Реакција и стврднување на смоли за лагер за цевки; UNITRACC - Обука за подземна инфраструктура и
Слика 1: Електромагнетниот спектар [1] [Извор: SBKS GmbH & Co. KG]
1. Основи на полимеризација
со кои можеме да се бориме денес.
(Сидни Харис, американски научен карикатурист)
1.1. Видови на полимеризација
Од хемиска гледна точка, пластиката е молекуларна соединенија со долг ланец (полимери). Овие произлегуваат од навојувањето заедно (полимеризација) на одделни молекуларни компоненти (мономери). Се прави разлика помеѓу реакција на чекор во раст (полиадиција, поликондензација) и реакција на верижен раст (радикална, катјонска и анјонска полимеризација).
За време на полиадицијата, реактивните молекули со различна функционалност се поврзани едни со други, што доведува до прогресивен раст во фази. Типични примери се реакциите помеѓу изоцијаните и алкохолите (полиуретан) или епоксиди и амини (епоксидна смола).
И во поликондензација, полимерниот ланец расте во фази со поврзување на реактивни мономери со различни функционалности - но со ослободување на производ за расцепување со краток ланец (на пример, вода, амонијак или јаглерод диоксид). Примери се реакциите помеѓу карбоксилните киселини и алкохолите (полиестери) или карбоксилните киселини и амини (полиамиди).
Во двата случаи, растот на чекорот не завршува се додека двата типа на мономери не се распаднат целосно.
Во (синџир) полимеризација, од друга страна, постои само еден реактивен тип на молекула како мономер, главно незаситени мономери. Реакцијата се активира со распаѓање на иницијатор (Равенка 3) и реакција со мономер (Еквил. 4). Растот на ланецот се јавува на радикален, анјонски или катјонски начин преку повторено додавање на мономери во реактивните видови (Екви. 5). Типични претставници се полиолефини формирани од алкени (на пр. Полиетилен). Растот на ланецот завршува неповратно преку рекомбинацијата (Еквил. 6) или диспропорција (Подел. 7) на два реактивни вида (завршување на ланец).
1.2. Вкрстено поврзување на незаситени полиестери со стирен
Незаситените полиестери произлегуваат од поликондензацијата помеѓу незаситени карбоксилни киселини или анхидриди на карбоксилна киселина со алкохоли со ослободување на вода. Линеарните полимери се раствораат во реактивни разредувачи (на пр. Стирен) и се обработуваат во течна состојба (импрегнација). Додавањето на инхибитори се користи за стабилност на складирање, додавање на иницијатори и/или забрзувачи ја активира радикалната вкрстена врска (полимеризација) на незаситен полиестер и стирен за формирање на цврста, терморегулациона пластика кога се снабдува енергија (топлина и/или УВ светлина).
1.3. Иницијатори
Како иницијатори, обично се користат нестабилни молекули на фото или топлина, како што се пероксиди, азо или азински соединенија. Типични пероксидични иницијатори се дибензоил пероксид (DBPO), метил етил кетон пексоид (MEKP) или ди-терт-бутил пероксид (DTBP). На дефинирана бранова должина или под влијание на топлина, овие се распаѓаат во радикали (Екви. 8) и со тоа започнуваат радикална полимеризација.
2. Електромагнетно зрачење
и само мал дел на рефлектирачките планети.
(Ралф Валдо Емерсон, американски филозоф)
2.1. Основи
Електромагнетното зрачење се опишува со фреквенција ν [Hz] или бранова должина λ [m], што се одредува според брзината на светлината c (2,99 · 10 8 m/s) според Eq. 9 се пропорционално поврзани едни со други.
Електромагнетниот спектар се протега во опсег на бранова должина од неколку фемтометри (10 -15 м, на пр. Космичко зрачење) до повеќе од километри (10 3 м, на пример, среден бран). Брановите должини важни за фотосензитивни смоли (УВ, ВИС, ИР) се во опсегот на нанометар (10 -9 м).
Електромагнетни бранови (светлина) не само што претставуваат фотони (= бранови), туку и честички (= честички). Ова има последица дека светлината го следи дуализмот на брановите-честички. Енергијата Е на светлината се пресметува линеарно од Планковиот квантум на дејство h (6,63 · 10 -34 J · s) и фреквенцијата ν (Eq. 10). Ова доведува до реципрочна врска помеѓу енергијата Е и брановата должина λ (Ек. 11).
Ова значи дека енергијата Е на светлината се зголемува со зголемување на фреквенцијата ν или намалување на брановата должина λ. Енергијата Е се користи за поделба на фотоинцијаторот.
2.2. Длабочина на пенетрација
Сепак, прогресивното движење на светлината е можно само без ограничување во простор без воздух (вакуум). Ако електромагнетски зрак погоди медиум, светлината се апсорбира преку пренесување на енергија до материјата. Законот Ламберт-Пиво го опишува изумирањето Eλ (апсорпција) на одредена бранова должина како функција на материјалниот специфичен коефициент на истребување ελ (коефициент на апсорпција), концентрацијата c и дебелината на слојот d (Eq. 12). Од ова, длабочината на пенетрација d (дебелина на слојот) во материјалот може да се пресмета за дефинирани материјали (Eq. 13).
Ова води до заклучок дека апсорпцијата се зголемува пропорционално долж патеката и преносот соодветно се намалува. Мерењето на УВ-преносот на PE/PA филм со специфични бранови должини (340 и 370 nm) за УВ лекување ја покажува линеарната врска. Филм со дебелина од 200 µm апсорбира 40-45% од светлината.
Слика 2: Пренос на брановите должини 340 и 370 nm во зависност од дебелината на филмот PE/PA [извор: SBKS GmbH & Co. KG]
Исто така, постои зависност на длабочината на пенетрација од брановата должина (или фреквенцијата) на светлината. Зрачењето со краток бран, како што е УВ-светлината, има само екстремно мала длабочина на продирање во споредба со подолготрајната, видлива или инфрацрвена светлина.
Слика 3: Длабочина на пенетрација како функција на брановата должина [2] [Извор: SBKS GmbH & Co. KG]
Како резултат, иницијаторите содржани во UP смолата се активираат само во првите „слоеви“ со УВ-светлина. Над преостанатата дебелина на слојот, молекулите се разделуваат со помош на топлина генерирана од реакцијата (егзотермична) или со подолг бран инфрацрвено топлинско зрачење со поголема длабочина на продирање.
2.3. ЛЕД наспроти светилка за пареа од жива
Изворите на светлина се карактеризираат со специфични спектри на емисии, кои го опишуваат интензитетот како функција на брановата должина. Светилките од жива имаат спектар на емисии што содржи УВ, ВИС и ИР компоненти и со тоа доведуваат до> 50% емисија на топлина. LED диодите, од друга страна, по можност емитуваат специфични бранови должини во УВ опсегот (на пример, 365 или 395 nm) без никакви IR компоненти и, соодветно, не испуштаат никаква топлина, што исто така доведува до помала потрошувачка на енергија. [3, стр. 11 г.], [4]
Слика 4: Спектар на жива пареа со интензитет на лакови од жива и УВ-ЛЕР [5] [Извор: SBKS GmbH & Co. KG]
Овој имот значи дека LED диодите доведуваат до расцепување на УВ иницијаторите само во првите слоеви на смола, но немаат никакво влијание врз целата дебелина на слојот. Од друга страна, ламбите за пареа на жива имаат предност од поширок спектар на емисии, што доведува до поволно загревање на материјалот со IR зрачење.
2.4. Диелектрична анализа (ДЕА)
Постојат неколку методи за одредување на степенот на стврднување на терморегулациониот материјал, како што се DSC, DMA, оптички методи или диелектрична анализа (DEA). Иако DSC и DMA се широко користени методи, тие не се користат за контрола на лекување на самото место. Оптичките методи ретко се користат за време на лекувањето поради малата промена на оптичките својства. Затоа диелектричните мерења често се користат за квалитативно одредување на степенот на лекување на терморегуларни композити. [5]
Диелектричната анализа (ДЕА) овозможува истражување на однесувањето на лекување на реактивни, терморегулациони смолни системи, композитни материјали, лепила или дури и бои. За таа цел, однесувањето на полимерите, кои претставуваат диелектрик, се забележува во наизменично електрично поле (Слика 5).
Слика 5: Однесување на диполи и јони во електрично поле [4] [Извор: SBKS GmbH & Co. KG]
Кога се применува наизменичен напон, се јавува молекуларно движење, бидејќи поларните честички во рамките на материјалот го прилагодуваат своето движење на оваа напнатост. Генерираното молекуларно движење и осцилација доведува до придушување и фазно поместување на применетиот наизменичен напон (Слика 6).
Слика 6: Сигнал за возбуда и одговор од мерење на ДЕА [4] [Извор: SBKS GmbH & Co. KG]
Големината на движењето и осцилацијата предизвикана од напнатоста, а со тоа и фазното поместување и амортизацијата, скоро исклучиво се должи на степенот на лекување на полимерот.
Слика 7: 3Д микроскопска слика на ДЕА сензори [извор: SBKS GmbH & Co. KG]
Во пракса, во смолата се вметнува сензор за DEA (IDEX сензор од Netzsch Gerätebau, Selb). Овој сензор останува во смолестиот систем за да се мери за време на процесот на стврднување (и секако после тоа исто така!). Како што напредува полимеризацијата, јонската подвижност сега постепено ќе се намалува, што овозможува да се даде изјава за напредокот на лекувањето. Лесно е да се види дека полимеризацијата што е иницирана термички или со зрачење (УВ) првично покажува пад на јонскиот вискозитет (Слика 9). Ова е предизвикано од егзотермната реакција на системот и во основа се однесува аналогно на однесувањето на вискозитетот на течностите. Како што напредува полимеризацијата, материјалот сè повеќе се стврднува и на тој начин ја попречува слободата на движење на јони или диполи. Овој ефект доведува до зголемување на јонската вискозност и приближување кон крајната вредност. Откако ќе се види скоро постојана вредност, може да се претпостави дека материјалот е излечен што е можно поцелосно и дека полимеризацијата завршила. [6]
Слика 8: Микроскопска слика на сензор DEA (IDEX) [извор: SBKS GmbH & Co. KG]
Ефектот на последователното термичко лекување може да се докаже со соодветни аналитички методи, при што диелектричната анализа (ДЕА) е метод на избор овде. Сензор поставен од надворешната страна на УВ лагер во практичен тест користи индуцирано електрично поле за да се одреди протокот на јони пред, за време и по изложеност на УВ ламба (зелена лента).
Слика 9: Одредување на јонскиот вискозитет од надворешната страна на облогата со диелектрична анализа (ДЕА) [извор: SBKS GmbH & Co. KG]
Краткорочното зрачење („поминување на УВ ламбата“) може да се препознае од добиените врвови на приближно 100 минути. Брзиот пораст на температурата, предизвикан од ослободената енергија на реакција и инфрацрвеното зрачење, само предизвикува кратко намалување на јонскиот вискозитет. Последователно, по завршувањето на зрачењето од точка до точка, произведената енергија последователно води кон вкрстено поврзување и со тоа до зголемување на јонскиот вискозитет во однос на технологијата на мерење.
3. Калење на кислород
само упорност.
(Катерина од Сиена, италијанска мистика, осветена Богородица и доктор на црквата)
Слика 10: Смрт на фотоинцијаторот преку гаснење на кислород [7] [извор: SBKS GmbH & Co. KG]
Покрај насочениот избор на извор на зрачење за целосно лекување, кислородот од воздухот дифузен во смола резултира и со друг фактор што може да ја инхибира реакцијата. Во таканаречената состојба на тројка возбудена од УВ-светлината, активираниот фото-иницијатор (PI * T1) може да реагира не само со мономерот, туку и со молекуларниот кислород (O2). Како резултат на „реакција на кафез“, иницијаторот не е во можност да ја придвижи реакцијата на полимеризација напред.
Згаснувањето на кислородот предизвикува инхибирано и нецелосно стврднување на смолата. Прекинувањето на синџирот (диспропорција, рекомбинација) целосно го „троши“ иницијаторот за слика и ја прави смолата целосно неупотреблива. Со помош на таканаречените чистачи, кислородот може да се поврзе со пероксидација и гаснењето може делумно да се спречи.
библиографија
[1] „Википедија: електромагнетски спектар“. [Он-лајн]. Достапно на: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetisches_Spektrum. [Пристапено на 20 февруари 2020 година].
[2] Е. Руџиеро, С. Алонсо-де Кастро, А. Хабтемариам и Л. Саласа, „Конвертирање на наночестички за блиска инфрацрвена фотоактивација на комплекси од транзициски метали: нови можности и предизвици во медицинската неорганска фотохемија“, Далтон Транс., Том 45, број 33, стр. 13012-13020, 2016 година, дои: 10.1039/C6DT01428C.
[3] J. P. Fouassier и J. Lalevée, Фото иницијатори за полимерна синтеза: Опсег, реактивност и ефикасност. Сомерсет: Вајли, 2013 година.
[4] С.Кнапе, „Следење вкрстено поврзување: Оптимизирано лекување на боја преку диелектрична и кинетичка анализа“, боја и лакови, стр. 18–22.
[5] „УВ-лед лекување - подготвено за почетно време?“ [Он-лајн]. Достапно на: https://imieurope.com/inkjet-blog/2016/11/10/uv-led-curing- подготвени-for-primetime. [Пристапено на 20 февруари 2020 година].
[6] Ц. Шлиесл, „Термичка анализа - можности за испитување на забни пластики“, Дисертација, Универзитет во Регенсбург, 2009 г.
[7] Ц. Декер, „Кинетичка студија и нови апликации на лекување со УВ зрачење“, Макромол. Рапид комун., Том 23, број 18, стр. 1067-1093, декември 2002 година, дои: 10.1002/март.200290014.