การเตรียมและการประเมินสมรรถนะของพรีเพกอีพอกซีเรซินทนอุณหภูมิสูง

1. บทนำ

  เนื่องจากเป็นเทอร์โมเซตติงเรซินที่สำคัญ อีพอกซีเรซินจึงมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดี มีความเสถียรทางเคมี มีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม และคุณสมบัติของกาว และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการเติบโตอย่างรวดเร็วของการบริโภคอีพอกซีเรซินในประเทศจีน ข้อกำหนดใหม่หลายประการได้ถูกนำเสนอสำหรับโครงสร้างอีพอกซีเรซินที่หลากหลาย ความต้องการทนต่ออุณหภูมิสูง อีพ็อกซี่ เรซินในผลิตภัณฑ์ระดับไฮเอนด์บางรายการกำลังเพิ่มขึ้น แม้ว่าอีพอกซีเรซินทนอุณหภูมิสูงบางพันธุ์ได้รับการพัฒนาทั้งในและต่างประเทศและมีการสร้างผลผลิตบางส่วน แต่ก็ยังไม่สามารถตอบสนองความต้องการการพัฒนาในปัจจุบันและอนาคตได้ ผู้ผลิตต่างประเทศรายใหญ่ของอีพอกซีเรซินชนิดพิเศษประเภทนี้ ได้แก่ Dow Chemical ของสหรัฐอเมริกา, Tokyo Chemical ของญี่ปุ่น, Mitsubishi Gas Chemical เป็นต้น เนื่องจากวัตถุประสงค์ดั้งเดิมมีจุดประสงค์เพื่อใช้ในกองทัพเป็นหลัก ต่างประเทศจึงได้บังคับใช้การปิดล้อมทางเทคนิคในระยะยาว เกี่ยวกับเทคโนโลยีการผลิตวัสดุประเภทนี้และจำกัดการส่งออก ผลผลิตของผลิตภัณฑ์ที่พัฒนาในประเทศจีนมีจำกัดและมีราคาแพงซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการการใช้งานทางแพ่งที่เติบโตอย่างรวดเร็วในปัจจุบัน [4] เพื่อตอบสนองความต้องการในประเทศสำหรับอีพอกซีเรซินที่ทนต่ออุณหภูมิสูง จึงเป็นเรื่องเร่งด่วนที่จะต้องพัฒนาอีพอกซีเรซินที่ทนต่ออุณหภูมิสูงซึ่งมีความหนืดที่เหมาะสม เทคโนโลยีการประมวลผลที่ดี ความเสถียรในการจัดเก็บผลิตภัณฑ์ที่ดีและต้นทุนปานกลาง

  ในบทความนี้ อีพอกซีเรซินมัลติฟังก์ชั่นและ อีพอกซีเรซิน E51 มีการผสมและเลือกระบบสารบ่มที่เหมาะสมเพื่อปรับปรุงการต้านทานความร้อนของอีพอกซีเรซิน ในเวลาเดียวกัน ความหนืดและคุณสมบัติที่ครอบคลุมของระบบเรซินจะถูกปรับตามอัตราส่วนเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ และปรับให้เข้ากับการผลิตพรีเพกแบบละลายร้อน พรีเพกเป็นวัตถุดิบที่สำคัญมากในการผลิต แผ่น FR4, แผ่นอีพ็อกซี่ 3240, แผ่นเบกาไลท์ และแผ่นคอตตอนฟีนอล 3026

2. การทดลอง

  ก. วัตถุดิบ เครื่องมือและอุปกรณ์

  I. วัตถุดิบ: อีพอกซีเรซินมัลติฟังก์ชั่น (A), อีพอกซีเรซินทั่วไป E51 (B), สารบ่มที่อุณหภูมิสูง (C), สารเพิ่มความแกร่ง (D), ตัวเร่ง (E)

  ครั้งที่สอง เครื่องมือและอุปกรณ์: เครื่องทดสอบจุดอ่อนตัว, KOREALABOTECH244 ‐ 1544 เครื่องทดสอบเวลาเจล, TAAR2000 รีโอมิเตอร์, TA50WS Differential Scanning Calorimeter (DSC), เครื่องทดสอบวัสดุสากล INSTRON2382, เครื่องติดกาว, เครื่องพรีเพก

  ข. การเตรียมตัวอย่างทดสอบ

  I. การเตรียมเรซิน: ให้ความร้อนและละลายอีพอกซีเรซินและสารเพิ่มความแกร่งในสัดส่วนที่กำหนด กวนจนส่วนผสมสม่ำเสมอ เย็นลงต่ำกว่า 80 ℃ เพิ่มสารบ่มและตัวเร่ง ดูดฝุ่นและขจัดฟองอากาศ และผสมให้เข้ากัน

  ครั้งที่สอง การเตรียมตัวหล่อเรซิน: เทระบบเรซินที่ระเหยแล้วลงในแม่พิมพ์ที่อุ่นไว้ในขณะที่ยังร้อน และแข็งตัวตามระบบการบ่มที่แน่นอน

  สาม. การเตรียมฟิล์มกาวร้อนละลาย: ใส่เรซินละลายลงในถังกาวของเครื่องติดกาว ถ่ายโอนเรซินไปยังกระดาษปล่อยที่เกี่ยวข้องผ่านลูกกลิ้ง จากนั้นทำให้ฟิล์มกาวที่เสร็จแล้วเย็นลงผ่านอุปกรณ์ทำความเย็นสำหรับการเคลือบฟิล์ม

  IV. การเตรียมพรีเพกคาร์บอนไฟเบอร์: ฟิล์มเรซินและคาร์บอนไฟเบอร์ที่เคลือบชั้นบนและล่างจะถูกประกอบขึ้นด้วยเครื่องจักรคอมโพสิต ฟิล์มเรซินสองชั้นและเส้นใยเสริมแรงก่อให้เกิดโครงสร้าง "แซนวิช" เรซินจะถูกแช่ลงในเส้นใยอย่างสม่ำเสมอผ่านการทำความร้อนของแผ่นร้อน และการทำความร้อนและการอัดขึ้นรูปของลูกกลิ้งทำความร้อนสี่คู่เพื่อสร้างพรีเพก

  V. การเตรียมแถบทดสอบพรีเพก: ตัดและปิดพรีเพกตามมาตรฐานการทดสอบ แข็งตัวและขึ้นรูปตามระบบการบ่ม จากนั้นจึงตัดเป็นแผ่นทดสอบมาตรฐาน

3 ผลลัพธ์และการอภิปราย

ก. การเตรียมสูตรเรซิน

  ตามความต้องการทนความร้อนของเรซิน อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว TgDSC ของระบบเรซินถูกกำหนดไว้ที่ ≥ 190 ℃ ในเวลาเดียวกัน เรซินควรจะเหมาะสำหรับการผลิตพรีเพกที่ละลายด้วยความร้อน เรซินควรกึ่งแข็งที่อุณหภูมิห้อง ไม่ติดมือ ไม่ติดกระดาษ และระยะเวลาเจลเรซินควรเหมาะสม จากประสบการณ์ในการผลิต จุดอ่อนตัวของเรซินถูกกำหนดไว้ที่ 35~45 ℃ และเวลาเจลที่ 170 ℃ ถูกกำหนดไว้ที่ 20~30 นาที

  ประการแรก ผสมอีพอกซีเรซินมัลติฟังก์ชั่น (A) และสารทำให้แกร่ง (D) ในอัตราส่วน 100/10 และเติมสารบ่มที่อุณหภูมิสูง (C) จำนวนหนึ่ง โดยไม่ต้องเติมอีพอกซีเรซินทั่วไป E51 (B) และ คันเร่ง (E) จากนั้นตรวจสอบประสิทธิภาพของระบบเรซิน จากการวิเคราะห์สูตร 1 #~4 # ในตารางที่ 1 เมื่อปริมาณสารบ่มที่อุณหภูมิสูง (C) เพิ่มขึ้นทีละน้อย Tg ของระบบเรซินมีแนวโน้มสูงขึ้น แต่ความต้านทานแรงดึงจะค่อยๆ ลดลง เวลาเจล จุดอ่อนตัว และ Tg ของสูตร 2 #~4 # สามารถตอบสนองความต้องการได้

ตารางที่ 1 สัดส่วนและคุณสมบัติของเรซินต่างๆ

  เพื่อปรับความต้านทานแรงดึงของเรซินโดยไม่ทำลายคุณสมบัติทางความร้อนของเรซิน จำเป็นต้องลดปริมาณสารบ่มที่อุณหภูมิสูง (C) และเพิ่มตัวเร่ง (E) ในสัดส่วนที่แน่นอน ในทางกลับกัน ปริมาณของสารบ่มที่เติมเข้าไปนั้นมีมาก และปริมาณของสารเร่งที่เติมเข้าไปนั้นมีน้อย การผสมที่ไม่สม่ำเสมอในการผลิตจริงทำให้เกิดการระเบิดของเรซินได้ง่าย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับกระบวนการผสมเรซิน ขั้นแรก ให้ใช้อีพอกซีเรซินทั่วไป E51 (B) เพื่อบดสารบ่มที่อุณหภูมิสูง (C) และตัวเร่ง (E) จากนั้นจึงเติมส่วนผสมลงในเรซินหลังจากอีพอกซีเรซินอเนกประสงค์ (A) และเครื่องทำให้แข็ง (D) ) ถูกหลอมรวมกันเป็นสัดส่วน

  จะเห็นได้จากสูตร 5 ในตารางที่ 1 ว่าเวลาเจลสั้นกว่าสูตร 1 อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเพิ่มตัวเร่งความเร็ว (E) เมื่อเรซินไปถึงเจล การเชื่อมขวางแบบเครือข่ายโมเลกุลจะเร่งขึ้น และเรซินจะเปลี่ยนจากสถานะการไหลแบบหนืดเป็นสถานะแก้วอย่างรวดเร็ว เนื่องจากการเติมสารเพิ่มความแกร่งในเรซินนี้ ความหนืดของเรซินจึงมีมาก ความลื่นไหลของเรซินไม่ดี และอากาศระบายออกได้ยาก หากเวลาเจลเร็วเกินไป และฟองเรซินยังระบายออกมาไม่หมด เรซินนั้นจะกลายเป็นเจล ซึ่งจะทำให้เกิดข้อบกพร่อง เช่น การยึดเกาะที่อ่อนแอระหว่างเรซินและเส้นใย โพรง ฯลฯ ซึ่งไม่เอื้อต่อการดำเนินการในภายหลังของ ผลิตภัณฑ์และการปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุคอมโพสิต ดังนั้นจึงต้องลดปริมาณสารช่วยบ่มลง ตารางที่ 1 ความต้านทานแรงดึงของสูตร 6 และสูตร 7 สูงกว่าสูตร 4 อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเติมสารบ่มที่อุณหภูมิสูง (C) - ระบบเร่ง (E) บดด้วยอีพอกซีเรซินทั่วไป E51 (B) อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีอีพอกซีเรซิน E51 (B) ทั่วไปจำนวนมากในสูตร 6 ซึ่งส่งผลต่ออุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว Tg ของระบบ ในที่สุดสูตร 7 ก็ได้รับเลือกเป็นสูตรเรซิน

  ข. คุณสมบัติทางรีโอโลจีของเรซิน

  เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของกระบวนการผลิตพรีเพกแบบหลอมร้อน จึงได้ทำการทดสอบคุณสมบัติรีโอโลจีของเรซินสูตร 7 ที่อุณหภูมิต่างๆ และผลลัพธ์แสดงไว้ในตารางที่ 2 ดูได้จากตารางที่ 2 ว่าความหนืดของเรซินเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ ดังนั้นในกระบวนการเตรียมฟิล์มเรซินจึงสามารถปรับความหนืดของเรซินได้โดยการควบคุมอุณหภูมิให้ตรงตามข้อกำหนดกระบวนการในการเตรียมฟิล์มเรซิน

ตารางที่ 2 ความหนืดของเรซินที่อุณหภูมิต่างๆ

  ในระหว่างกระบวนการเคลือบ ความหนืดและอุณหภูมิจะส่งผลต่อความหนาและคุณภาพของฟิล์มกาว ตัวอย่างเช่น เมื่อความหนืดสูงเกินไป ความลื่นไหลไม่ดี ซึ่งไม่เอื้อต่อการก่อตัวของฟิล์มเรซินที่ดี เมื่อความหนืดต่ำเกินไป ก็จะสูญเสียได้ง่าย สาเหตุหลักคือมีการเติมสารบ่มในระบบอีพอกซีเรซิน และเรซินได้รับความร้อนเป็นเวลานานในระหว่างการเตรียมฟิล์ม เมื่ออุณหภูมิสูงเกินไป โมเลกุลขนาดใหญ่และส่วนของสายโซ่อาจเกิดการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ซึ่งจะส่งผลต่ออายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป ดังนั้นในการเตรียมฟิล์มกาว อุณหภูมิควรต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ภายใต้เงื่อนไขที่ตรงตามข้อกำหนดของกระบวนการ จากตารางที่ 2 จะเห็นได้ว่าความหนืดของเรซินที่ 60 ℃ มีขนาดใหญ่ ซึ่งส่งผลต่อความเสถียรของการเตรียมฟิล์ม ดังนั้นจึงเลือก 70 ℃ เป็นอุณหภูมิฟิล์ม

 ค. การกำหนดระบบการบ่ม

  ระบบการบ่มที่สมบูรณ์แบบสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ได้ มิฉะนั้นจะไม่เพียงส่งผลต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์เท่านั้น แต่ยังนำมาซึ่งปัญหากระบวนการต่างๆ อีกด้วย ระบบการบ่มสามารถกำหนดได้โดยการทดลอง DSC แบบไม่ไอโซเทอร์มอล ที่อัตราการทำความร้อนที่แตกต่างกัน 5~25 ℃/นาที ระบบเรซินจะมีอุณหภูมิปฏิกิริยาเริ่มต้น (Ti) อุณหภูมิปฏิกิริยาสูงสุด (Tp) และอุณหภูมิปฏิกิริยาสิ้นสุด (Tf) ที่สอดคล้องกัน (ตารางที่ 3) อุณหภูมิเริ่มต้นของปฏิกิริยา (Ti) อุณหภูมิสูงสุดของปฏิกิริยา (Tp) และอุณหภูมิสิ้นสุดของปฏิกิริยา (Tf) ที่อัตราการให้ความร้อน 0 สามารถรับได้ตามสมการเชิงเส้นตรงของทั้งสาม

ตารางที่ 3 Ti, Tp และ Tf ที่อัตราการทำความร้อนที่แตกต่างกัน

ง. การประเมินความต้านทานความร้อน

  โดยทั่วไปความต้านทานความร้อนของระบบเรซินจะถูกประเมินโดยอุณหภูมิการเปลี่ยนรูปเนื่องจากความร้อน อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว และอุณหภูมิการสลายตัวของการสูญเสียน้ำหนักเนื่องจากความร้อนของวัสดุ อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว Tg คืออุณหภูมิของวัสดุตั้งแต่สถานะแก้วไปจนถึงสถานะยืดหยุ่นสูง ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญในการกำหนดอุณหภูมิการให้บริการของวัสดุ อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วในกราฟ DSC คือ 203 ℃

จ. การประเมินคุณสมบัติทางกลของเรซินและวัสดุผสม

  ตารางที่ 4 แสดงข้อมูลคุณสมบัติแรงดึงและการดัดงอของเรซินที่บ่มแล้ว ตารางที่ 5 แสดงข้อมูลคุณสมบัติเชิงกลของลามิเนตพรีเพกคาร์บอนไฟเบอร์แบบทิศทางเดียว จากข้อมูลในตารางที่ 4 คุณสมบัติทางกลของระบบเรซินและพรีเพกคาร์บอนไฟเบอร์สามารถตอบสนองความต้องการด้านมูลค่าเป้าหมายได้

ตารางที่ 4 สมบัติทางกลของตัวหล่อเรซิน

ตารางที่ 5 สมบัติทางกลของพรีเพกลามิเนตคาร์บอนไฟเบอร์แบบทิศทางเดียว

4 ข้อสรุป

  ในบทความนี้จะใช้อีพอกซีเรซินแบบมัลติฟังก์ชั่นและทั่วไป อีพอกซีเรซิน E51 ถูกผสมและเลือกระบบเร่งสารเร่งการบ่มที่เหมาะสมเพื่อพัฒนาอีพอกซีเรซินพรีเพกที่ทนต่ออุณหภูมิสูง และทดสอบคุณสมบัติของเรซินและคอมโพสิต

  ก. อีพอกซีเรซินอเนกประสงค์มีประโยชน์ต่อการปรับปรุงการทนความร้อนของระบบ เมื่ออัตราส่วนมวลของระบบ (A/B/C/D/E) เท่ากับ 75/15/25/15/0.3 จะมีความต้านทานความร้อนได้ดีเยี่ยม และสามารถตอบสนองความต้องการของการผลิตพรีเพกแบบหลอมร้อนได้

  ข. เส้นโค้ง DSC ของระบบเรซินที่อัตราการให้ความร้อนที่แตกต่างกันได้รับการทดสอบโดยการทดลอง DSC ระบบการบ่มที่เหมาะสมที่สุดของระบบเรซินคือ 160 ℃/1h+180 ℃/3h โดยการติดตั้งเชิงเส้นตรง

  ค. ระบบเรซินมีความต้านทานความร้อนได้ดีเยี่ยม และ Tg ที่วัดโดย DSC คือ 203 ℃

  ง. คุณสมบัติทางกลของระบบเรซินและพรีเพกคาร์บอนไฟเบอร์เป็นไปตามข้อกำหนดด้านมูลค่าเป้าหมาย