Trots att härdningsprocessen ofta bara utgör en liten del av produktionen av den färdiga produkten är den av avgörande betydelse för dess kvalitet, vilket gör det värdefullt att optimera härdningsprocessen och på så sätt minska t.ex. antalet klagomål och återkallanden av produkter.

Utmaningen för de flesta företag är att de saknar relevant kunskap om processen och de optimala förhållandena, inklusive härdningstid och temperatur. Dessutom är det viktigt för ett företag att känna till processens robusthet i förhållande till avvikelser i blandningsförhållandet i flerkomponentsystem.

En brett tillämpbar analysmetod

För att tillgodose dessa frågor har vi identifierat och utvärderat en termisk analysmetod som kan användas av företag som vill optimera sin produktion av t.ex. värmehärdande polymerer/plastsystem:

  • Hartsystem i samband med komposittillverkning
  • Termohärdande system i samband med tillverkning av värmehärdande plaster
  • Beläggningar – till exempel gelcoats, lack- och färgsystem, skyddande beläggningar för främre kanter, och så vidare.

Som modellhärdningssystem valdes ett kommersiellt biobaserat 2-komponents epoxysystem, som vanligtvis används för vakuuminfusionsprocesser och RTM (resin transfer moulding) vid komposittillverkning.

Kritiskt för dessa tillverkningsprocesser är att härdningsprocessen är noggrant kontrollerad och att man vet vilka förhållanden som är optimala när det gäller temperatur och tid, samt hur mycket eller lite man kan avvika från blandningsförhållandet och om det är möjligt att minimera härdningstiden och därmed optimera tillverkningen av den färdiga produkten.

Dokumentation till kunder

Förutom att optimera de interna tillverkningsprocesserna kan analysmetoden användas för att säkerställa en jämn kvalitet i produktionen. Metoden kan också användas som en utdatakontroll och implementeras i företagets kvalitetskontrollsystem. Detta innebär färre kasserade artiklar och därmed en effektivare produktion.

Med hjälp av analysen kan företaget säkerställa att härdningsgraden uppfylls och att produkten eller komponenten har de specificerade egenskaperna som beskrivs i databladet från leverantören av epoxykomponenterna. Detta kan bidra till att ge företaget en konkurrensfördel på marknaden.

Komponenter av denna typ används ofta i kritiska och stora konstruktioner som vindkraftverk, där haverier och skador förekommer regelbundet. Tillsammans med andra tester ger analysmetoden möjlighet att identifiera och dokumentera orsaken till skada eller haveri, eftersom den kan avgöra om komponenten eller enheten uppfyller de specificerade kraven för härdning och därmed de mekaniska och termiska egenskaperna.

Vad kan DSC-analysen användas till?

DSC (Differential Scanning Calorimetry) är en termisk analys, där värmeflödet till och från en provkropp mäts som en funktion av temperatur eller tid, medan provkroppen utsätts för ett kontrollerat temperaturprogram i en kontrollerad atmosfär. Metoden används till exempel för att bestämma ett materials glasövergångstemperatur (Tg), kristalliseringstemperatur (Tc) vid kylning och smälttemperatur (Tm) vid upphettning. Temperaturerna är karakteristiska för specifika plast-/hartsystem, så resultaten kan också användas i kvalitetskontrollsammanhang och t.ex. för att identifiera okända/irregulära material.

DSC kan användas för utvärdering av härdningshastighet och härdningsgrad för ett värmehärdande system (t.ex. ett epoxysystem). Metoden kan användas för att få en bättre förståelse för det härdande systemet, varigenom produktionstiden (härdningstiden) för komposit/thermoset/beläggning kan minimeras, och den kan användas som ett verktyg för att bedöma den optimala härdningstemperaturen med hänsyn till materialets (termiska/mekaniska) egenskaper. Dessutom kan metoden användas för att bedöma hur robust processen är när det gäller avvikelser i blandningsförhållandena i flerkomponentsystem.

Den värme som genereras under härdningsprocessen och glasövergångstemperaturen (Tg) är viktiga parametrar för att få en förståelse för epoxysystemets härdning. Tg för en polymer är den temperatur där materialet går från ett hårt, fast tillstånd till ett mer visköst, gummiaktigt tillstånd, så det är en materialparameter som är kritisk för servicetemperaturen. Tg beror på graden av härdning i ett specifikt system, men är också beroende av materialtypen.

Bakgrund för studien av epoxihärdning

Som modellsystem har ett kommersiellt SUPER SAP INR 2-komponentsepoxysystem valts, som kan tillämpas vid tillverkning av kompositprodukter för vakuuminfusion och RTM. Inledningsvis härdas epoxysystemet vid 23 °C och efterhärdas därefter vid olika temperaturer. Graden och hastigheten av härdningen av SUPER SAP INR-systemet undersöks med hjälp av DSC. Ett typiskt DSC-termogram, som används för att bedöma grad och hastighet av härdning, visas i figur 1. Vid härdning avger epoxi värme, vilket kallas en exoterm reaktion (till skillnad från en endoterm reaktion, där värme absorberas).

Värmeflödet mäts som en funktion av den tid som förflutit efter det att de två komponenterna (harts och härdare) har blandats ihop, och är ett uttryck för hur mycket epoxi som återstår att härda (hög grad av värmeflöde betyder mycket ohärdad, värmeflöde = 0 betyder helt härdad). Fyra olika grafer visas, som beskriver de olika graderna av härdning (3 minuter, 12 timmar, 33 timmar och 100 timmar) vid rumstemperatur.

Studien har gjorts för att utvärdera metoden och för att bedöma hur en otillräcklig eller överdriven mängd härdare (±5 %) påverkar såväl hastigheten som graden av härdning. Det är viktigt att komma ihåg att detta endast är ett modellsystem som kan visa trender, eftersom endast mycket små testmängder på 10-15 mg används för analysen. För att bedöma effekten av provstorleken utfördes också ett DSC-test på ett prov på ca 200 g, både från provets mitt och dess yta.