Reologie – tvrzení akrylátových lepidel

Zásadní otázkou v oblasti lepidel je časování, tzv. timing. Ať už se jedná o dobu zpracovatelnosti, schnutí, vytvrzení, lepení nebo maximální pevnost. Reometr je základním nástrojem pro charakterizaci nejen pro nevytvrzená lepidla, ale hlavně pro vytvrzovací proces samotný.

Úvod

Limitem pro reologické metody zůstával fakt, že reometr nám poskytoval informace pouze o tom, CO se děje během vytvrzování, ale ne JAK. Ideálním řešením je v tomto případě FTIR spektroskopie, metoda, která je schopna identifikovat a kvantifikovat různé chemické skupiny v materiálu. Nevýhodou zkoušek na dvou oddělených zařízeních je potřeba přípravy dvou identických vzorků pro dva různé procesy, stejně jako nemožnost získání souboru dat za stejných podmínek měření. Tyto problémy řeší modul Rheonaut, kombinace teplotně řízeného modulu pro HAAKE MARS reometr a ATR cely s vlastním IR detektorem. S tímto modulem může být HAAKE MARS kombinován s FTIR spektrometrem. Pouze v této kombinaci je možné zachytit mechanické změny vytvrzování lepidel a zároveň pozorovat chemické změny uvnitř vzorku pomocí IR spekter.

Experiment 

Jako vzorek bylo vybráno 2-komponentní akrylátové lepidlo. Vzorek byl měřen okamžitě po smíchání dvou složek, neboť k největším změnám dochází v prvních momentech vytvrzování. Z toho důvodu je také potřeba optimalizovat pracovní postup. Pro zjištění viskoelastických vlastností je užita metoda oscilace. Čerstvě připravené lepidlo je viskózní, modul G‘‘ převyšuje G‘ s fázovým posunem 70°. Reakce probíhá velmi rychle, po 3,2 min se moduly kříží a od tohoto místa nastává gelace, lepidlo vykazuje elastické chování. Po 10 min je fázový posun hodnoty 3° a elastická složka se stává konstantní, lepidlo dosahuje své finální síle.

Simultánně s reologickými daty získáváme také FTIR spektra. Spektra ukazují několik charakteristických signálů, které lze korelují proces chemické reakce. Například signál při 1637 cm ^-1 odpovídá vazbě C=C akrylátového monomeru. S časem se jeho hodnota snižuje z důvodu účasti těchto vazeb při chemické reakci vytvrzování. Signál při 1241 cm ^-1 odpovídá O=C-O-C esterové vazbě u akrylátového polymeru vzniklého během vytvrzování.

Pomocí softwaru Thermo Scientific OMNIC je možné tyto spektra zobrazit v 3D grafu. Kombinací reologických dat se spektroskopickými profily jsme schopni porozumět JAK probíhá proces vytvrzování. Počáteční nárůst G modulů odpovídá poklesu množství monomerů. Jakmile dosáhne po 10 min elastický modul své horní hranice, dochází ke zpomalení úbytku monomeru z důvodu snížené mobility v tuhnoucím lepidle. Nárůst esterových vazeb v polymeru je také zpomalen, ale přesto je stále 2x rychlejší než úbytek monomeru. To značí, že intramolekulární procesy jsou více důležité pro konečnou fázi vytvrzování v porovnání s reakcemi monomerů v počáteční fázi.

Závěr 

Oscilační časová závislost je vhodnou metodou k charakterizaci vytvrzování lepidel. Ukazuje přechod z tekuté do elastické formy materiálu. Výsledky reologického měření poskytují informace pro dávkování a aplikační vlastnosti, stejně jako dobu zpracovatelnosti, rychlost vytvrzování nebo čas potřebný k dosažení maximální síly vazeb. Použitím modulu Rheonaut může být reometr HAAKE MARS připojen k FTIR spektrometru pro simultánní záznam změn na molekulární úrovni během vytvrzování. Kombinace těchto dvou metod nezvyšuje pouze kvalitu získaných dat, ale také časovou a provozní efektivitu.