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脲醛樹脂:模塑料固化動力學

 

目的
說明僅根據若干次DSC測試的動力學分析如何能給出固化時間的快速的全面評估。
在由填充模塑料的外殼制件的制造中,了解固化時間和反應溫度之問的關系是重要的。這對工藝和循環周期的設計具有重要影響,不管對引進改性模塑料、對優化生產能力還是對重新設計模塑工藝。
 
樣品
適用于生產電氣應用模塑外殼制件的含纖維素填料的粉末狀脲醛樹脂(UFl型)模塑料。
 
條件
測試儀器:DSC
坩堝:
40ul鋁坩堝,蓋鉆孔
樣品制備:
稱量約5mg的粉末。
DSC測試:
在-20oC恒溫5min,以5、10和20K/min從-20oC升溫至190oC
氣氛:干燥空氣,50mL/min


注:上面的雙馬來酰亞胺樹脂體系大概是所謂的PMR(單體反應物聚合)樹脂。可惜得不到關于所用單體的性質和有關化學的更多信息。
解釋 玻璃化轉變和反應峰隨著升溫速率的增加向較高溫度移動。比反應焓的值始終大約相同。因為這是一個填充體系,所以反應焓是填充模塑料而不是反應樹脂體系的“表觀”反應焓。
 
轉化率曲線(圖中右上圖)是從反應峰積分計算的。用非模型動力學來計算表觀活化能(在aTIN中的曲線)和對三個等溫轉化率曲線的預測(左下)。
 
計算 玻璃化轉變和固化反應的計算結果匯總于下表:
 
 
升溫速率,K/min
5
10
20
玻璃化轉變 L(ASTM),℃
Acp,J/Gkz
41
0.56
42
0.53
47
0.53
峰溫,℃
127
134
142
表觀活化能,J/g
22.9
23.3
22.O
 
對質量1至10Mg樣品的其他測試表明,得到的反應焓幾乎是相同的,平均值為22.5J/g。不過對質量小于5mg的,出現較大的不確定性。未顯示相應的曲線。
 
應用動力學:在三個等溫反應溫度下達到20%、50%或90%轉化率的時間預測:
 
轉化率
80℃
100℃
120℃
20%
45min
bmln
1min
50%
252min
26min
4min
90%
131min
17min
 
例如,如果固化在80℃進行,那么252min后反應完成50%(50%轉化率)。這表明了必要的加工時間。MFK計算表明,活化能只是在約35%轉化率后基本上是不變的。這表示固化反應初始與后來的進行是不同的。在80℃下可最好地看到該效應對預測的影響。
 
結論 對給定工藝條件的反應動力學行為可從僅僅幾個DSC測試來評估。動力學分析能作出關于轉化率、溫度和時間的預測,甚至在實際上困難的甚至不可能達到的或費時太多的條件下。預測也可用來計劃其他詳細的測試。預測的條件是優化生產的基礎。結果應該用合適的測試來檢驗。


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