = 0 betekent volledig uitgehard). Er worden vier verschillende grafieken getoond, die de verschillende graden van uitharding beschrijven (3 min, 12 uur, 33 uur en 100 uur) bij kamertemperatuur.

De studie is uitgevoerd om de methode te evalueren en na te gaan welke invloed een te kleine of te grote hoeveelheid verharder (±5%) heeft op zowel de snelheid als de mate van uitharding. Het is belangrijk te bedenken dat dit slechts een modelsysteem is dat trends kan aangeven, aangezien voor de analyse slechts zeer kleine proefhoeveelheden van 10-15 mg zijn gebruikt. Om het effect van de monstergrootte te beoordelen, werd ook een DSC-test uitgevoerd op een monster van ca. 200 g, zowel van het midden van het specimen als van het oppervlak.