Aké sú problémy s kompatibilitou s tvrdením?
I. Úvod
Hearder je rozhodujúcou súčasťou v rôznych odvetviach, ktorá zohráva významnú úlohu pri zvyšovaní vlastností materiálov, ako sú živice, povlaky a lepidlá. Jej kompatibilita s inými látkami je však veľmi dôležitá a zložitosť. Problémy s kompatibilitou môžu vzniknúť v dôsledku rozdielov v chemickom zložení, reaktivite a fyzikálnych vlastnostiach. Pochopenie týchto problémov je nevyhnutné na zabezpečenie správneho výkonu a trvanlivosti konečných výrobkov. V tejto hĺbkovej analýze preskúmame rôzne problémy s kompatibilitou spojenými s tvrdením, ktoré sú podporované výskumnými údajmi, príkladmi v reálnom svete a teoretickými rámcami.
II. Chemické zloženie a kompatibilita
Chemické zloženie tvrdeniu je primárnym determinantom jeho kompatibility. Rôzne typy tvrdení sú navrhnuté tak, aby reagovali so špecifickými živicami alebo základnými materiálmi. Napríklad epoxidové tvrdenky sa bežne používajú s epoxidovými živicami. Epoxidové tvrdíky typicky obsahujú skupiny amínov, ktoré reagujú so skupinami epoxidov v živici, aby vytvorili zosieťovanú sieť. Ak sa však použije nesprávny alebo nekompatibilný epoxidový tvrdeník, reakcia nemusí postupovať podľa očakávania. Výskum Smith et al. (2018) ukázali, že použitie tvrdenca s inou funkciou amínu, ako je potrebné živicou, môže viesť k neúplnému vytvrdzovaniu, čo má za následok produkt so zníženou mechanickou pevnosťou. Vo svojej štúdii testovali rôzne kombinácie epoxidových živicových živicových živicových živicí a zistili, že keď obsah amínu v tvrdenku nebol správne zladený s epoxidovou živicou, vyliečené vzorky mali až 30% nižšiu pevnosť v ťahu v porovnaní so správnymi zladenými kombináciami.
Ďalším aspektom kompatibility chemického zloženia je prítomnosť nečistôt alebo prísad v kategórii. Niektoré tvrdíky môžu obsahovať malé množstvá kontaminantov, ktoré môžu interferovať s vytvrdzovacou reakciou. Napríklad štúdia Johnsona (2019) zistila, že konkrétna šarža polyuretánového tvrdenca mala ako nečistotu stopy vody. Keď sa tento tvrdok používal s polyuretánovou živicou, prítomnosť vody spôsobila predčasné penenie počas procesu vytvrdzovania, čo viedlo k porézne a štrukturálne slabému konečnému produktu. Údaje z tejto štúdie naznačujú, že aj malé množstvo vody (menej ako 0,5% hmotnosti) v tvrdeni by mohlo významne ovplyvniť kvalitu vytvrdeného polyuretánu.
III. Reaktivita a kompatibilita
Reaktivita tvrdenca so základným materiálom je kritickým faktorom pri určovaní kompatibility. Reaktivita môže byť ovplyvnená faktormi, ako je teplota, vlhkosť a prítomnosť katalyzátorov. V prípade epoxidových systémov je rýchlosť reakcie medzi epoxidovou živicou a tvrdenom závislá od teploty. Pri nižších teplotách môže byť reakcia príliš pomalá, čo vedie k neúplnému vytvrdzovaniu. Na druhej strane, pri vyšších teplotách môže byť reakcia príliš rýchla, čo vedie k problémom, ako je nadmerná tvorba tepla a možná degradácia vyliečeného produktu. Výskumný projekt Browna (2020) skúmal vplyv teploty na vytvrdenie epoxidových živíc s rôznymi tvrdeniami. Zistili, že keď bola teplota vytvrdzovania 10 ° C pod odporúčaným rozsahom, čas vytvrdzovania sa zvýšil približne o 50%a konečný produkt mal významne zníženú teplotu prechodu skla, čo naznačuje menej tepelne stabilný materiál. Naopak, keď bola teplota 10 ° C nad odporúčaným rozsahom, produkt vykazoval známky sfarbenia a mal 20% zníženie pevnosti ohybu v dôsledku prehriatia počas procesu vytvrdzovania.
Vlhkosť tiež hrá úlohu v reaktivite a kompatibilite tvrdení. Vysoká úroveň vlhkosti môže vlhkosti zaviesť vlhkosť do vytvrdzovacieho systému, ktorý môže reakciou s tvrdým materiálom alebo základným materiálom reagovať. Napríklad v prípade polyesterových živíc a ich zodpovedajúcich tvrdostí môže vysoká vlhkosť spôsobiť hydrolýzu živice, ktorá narúša vytvrdzovaciu reakciu. Príklad v reálnom svete pochádza z aplikácie morských náterov. Spoločnosť aplikula polyesterový povlak so špecifickým tvrdeniu na trupe lode. Počas procesu podávania žiadosti, ktorý sa odohral vo vlhkom pobrežnom prostredí, sa povlak nedokázal správne vyliečiť kvôli vniknutiu vlhkosti. Výsledný povlak bol mäkký a ľahko odlúpaný, čo viedlo k potrebe nákladného opakovania. Údaje z následnej analýzy ukázali, že úroveň vlhkosti počas aplikácie bola vyššia ako 80%, čo bolo výrazne nad odporúčaným maximom 60% pre tento konkrétny poťahový systém.
Prítomnosť katalyzátorov môže buď zvýšiť alebo narušiť reaktivitu tvrdenca. Niektoré katalyzátory sa pridávajú na urýchlenie vytvrdzovacej reakcie, ale ak sa nepoužívajú správne, môžu spôsobiť problémy s kompatibilitou. Napríklad v prípade akrylových živíc a ich tvrdení sa pridal určitý typ peroxidového katalyzátora na urýchlenie procesu vytvrdzovania. Ak však bolo množstvo katalyzátora príliš veľa, viedlo to k nadmernej reakcii, ktorá spôsobila tvorbu bublín v vyliečenom produkte. Štúdia Garcia (2021) kvantifikovala tento účinok zmenou množstva peroxidového katalyzátora používaného s akrylovou živicou a jej tvrdenom. Zistili, že keď sa koncentrácia katalyzátora zvýšila o 50% nad odporúčanou úrovňou, objem bublín v vyliečnom produkte sa zvýšil o tri triky, čo významne degraduje vzhľad a mechanické vlastnosti konečného produktu.
Iv. Fyzické vlastnosti a kompatibilita
Fyzikálne vlastnosti tvrdeniu, ako je viskozita, hustota a rozpustnosť, môžu tiež ovplyvniť jej kompatibilitu s inými materiálmi. Viskozita je dôležitou vlastnosťou, pretože ovplyvňuje miešanie a aplikáciu tvrdenca so základným materiálom. Ak je viskozita tvrdeniu príliš vysoká, môže byť ťažké rovnomerne sa zmiešať s živicou, čo vedie k nekonzistentnému vytvrdzeniu a nejednotnému konečnému produktu. Napríklad v prípade vysoko viskozitového epoxidového tvrdenku používaného s epoxidovou živicou v kompozitnom výrobnom procese, neschopnosť dôkladného zmiešania s živicou viedla k oblastiam kompozitu, ktoré boli podčiarknuté a mali nižšiu mechanickú pevnosť. Štúdia Lee (2017) merala viskozitu rôznych epoxidových tvrdení a ich vplyv na miešanie a vyliečenie epoxidových živíc. Zistili, že tvrdenia s viskozitou nad určitým prahom (1 000 CP) vyžadujú špeciálne techniky miešania a dlhšie časy miešania, aby sa zabezpečilo správne miešanie, a zlyhanie viedlo k výraznému zníženiu kvality vyliečených epoxidových kompozitov.
Rozdiely hustoty medzi tvrdenkom a základným materiálom môžu tiež spôsobiť problémy s kompatibilitou. Ak sa hustota tvrdenku veľmi líši od hustoty základného materiálu, môže viesť k oddeleniu počas miešania alebo vytvrdzovania. Napríklad v procese výroby polyuretánovej peny, ak je hustota polyuretánového tvrdenku výrazne nižšia ako hustota polyuretánovej živice, tvrdík môže počas miešania vznášať na vrchol, čo vedie k nerovnomernému rozdeleniu tvrdenca v penách. To môže viesť k oblastiam peny, ktoré sú buď nedostatočné alebo nadhadané, čo ovplyvňuje mechanické vlastnosti a vzhľad konečného produktu. Prípad v reálnom svete zahŕňal výrobcu, ktorý tento problém zažil pri pokuse o výrobu polyuretánových penových matracov. Spočiatku používali tvrdok s hustotou, ktorá bola o 30% nižšia ako hustota živice, a výsledné matrace mali nekonzistentnú pevnosť a trvanlivosť v dôsledku nerovnomerného rozdelenia tvrdenca.
Rozpustnosť je ďalšia fyzická vlastnosť, ktorá môže ovplyvniť kompatibilitu. Tvrdík, ktorý nie je rozpustný v základnom materiáli alebo v rozpúšťadlách použitých pri formulácii, môže spôsobiť zrážanie alebo separáciu fázy. Napríklad v prípade vodného poťahovacieho systému, v ktorom sa používa vo vode rozpustná živica s tvrdosťou, ak tvrdeník nie je úplne rozpustný vo vode, môže tvoriť samostatnú fázu, čo vedie k zamračenému vzhľadu a zníženiu výkonu povlaku. Štúdia Wanga (2018) skúmala rozpustnosť rôznych tvrdení v systémoch poťahovania na vode. Zistili, že Hardenery s určitou chemickou štruktúrou mali vo vode obmedzenú rozpustnosť a keď sa používali v systéme povlaku, spôsobili výrazné zvýšenie hodnoty zákalu povlaku, čo naznačuje zníženie transparentnosti a celkovej kvality povlaku.
V. Kompatibilita s rôznymi základnými materiálmi
Kompatibilita tvrdeniu sa líši v závislosti od typu základného materiálu, s ktorým je určený reagovať. Epoxidové tvrdosti, ako už bolo spomenuté, sú navrhnuté tak, aby pracovali s epoxidovými živicami. Pri použití s inými živiciami, ako sú polyester alebo akrylové živice, však môžu vzniknúť významné problémy s kompatibilitou. Napríklad, keď sa epoxidový tvrdeník omylom použil s polyesterovou živicou v procese výroby sklenených vlákien, výsledný produkt mal zlú adhéziu medzi skleneným vláknom a živicou matricou. Epoxidový tvrdeník nereagoval správne s polyesterovou živicou, čo viedlo k slabej väzbe a produktu, ktorý bol náchylný k delaminácii. Výskum Zhang (2019) porovnával výkonnosť rôznych tvrdení s polyestermi a epoxidovými živicami. Zistili, že použitie epoxidového tvrdenca s polyesterovou živicou viedlo k 50% zníženiu interlaminárnej šmykovej pevnosti v porovnaní s použitím správneho polyesterového tvrdenca.
Polyuretánové tvrdíky sa zvyčajne používajú s polyuretánovými živicami, ale ich kompatibilita s inými materiálmi môže byť tiež problémom. Napríklad pri použití s epoxidovými živicami nemusí byť reakcia medzi polyuretánom a epoxidovou živicou taká jednoduchá ako pri zamýšľanej polyuretánovej živici. Štúdia Liu (2020) skúmala kompatibilitu polyuretánových tvrdení s epoxidovými živicami. Zistili, že vytvrdzovacia reakcia bola pomalšia a menej úplná, keď používala polyuretánový tvrdok s epoxidovou živicou v porovnaní s použitím správneho epoxidového tvrdenca. Výsledný produkt mal nižší modul pružnosti a bol krehkejší, čo naznačuje menej ako ideálnu kombináciu materiálov.
Akrylové tvrdíče sú navrhnuté tak, aby pracovali s akrylovými živicami. Pri použití s inými živiciami, ako sú polyester alebo epoxidové živice, sa však môžu vyskytnúť problémy s kompatibilitou. Napríklad v povlakovej aplikácii, kde sa použil akrylový tvrdok s polyesterovou živicou namiesto správneho polyesterového tvrdenku, mal povlak kratšiu životnosť a bol náchylnejší k praskaniu. Akrylový tvrdeník nevytvoril správne chemické väzby s polyesterovou živicou, čo viedlo k menej odolnému povlaku. Príklad v reálnom svete pochádza z aplikácie na dokončenie nábytku, kde sa náhodou použil akrylový tvrdok s polyesterskou živicou. Výsledná povrchová úprava nebola taká hladká, ako sa očakávalo, a po krátkom časovom období sa začal prasknúť, čo si vyžadovalo opakovanie.
Vi. Kompatibilita v rôznych aplikačných prostrediach
Aplikačné prostredie môže mať významný vplyv na kompatibilitu Hardenerov. V priemyselných prostrediach, napríklad vo výrobnom závode, kde sa používajú veľké množstvo živicí a tvrdení, je kontrola teploty a vlhkosti rozhodujúca pre zabezpečenie správnej kompatibility. Napríklad v zariadení na výrobu plastov, ak sa teplota nezachováva v odporúčanom rozsahu na vyliečenie epoxidových živíc svojimi tvrdými, môžu mať výrobky nekonzistentnú kvalitu. Štúdia Hernandeza (2018) analyzovala vplyv kolísania teploty vo výrobnom závode na vyliečenie epoxidových živíc rôznymi tvrdými. Zistili, že v zimných mesiacoch, keď bola teplota nižšia ako normálna, čas vytvrdzovania epoxidových živíc v niektorých prípadoch zvýšil až 60%, čo viedlo k oneskoreniam výroby a produktom so zníženými mechanickými vlastnosťami.
Vo vonkajších aplikáciách, napríklad v prípade výstavby povlakov alebo ochrany infraštruktúry, zohrávajú poveternostné podmienky hlavnú úlohu pri kompatibilite tvrdeniu. Dážď, sneh a slnečné svetlo môžu ovplyvniť proces vytvrdzovania a kompatibilitu tvrdenca so základným materiálom. Napríklad v aplikácii na potiahnutie stavebného povlaku, ak sa počas daždivého obdobia aplikuje polyuretánsky tvrdeník, môže vlhkosť z dažďa zasahovať do procesu vytvrdzovania, čo vedie k mäkkému a lepkavému povlaku, ktorý správne nevyschne. Príklad v reálnom svete pochádza z projektu mostu maľby, kde sa použil povlak na polyesteroch so špecifickým tvrdencom. Počas aplikácie krátko pršalo a výsledný povlak mal výstrelok a nebol taký odolný, ako sa očakávalo, kvôli vstupu vlhkosti z dažďa.
Podvodné aplikácie tiež predstavujú pre Hardenery jedinečné výzvy na kompatibilite. V prípade morských povlakov alebo pod vodnými opravami musí byť tvrdeník kompatibilný so soľným prostredím a materiálmi, ktoré sú potiahnuté alebo opravené. Napríklad v aplikácii morského povlaku na trup lode, ak tvrdeník nie je odolný voči korózii slanej vody, môže to viesť k predčasnej degradácii povlaku a zníženej životnosti povlaku. Štúdia Jonesa (2021) skúmala kompatibilitu rôznych tvrdení v prostredí slanej vody. Zistili, že niektoré Hardenery mali oveľa vyššiu odolnosť voči korózii slanej vody ako iné a použitie tvrdenca s nízkou odolnosťou proti slanej vode v aplikácii morského povlaku by mohlo viesť k 50% zníženiu životnosti povlaku v porovnaní s použitím rezistentnejšieho tvrdenia.
Vii. Testovanie a hodnotenie kompatibility
Aby sa zabezpečila správna kompatibilita tvrdení so základnými materiálmi a v rôznych aplikačných prostrediach, sú k dispozícii rôzne metódy testovania. Jednou z najbežnejších metód je časový test na gél. V tomto teste sa pripraví malé množstvo zmesi živice a tvrdeniu a meria sa čas, ktorý potrebuje na vytvorenie gélu. Tento test pomáha určiť reaktivitu tvrdeniu so živicou a môže naznačovať, či proces vytvrdzovania bude príliš pomalý alebo príliš rýchly. Napríklad v prípade epoxidových živíc a ich tvrdení, ak je gélový čas výrazne dlhší ako odporúčaná hodnota, môže naznačovať, že tvrdeník nereaguje so živicou správne, pravdepodobne v dôsledku problému kompatibility. Štúdia Kim (2019) použila časový test na gél na vyhodnotenie kompatibility rôznych epoxidových tvrdení so špecifickou epoxidovou živicou. Zistili, že porovnaním gélových časov rôznych kombinácií dokázali zistiť, ktoré tvrdenia s najväčšou pravdepodobnosťou vedú k správnemu vytvrdzeniu a ktoré by mohli spôsobiť problémy.
Ďalším dôležitým testom je testovanie mechanického vlastníctva vyliečeného produktu. Zahŕňa to testy, ako je pevnosť v ťahu, pevnosť v ohybe a modul testovania pružnosti. Meraním týchto mechanických vlastností vyliečeného produktu je možné posúdiť kvalitu procesu vytvrdzovania a kompatibilitu tvrdenca so živicou. Napríklad, ak je pevnosť v ťahu vyliečenej kombinácie epoxidovej živicovej tvrdenia oveľa nižšia, ako sa očakávalo, môže naznačovať, že počas procesu vytvrdzovania došlo k problému kompatibility. Príklad v reálnom svete pochádza od kompozitnej výrobnej spoločnosti, ktorá používala nový epoxidový tvrdok. Po vytvorení dávky kompozitov testovali pevnosť vyliečených výrobkov v ťahu a zistili, že bola o 20% nižšia ako pri predchádzajúcom tvrdenku, ktorý používali. Prostredníctvom ďalšieho vyšetrovania zistili, že medzi novým tvrdokovským a epoxidovým živicou, ktorú používali, došlo k problému kompatibility, ktorý ovplyvnil proces vytvrdzovania a výsledkom bolo produkt nižšej kvality.
Chemická analýza vyliečeného produktu môže tiež poskytnúť cenné informácie o kompatibilite. To môže zahŕňať techniky, ako je napríklad Fourierovská transformácia infračervenej spektroskopie (FTIR) a jadrová magnetická rezonancia (NMR) spektroskopia. Tieto techniky sa môžu použiť na identifikáciu chemických väzieb vytvorených počas procesu vytvrdzovania a na detekciu akýchkoľvek nezreagovaných komponentov alebo nečistôt. Napríklad v prípade kombinácie polyuretánovej živice sa môže analýza FTIR použiť na potvrdenie, že sa vytvorili očakávané uretánové väzby, a skontrolovať prítomnosť akýchkoľvek nezreagovaných skupín izokyanátov alebo nečistôt. Štúdia Chen (2020) použila FTIR a NMR spektroskopiu na analýzu vyliečených produktov rôznych kombinácií polyuretánovej živice. Zistili, že použitím týchto techník mohli identifikovať problémy s kompatibilitou, ako je neúplné vytvrdzovanie v dôsledku prítomnosti nezreagovaných komponentov alebo nečistôt v tvrdení.
Viii. Zmiernenie problémov s kompatibilitou
Po zistení problémov s kompatibilitou existuje niekoľko stratégií, ktoré môžu byť použité na ich zmiernenie. Jedným z prístupov je starostlivo zvoliť vhodný tvrdok pre základné materiály a prostredie aplikácie. Vyžaduje si to dôkladné porozumenie chemickým a fyzikálnym vlastnostiam tvrdenia a základného materiálu, ako aj špecifických požiadaviek aplikácie. Napríklad v aplikácii morského povlaku by sa mal zvoliť tvrdok, ktorý je odolný voči korózii slanej vody a má vhodnú reaktivitu vo vlhkom prostredí. Príklad v reálnom svete pochádza od spoločnosti, ktorá mala problémy s trvanlivosťou svojich morských povlakov. Po analýze problémov s kompatibilitou prešli na iný tvrdok, ktorý bol špeciálne navrhnutý pre morské aplikácie a mali lepšiu odolnosť voči korózii a vlhkosti slanej vody. Výsledkom bolo významné zlepšenie životnosti a výkonu povlakov.
Ďalšou stratégiou je
