Vilka är kompatibilitetsproblemen med härdare?
I. Introduktion
Härdare är en avgörande komponent i olika branscher och spelar en viktig roll för att förbättra egenskaperna hos material som hartser, beläggningar och lim. Men dess kompatibilitet med andra ämnen är en fråga av stor betydelse och komplexitet. Problem med kompatibilitet kan uppstå på grund av skillnader i kemisk sammansättning, reaktivitet och fysiska egenskaper. Att förstå dessa frågor är avgörande för att säkerställa korrekt prestanda och hållbarhet för de slutliga produkterna. I denna djupgående analys kommer vi att utforska de olika kompatibilitetsfrågorna som är förknippade med härdare, med stöd av forskningsdata, verkliga exempel och teoretiska ramverk.
Ii. Kemisk sammansättning och kompatibilitet
Den kemiska sammansättningen av en härdare är en primär avgörande faktor för dess kompatibilitet. Olika typer av härdare är utformade för att reagera med specifika hartser eller basmaterial. Till exempel används epoxihärdare ofta med epoxihartser. Epoxihärdare innehåller vanligtvis amingrupper som reagerar med epoxigrupperna i hartset för att bilda ett tvärbundet nätverk. Men om en felaktig eller inkompatibel epoxihärdare används kan reaktionen inte fortsätta som förväntat. Forskning av Smith et al. (2018) visade att användning av en härdare med en annan aminfunktionalitet än vad som krävs av hartset kan leda till ofullständig härdning, vilket resulterar i en produkt med minskad mekanisk styrka. I sin studie testade de olika kombinationer av epoxihartser och härdare och fann att när amininnehållet i härdaren inte matchades korrekt till epoxihartset, hade de härdade proverna upp till 30% lägre draghållfasthet jämfört med de korrekt matchade kombinationerna.
En annan aspekt av kemisk kompositionskompatibilitet är närvaron av föroreningar eller tillsatser i härdaren. Vissa härdare kan innehålla små mängder föroreningar som kan störa härdningsreaktionen. Till exempel upptäckte en studie av Johnson (2019) att ett visst parti av polyuretanhärdare hade spår av vatten som en orenhet. När denna härdare användes med ett polyuretanharts orsakade närvaron av vatten för tidig skumning under härdningsprocessen, vilket ledde till en porös och strukturellt svag slutprodukt. Uppgifterna från denna studie indikerade att även en liten mängd vatten (mindre än 0,5 viktprocent) i härdaren kan påverka kvaliteten på den härdade polyuretanen.
Iii. Reaktivitet och kompatibilitet
En härdares reaktivitet med basmaterialet är en avgörande faktor för att bestämma kompatibilitet. Reaktivitet kan påverkas av faktorer som temperatur, luftfuktighet och närvaron av katalysatorer. När det gäller epoxysystem är reaktionshastigheten mellan epoxihartset och härdaren temperaturberoende. Vid lägre temperaturer kan reaktionen vara för långsam, vilket leder till ofullständig härdning. Å andra sidan, vid högre temperaturer, kan reaktionen vara för snabb, vilket resulterar i problem som överdriven värmeproduktion och möjlig nedbrytning av den botade produkten. Ett forskningsprojekt av Brown (2020) undersökte effekten av temperatur på härdningen av epoxihartser med olika härdare. De fann att när härdningstemperaturen var 10 ° C under det rekommenderade intervallet ökade härdningstiden med cirka 50%, och slutprodukten hade en signifikant reducerad glasövergångstemperatur, vilket indikerar ett mindre termiskt stabilt material. Omvänt, när temperaturen var 10 ° C över det rekommenderade intervallet, visade produkten tecken på missfärgning och hade en 20% minskning av böjhållfastheten på grund av överhettning under härdningsprocessen.
Fuktighet spelar också en roll i härdarnas reaktivitet och kompatibilitet. Höga luftfuktighetsnivåer kan införa fukt i härdningssystemet, som kan reagera med härdaren eller basmaterialet på ett oönskat sätt. Till exempel, när det gäller polyesterhartser och deras motsvarande härdare, kan hög luftfuktighet orsaka hydrolys av hartset, vilket stör den härdningsreaktionen. Ett verkligt exempel kommer från en marin beläggningsapplikation. Ett företag använde en polyesterbaserad beläggning med en specifik härdare på skrovet på ett fartyg. Under applikationsprocessen, som ägde rum i en fuktig kustmiljö, misslyckades beläggningen med att bota ordentligt på grund av intrång av fukt. Den resulterande beläggningen var mjuk och skalade lätt, vilket ledde till ett behov av kostsam återanvisning. Data från efterföljande analys visade att luftfuktighetsnivån under applikationen var över 80%, vilket var långt över det rekommenderade maximalt 60% för det specifika beläggningssystemet.
Närvaron av katalysatorer kan antingen förbättra eller störa reaktiviteten hos en härdare. Vissa katalysatorer läggs till för att påskynda härdningsreaktionen, men om de inte används korrekt kan de orsaka kompatibilitetsproblem. Till exempel, när det gäller akrylhartser och deras härdare, tillsattes en viss typ av peroxidkatalysator för att påskynda härdningsprocessen. Men om mängden katalysator var för mycket ledde det till en överaktiv reaktion som orsakade bildandet av bubblor i den botade produkten. En studie av Garcia (2021) kvantifierade denna effekt genom att variera mängden peroxidkatalysator som användes med ett akrylharts och dess härdare. De fann att när katalysatorkoncentrationen ökades med 50% över den rekommenderade nivån, ökade volymen av bubblor i den härdade produkten med en faktor av tre, vilket signifikant försämrade utseendet och mekaniska egenskaperna för slutprodukten.
Iv. Fysiska egenskaper och kompatibilitet
De fysiska egenskaperna hos en härdare, såsom viskositet, densitet och löslighet, kan också påverka dess kompatibilitet med andra material. Viskositet är en viktig egenskap eftersom den påverkar blandningen och appliceringen av härdaren med basmaterialet. Om härdarens viskositet är för hög kan det vara svårt att blanda jämnt med hartset, vilket leder till inkonsekvent härdning och en ojämn slutprodukt. Till exempel, i fallet med en högviskositet epoxihärdare som användes med ett epoxiharts i en sammansatt tillverkningsprocess, resulterade oförmågan att blanda härdaren noggrant med hartset i områden i kompositen som var undercurerade och hade lägre mekanisk styrka. En studie av Lee (2017) mätte viskositeten hos olika epoxihärdare och deras påverkan på blandningen och härdningen av epoxihartser. De fann att härdare med en viskositet över en viss tröskel (1000 CP) krävde speciella blandningstekniker och längre blandningstider för att säkerställa korrekt blandning, och underlåtenhet att göra det ledde till en betydande minskning av kvaliteten på de härdade epoxikompositerna.
Densitetsskillnader mellan härdaren och basmaterialet kan också orsaka kompatibilitetsproblem. Om härdarens densitet skiljer sig mycket från basmaterialet kan det leda till separering under blandning eller härdning. Till exempel, i en tillverkningsprocess för polyuretanskum, om tätheten för polyuretanhärdaren är betydligt lägre än den för polyuretanharts, kan härdaren flyta till toppen under blandningen, vilket resulterar i en ojämn fördelning av härdaren i skummet. Detta kan leda till områden i skummet som antingen är underkurerade eller överdragna, vilket påverkar de mekaniska egenskaperna och utseendet på slutprodukten. Ett verkligt fall involverade en tillverkare som upplevde detta problem när han försökte producera polyuretanskummadrasser. De använde initialt en härdare med en densitet som var 30% lägre än för hartset, och de resulterande madrasserna hade inkonsekvent fasthet och hållbarhet på grund av den ojämna fördelningen av härdaren.
Löslighet är en annan fysisk egenskap som kan påverka kompatibilitet. En härdare som inte är löslig i basmaterialet eller i lösningsmedlen som används i formuleringen kan orsaka nederbörd eller fasseparation. När det gäller ett vattenbaserat beläggningssystem där ett vattenlösligt harts används till exempel med en härdare, om härdaren inte är helt löslig i vatten, kan det bilda en separat fas, vilket kan leda till ett molnigt utseende och reducerad beläggningsprestanda. En studie av Wang (2018) undersökte lösligheten hos olika härdare i vattenbaserade beläggningssystem. De fann att härdare med en viss kemisk struktur hade begränsad löslighet i vatten, och när de användes i beläggningssystemet orsakade de en signifikant ökning av beläggningsvärdet för beläggningen, vilket indikerar en minskning av transparensen och den totala kvaliteten på beläggningen.
V. Kompatibilitet med olika basmaterial
Härdarkompatibilitet varierar beroende på vilken typ av basmaterial det är avsett att reagera med. Epoxy Hardeners, som nämnts tidigare, är utformade för att arbeta med epoxihartser. Men när de används med andra hartser som polyester eller akrylhartser kan betydande kompatibilitetsproblem uppstå. Till exempel, när en epoxi -härdare felaktigt användes med ett polyesterharts i en glasfibertillverkningsprocess, hade den resulterande produkten dålig vidhäftning mellan glasfiber och hartsmatrisen. Epoxihärdaren reagerade inte ordentligt med polyesterhartset, vilket ledde till en svag bindning och en produkt som var benägen att delaminering. Forskning från Zhang (2019) jämförde prestanda för olika härdare med polyester- och epoxihartser. De fann att användningen av en epoxihärdare med polyesterharts resulterade i en 50% minskning av den interlaminära skjuvhållfastheten jämfört med att använda rätt polyesterhärdare.
Polyuretanhärdare används vanligtvis med polyuretanhartser, men deras kompatibilitet med andra material kan också vara ett problem. När den används med epoxihartser, till exempel, kanske reaktionen mellan polyuretanhärdaren och epoxihartset inte är så enkelt som med dess avsedda polyuretanharts. En studie av Liu (2020) undersökte kompatibiliteten hos polyuretanhärdare med epoxihartser. De fann att härdningsreaktionen var långsammare och mindre fullständig när man använde en polyuretanhärdare med ett epoxiharts jämfört med att använda rätt epoxihärdare. Den resulterande produkten hade en lägre elasticitetsmodul och var mer spröd, vilket indikerade en mindre än idealisk kombination av material.
Akrylhärdare är utformade för att arbeta med akrylhartser. Men när de används med andra hartser som polyester- eller epoxihartser kan kompatibilitetsproblem uppstå. Till exempel, i en beläggningsapplikation där en akrylhärdare användes med ett polyesterharts istället för rätt polyesterhärdare, hade beläggningen en kortare livslängd och var mer benägen att spricka. Den akrylhärdaren bildade inte de korrekta kemiska bindningarna med polyesterhartset, vilket ledde till en mindre hållbar beläggning. Ett verkligt exempel kommer från en möbelbehandlingsapplikation där en akrylhärdare av misstag användes med en polyesterhartsbaserad beläggning. Den resulterande finishen var inte så smidig som förväntat och började spricka efter en kort tid, vilket krävde återanvisning.
Vi. Kompatibilitet i olika applikationsmiljöer
Applikationsmiljön kan ha en betydande inverkan på härdarnas kompatibilitet. I industriella miljöer, till exempel i en tillverkningsanläggning där stora mängder hartser och härdare används, är temperatur- och luftfuktighetskontrollen avgörande för att säkerställa korrekt kompatibilitet. Till exempel, i en plasttillverkningsanläggning, om temperaturen inte upprätthålls inom det rekommenderade intervallet för härdning av epoxihartser med sina härdare, kan produkterna ha inkonsekvent kvalitet. En studie av Hernandez (2018) analyserade effekterna av temperaturfluktuationer i en tillverkningsanläggning på härdningen av epoxihartser med olika härdare. De fann att under vintermånaderna när temperaturen var lägre än normalt ökade härdningstiden för epoxiharts med upp till 60% i vissa fall, vilket ledde till produktionsförseningar och produkter med minskade mekaniska egenskaper.
I utomhusapplikationer, till exempel när det gäller byggnadsbeläggningar eller infrastrukturskydd, spelar väderförhållandena en viktig roll i härdare kompatibilitet. Regn, snö och solljus kan alla påverka härdningsprocessen och härdarens kompatibilitet med basmaterialet. Till exempel, i en byggnadsbeläggningsapplikation, om en polyuretan härdningsbaserad beläggning appliceras under en regnig period, kan fukten från regnet störa härdningsprocessen, vilket leder till en mjuk och klibbig beläggning som inte torkar ordentligt. Ett verkligt exempel kommer från ett bromålningsprojekt där en polyesterbaserad beläggning med en specifik härdare applicerades. Under applikationen regnade den kort, och den resulterande beläggningen hade ett fläckigt utseende och var inte så hållbart som förväntat på grund av att fukten ingriper från regnet.
Undervattensapplikationer utgör också unika kompatibilitetsutmaningar för härdare. När det gäller marina beläggningar eller undervattensreparationer måste härdaren vara förenlig med saltmiljön och materialen som beläggs eller repareras. I en marin beläggningsapplikation för ett fartygs skrov, till exempel, om härdaren inte är resistent mot saltvattenkorrosion, kan det leda till för tidig nedbrytning av beläggningen och en reducerad livslängd för beläggningen. En studie av Jones (2021) undersökte kompatibiliteten hos olika härdare i en saltvattenmiljö. De fann att vissa härdare hade ett mycket högre motstånd mot saltvattenkorrosion än andra, och att använda en härdare med låg saltvattenmotstånd i en marin beläggningsapplikation kan leda till en 50% minskning av beläggningens livslängd jämfört med att använda en mer resistent härdare.
Vii. Testning och utvärdering av kompatibilitet
För att säkerställa korrekt kompatibilitet hos härdare med basmaterial och i olika applikationsmiljöer finns olika testmetoder tillgängliga. En av de vanligaste metoderna är geltidstestet. I detta test framställs en liten mängd harts- och härdningsblandningen och den tid det tar för blandningen att bilda en gel mäts. Detta test hjälper till att bestämma härdarens reaktivitet med hartset och kan indikera om härdningsprocessen kommer att vara för långsam eller för snabb. Till exempel, när det gäller epoxihartser och deras härdare, om geltiden är betydligt längre än det rekommenderade värdet, kan det indikera att härdaren inte reagerar ordentligt med hartset, kanske på grund av en kompatibilitetsproblem. En studie av Kim (2019) använde geltidstestet för att utvärdera kompatibiliteten hos olika epoxihärdare med ett specifikt epoxiharts. De fann att genom att jämföra geltiderna för olika kombinationer kunde de identifiera vilka härdare som troligtvis resulterade i korrekt härdning och vilka som kan orsaka problem.
Ett annat viktigt test är den mekaniska egenskapstestningen av den härdade produkten. Detta inkluderar tester som draghållfasthet, böjhållfasthet och modul för elasticitetstestning. Genom att mäta dessa mekaniska egenskaper hos den härdade produkten kan man bedöma kvaliteten på härdningsprocessen och härdarens kompatibilitet med hartset. Till exempel, om draghållfastheten hos en botad epoxiharts-hårdare kombination är mycket lägre än väntat, kan det indikera att det fanns en kompatibilitetsproblem under härdningsprocessen. Ett verkligt exempel kommer från ett sammansatt tillverkningsföretag som använde en ny epoxihärdare. Efter att ha producerat ett parti kompositer testade de draghållfastheten hos de botade produkterna och fann att det var 20% lägre än med den tidigare härdaren de hade använt. Genom ytterligare undersökning upptäckte de att det fanns en kompatibilitetsproblem mellan den nya härdaren och epoxihartset de använde, vilket påverkade härdningsprocessen och resulterade i en produkt med lägre kvalitet.
Kemisk analys av den härdade produkten kan också ge värdefull information om kompatibilitet. Detta kan inkludera tekniker såsom Fourier transform infraröd spektroskopi (FTIR) och nukleär magnetisk resonans (NMR) spektroskopi. Dessa tekniker kan användas för att identifiera de kemiska bindningarna som bildas under härdningsprocessen och för att upptäcka eventuella oreagerade komponenter eller föroreningar. Till exempel, i fallet med en kombination av polyuretanhartare, kan FTIR-analys användas för att bekräfta att de förväntade uretanbindningarna har bildats och för att kontrollera förekomsten av oreagerade isocyanatgrupper eller föroreningar. En studie av CHEN (2020) använde FTIR- och NMR-spektroskopi för att analysera de botade produkterna från olika polyuretanharts-karaktörkombinationer. De fann att genom att använda dessa tekniker kunde de identifiera kompatibilitetsproblem som ofullständig härdning på grund av närvaron av oreagerade komponenter eller föroreningar i härdaren.
Viii. Förmildrande kompatibilitetsproblem
När kompatibilitetsproblem har identifierats finns det flera strategier som kan användas för att mildra dem. En metod är att noggrant välja lämplig härdare för basmaterialet och applikationsmiljön. Detta kräver en grundlig förståelse för de kemiska och fysiska egenskaperna hos både härdaren och basmaterialet, liksom de specifika kraven i applikationen. I en marin beläggningsapplikation bör till exempel en härdare som är resistent mot saltvattenkorrosion och har lämplig reaktivitet i en fuktig miljö väljas. Ett verkligt exempel kommer från ett företag som hade problem med hållbarheten i deras marina beläggningar. Efter att ha analyserat kompatibilitetsproblemen bytte de till en annan härdare som var specifikt utformad för marina tillämpningar och hade bättre resistens mot saltvattenkorrosion och fuktighet. Resultatet var en betydande förbättring av beläggningens livslängd och prestanda.
En annan strategi är att
