So geht's: Vorbereiten von Daten für die Analyse der Aushärtung mit Diffusionskontrolle
Aushärtung von Epoxidharz mit partieller Diffusionskontrolle
Einführung
Tritt der Glasübergang während der Vernetzung eines Duroplasts auf, so wird die Reaktion in zwei Bereiche unterteilt, die von unterschiedlichen Mechanismen beherrscht werden: Der Teil, der weit oberhalb des Glasübergangs stattfindet, hängt von der chemischen Reaktion ab und kann durch die Arrhenius-Beziehung beschrieben werden. In dem Teil unterhalb des Glasübergangs dominieren diffusionsgesteuerte Mechanismen das Reaktionsverhalten. Daher wird die Reaktionsgeschwindigkeit im Bereich des Glasübergangs von beiden Prozessen beeinflusst.
Aus diesem Grund muss das kinetische Modell um spezielle Diffusionskontrollalgorithmen erweitert werden, um die Änderung des Materialverhaltens zu berücksichtigen.
In diesem "How To" werden die Daten für die DSC-Härtung mit partieller Diffusionskontrolle erstellt. Diese Daten bestehen aus zwei Teilen:
- DSC-Messungen des Aushärtungsprozesses mit verschiedenen Heizraten
- Abhängigkeit der Glasübergangstemperatur vom Grad der UmwandlungDer Umwandlungsgrad α in der chemischen Kinetik ist der dimensionslose, zeitabhängige Parameter eines kinetischen Prozesses wie einer chemischen Reaktion oder einer Kristallisation, der angibt, welcher Teil des Prozesses bereits abgeschlossen ist.Grad der Umwandlung.
Wir beginnen mit dem Laden von experimentellen Daten, die in Kinetics Neo enthalten sind, erstellen dann eine experimentelle Abhängigkeit der Glasübergangstemperatur von der Umwandlung und erstellen dann die theoretische Anpassung für diese letzte Abhängigkeit.
Beispielhafte Daten:
- Datentyp: DSC-Härtung (Differenzial-Scanning-Kalorimetrie mit Diffusionskontrolle)
- Projektdaten: im Verzeichnis DSC_Diff_Control_Epoxy
Wie viele Messungen sind für die Analyse erforderlich?
Bei Reaktionen mit Diffusionskontrolle hängt der Aushärtungsmechanismus von der Glasübergangstemperatur ab. Für die Analyse dieser Reaktion benötigen wir mindestens zwei Messungen mit höheren Heizraten, bei denen kein Glasübergang stattfindet. Zusätzlich benötigen wir mindestens drei Messungen mit niedrigen und sehr niedrigen Heizraten, bei denen die Probentemperatur während der Messung in der Nähe der Glasübergangstemperatur liegt und die Verlangsamung der Reaktion aufgrund der Diffusionskontrolle deutlich zu erkennen ist.
Wir benötigen also mindestens 5 Messungen mit unterschiedlichen Heizraten, um die Daten mit Diffusionskontrolle zu analysieren.
Außerdem sollte die Abhängigkeit Tg vs. alpha bekannt sein. Wenn sie nicht bekannt ist, dann sollte sie gemessen werden. Wir brauchen Tg für den unausgehärteten Zustand, für den vollständig ausgehärteten Zustand und die paar Punkte für den teilweise ausgehärteten Zustand. Es handelt sich also um zusätzliche 4 Messungen für 4 Punkte für die Abhängigkeit Tg vs. Alpha.
Projekt erstellen und Daten laden
1. Starten Sie die Kinetics Neo software. Klicken Sie auf die blaue Registerkarte "Datei", um das Anwendungsmenü zu öffnen.
2. Wählen Sie "Neues Projekt" vom Typ DSC-Härtung.
3. Wählen Sie Daten-Proben importieren und wählen Sie das Verzeichnis DSC_Diff_Control_Epoxy
4. Wählen Sie die Datendatei TAH13.txt, stellen Sie 1 mg als obligatorische Probenmasse ein und wählen Sie dann Importieren. Hier liegen die Daten bereits in relativen Einheiten in mW/mg vor, so dass die Probenmasse nicht wichtig ist.
5. Wählen Sie die lineare Basislinie, lesen Sie den Flächenwert ab (hier 217J/g) und klicken Sie auf OK
6. Wählen Sie im Baumfenster Quelldaten -> Neu hinzufügen und wiederholen Sie den Datenimport (Schritt 4) für die Datei TAH06.txt.
7. Wählen Sie für die Datei TAH06.txt erneut die lineare Basislinie aus und verschieben Sie die rechte vertikale Linie, um die gleiche Fläche von 217J/g zu erhalten. Klicken Sie auf OK
8. Wählen Sie im Strukturfenster Quelldaten -> Neu hinzufügen und wiederholen Sie die Schritte 6-7 für die Dateien TAH09.txt, TAH25.txt, TAH29.txt, TAH34.txt, TAH01.txt.
Tabelle mit Glasübergangstemperatur erstellen
Wenn ein Teil der Reaktion unterhalb der Glasübergangstemperatur abläuft und ein anderer Teil der Reaktion oberhalb davon, dannändert sich derReaktionsmechanismus. Diese Änderung tritt ein, wenn die Temperatur der Probe die Glasübergangstemperatur überschreitet. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, den Wert der Glasübergangstemperatur während der Reaktion zu kennen. Die Glasübergangstemperatur als Funktion des Umsatzes muss eingegeben werden.
Um einen Versuchspunkt zu erhalten, muss eine Versuchsmessung mit drei Abschnitten durchgeführt werden:
- Aufheizen bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Härtungsreaktion bereits begonnen hat, aber noch nicht abgeschlossen ist.
- Abkühlung bis zu einer Temperatur, die weit unter der Glasübergangstemperatur des unausgehärteten Materials liegt.
- Aufheizen bis zum vollständig ausgehärteten Zustand.
Der Bereich der Restreaktion im dritten Segment ermöglicht es, die Restumwandlung von teilweise ausgehärtetem Material zu ermitteln. Zusätzlich ergibt die Auswertung des Glasübergangs im dritten Segment den Glasübergang für das teilweise ausgehärtete Material.
Die Werte von:
- des Umsatzes für teilgehärtetes Material und
- der entsprechenden Glasübergangstemperatur
bilden einen Versuchspunkt in der Tabelle Glasübergangsdaten. Es wird empfohlen, mindestens 6 solcher Punkte zu verwenden. Mehr Punkte erhöhen die Genauigkeit des kinetischen Modells.
9. Wählen Sie in der Baumstruktur Glasübergangsdaten und fügen Sie der Datentabelle einen Punkt hinzu.
10. Fügen Sie der Datentabelle die folgenden Punkte hinzu.
| Umrechnung | Tg /°C |
|---|---|
| 0.000 | 25.0 |
| 0.250 | 53.0 |
| 0.310 | 58.0 |
| 0.380 | 65.0 |
| 0.460 | 78.0 |
| 0.600 | 98.0 |
| 0.690 | 116.0 |
| 0.760 | 128.0 |
| 0.830 | 140.0 |
| 1.000 | 165.0 |
Fit für Glas Übergang vs. Umwandlung schaffen
Es gibt zwei Möglichkeiten, die Anpassung für die Glasübergangstemperatur zu erstellen:
- Klassisches theoretisches diBenedetto-Modell.
- Spline-Funktion durch die experimentellen Punkte. Es wird für komplexe Systeme verwendet, die eine komplizierte Abhängigkeit der Glasübergangstemperatur vom Umwandlungsgrad aufweisen.
11. Wählen Sie DiBenedetto-Fit für den aktuellen experimentellen Datensatz.
Schlussfolgerung
Die Daten für die kinetische Analyse enthalten mehrere DSC-Messungen und zusätzlich die Abhängigkeit des Glasübergangs vom Umwandlungsgrad. Diese Daten können für die kinetische Modellierung und dann für die Vorhersage und Prozessoptimierung verwendet werden.