脲醛树脂:模塑料固化动力学

 

目的
说明仅根据若干次DSC测试的动力学分析如何能给出固化时间的快速的全面评估。
在由填充模塑料的外壳制件的制造中,了解固化时间和反应温度之问的关系是重要的。这对工艺和循环周期的设计具有重要影响,不管对引进改性模塑料、对优化生产能力还是对重新设计模塑工艺。
 
样品
适用于生产电气应用模塑外壳制件的含纤维素填料的粉末状脲醛树脂(UFl型)模塑料。
 
条件
测试仪器:DSC
坩埚:
40ul铝坩埚,盖钻孔
样品制备:
称量约5mg的粉末。
DSC测试:
在-20oC恒温5min,以5、10和20K/min从-20oC升温至190oC
气氛:干燥空气,50mL/min


注:上面的双马来酰亚胺树脂体系大概是所谓的PMR(单体反应物聚合)树脂。可惜得不到关于所用单体的性质和有关化学的更多信息。
解释 玻璃化转变和反应峰随着升温速率的增加向较高温度移动。比反应焓的值始终大约相同。因为这是一个填充体系,所以反应焓是填充模塑料而不是反应树脂体系的“表观”反应焓。
 
转化率曲线(图中右上图)是从反应峰积分计算的。用非模型动力学来计算表观活化能(在aTIN中的曲线)和对三个等温转化率曲线的预测(左下)。
 
计算 玻璃化转变和固化反应的计算结果汇总于下表:
 
 
升温速率,K/min
5
10
20
玻璃化转变 L(ASTM),℃
Acp,J/Gkz
41
0.56
42
0.53
47
0.53
峰温,℃
127
134
142
表观活化能,J/g
22.9
23.3
22.O
 
对质量1至10Mg样品的其他测试表明,得到的反应焓几乎是相同的,平均值为22.5J/g。不过对质量小于5mg的,出现较大的不确定性。未显示相应的曲线。
 
应用动力学:在三个等温反应温度下达到20%、50%或90%转化率的时间预测:
 
转化率
80℃
100℃
120℃
20%
45min
bmln
1min
50%
252min
26min
4min
90%
131min
17min
 
例如,如果固化在80℃进行,那么252min后反应完成50%(50%转化率)。这表明了必要的加工时间。MFK计算表明,活化能只是在约35%转化率后基本上是不变的。这表示固化反应初始与后来的进行是不同的。在80℃下可最好地看到该效应对预测的影响。
 
结论 对给定工艺条件的反应动力学行为可从仅仅几个DSC测试来评估。动力学分析能作出关于转化率、温度和时间的预测,甚至在实际上困难的甚至不可能达到的或费时太多的条件下。预测也可用来计划其他详细的测试。预测的条件是优化生产的基础。结果应该用合适的测试来检验。


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