Effect on the reactive diluent PGE on the cure kinetics of an epoxy resin used in structural composites

Quimica nova

Costa, Michelle Leali¹  Rezende, Mirabel Cerqueira¹  Pardini, Luiz Claudio¹ 

[1] Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos

关键词: kinetic of cure;    epoxy resin;    reactive diluent.  ;     ;    INTRODUÇÃO Atualmente;    a diversidade de materiais disponíveis para uso em engenharia é extraordinariamente grande;    atendendo às mais diversas aplicações do mercado. Dentro desse contexto;    os compósitos apresentam-se como um caso de reconhecido interesse em materiais de engenharia não convencionais1. Os compósitos poliméricos estruturais têm como características a alta resistência (>;    800 MPa);    o alto módulo de elasticidade (>;    50 GPa) e a baixa massa específica (~2 g/cm3)2;    3. Esses materiais são obtidos utilizando-se como matéria¾prima básica pré-impregnados;    que são constituídos basicamente de fibras de reforço aglutinadas em orientações pré-determinadas por uma matriz polimérica. Os pré-impregnados são;    por sua vez;    moldados em autoclave na conformação de elementos estruturais 4-6. É;    portanto;    de fundamental importância um controle adequado dos parâmetros de processamento do pré-impregnado;    de modo que a peça obtida atenda aos requisitos de qualidade aeronáutica. A tecnologia de fabricação de pré-impregnados é controlada por poucas empresas fornecedoras da indústria aeronáutica;    que manipulam as formulações do sistema de resina de modo que estas atendem necessidades específicas em termos de propriedades mecânicas do compósito final. O objetivo do presente trabalho;    levando-se em consideração o exposto;    é estudar a cinética de cura de uma resina epóxi formulada com diferentes porcentagens de diluente reativo fenilglicidiléter (PGE);    via calorimetria diferencial de varredura (DSC);    cujos parâmetros vão auxiliar tanto no processamento de pré-impregnados;    quanto na moldagem final de compósitos de uso aeronáutico. Na área de compósitos estruturais;    a técnica de DSC é uma das mais utilizadas para a determinação de temperaturas de transição vítrea;    ponto de fusão;    etc.;    bem como no estudo da cinética de polimerização da matriz impregnante das fibras de reforço. Este ponto é fundamental no processamento de pré-impregnados;    pois é a cinética de cura que vai delinear o ciclo de cura a ser utilizado;    ou seja;    qual o perfil de temperatura que deve ser aplicado na fabricação do compósito. Existem dois métodos de análise térmica por DSC que permitem o estudo da cinética de cura: os métodos dinâmicos e os métodos isotérmicos7;    8. Utilizando-se o método isotérmico é possível identificar dois tipos de reação: o de ordem n e o de ordem autocatalítica9. Se o pico máximo da isoterma estiver próximo a t = 0;    o sistema obedece a uma cinética de ordem n e pode ser estudado pelo método dinâmico ou pelo método isotérmico. Caso o pico máximo se forme entre 30 e 40% do tempo total da análise;    k é a constante de velocidade e a é o grau de conversão em um dado tempo t. Aplicando-se logarítmos e graficando ln(da/dt) versus ln(1-a);    obtem-se uma reta cuja inclinação representa o valor de n e a interseção com o eixo x o valor de ln k. Os dois parâmetros da/dt e a necessários para os cálculos são obtidos das isotermas de DSC. A taxa de reação é obtida pela divisão do termo dH/dT (calor de reação);    a uma temperatura T;    dividindo-se DHp pelo calor total da reação isotérmica;    DHiso;    com um mínimo de três isotermas é possível construir um gráfico de Arrhenius;    de onde obtêm-se os parâmetros cinéticos E (energia de ativação) da inclinação da reta;    e A (fator pré-exponencial) da interseção com o eixo x.  ;    PARTE EXPERIMENTAL Materiais Resina base A resina epóxi utilizada é a baseada em éter diglicidílico do bisfenol-A (DGEBA);    cujo nome comercial é D.E.R. 331;    da Dow Produtos Químicos Ltda13;    mostrada na Figura 1. ;    Agente de cura O agente de cura utilizado é o difenil diamino sulfona (DDS);    cujo nome comercial é HT 976;    da Ciba Geigy Química S/A. O DDS é um agente de cura em pó;    de cor rósea;    do tipo amina aromática;    que deve ser fundido para sua utilização. A Tabela 1 lista as principais características físicas deste agente de cura. A Figura 2 mostra a sua fórmula química estrutural. ;    Diluente reativo O diluente reativo utilizado é o PGE;    trata-se de uma resina epóxi alifática de poliglicol. Este diluente quando combinado com resinas convencionais confere flexibilidade;    alongamento e melhor resistência ao impacto ao polímero curado. O seu nome comercial é D.E.R.732;    da Dow Produtos Químicos Ltda e a sua fórmula química estrutural está representada na Figura 3. ;    Preparação das formulações As formulações estudadas foram preparadas em um becker. À resina DGEBA foi adicionado o agente de cura;    endurecedor;    em quantidade estequiométrica;    em relação à massa correspondente de resina. Em seguida;    foram preparadas as formulações de resina/agente de cura aditadas com as proporções de diluente a 2;    5;    5;    0;    10 e 20% em relação à massa total da formulação. As formulações foram;    então;    aquecidas à temperatura de fusão do endurecedor sob agitação manual;    por aproximadamente 10 minutos;    sendo em seguida resfriadas em um banho de gelo por igual intervalo de tempo. Assim;    foram obtidas cinco formulações: - DGEBA(100)/DDS(30) (peso/peso (p/p));    - DGEBA/DDS/PGE 2;    5%;    denominada de maneira simplificada de PGE 2;    5%;    - DGEBA/DDS/PGE 5;    0% ou PGE 5%;    - DGEBA/DDS/PGE 10% ou PGE 10%;    - DGEBA/DDS/PGE 20% ou PGE 20%. Caracterização Para os ensaios foi utilizado o analisador térmico Perkin-Elmer-7 Series Thermal Analysis System;    previamente calibrado com índio;    sob fluxo constante de nitrogênio (100 mL/min) e taxa de aquecimento de 10oC/min. O peso das amostras variou de 10 a 15 mg de modo a não provocar o vazamento das mesmas durante a análise permitindo;    assim;    a obtenção de dados reprodutíveis. Foram utilizados porta-amostras de alumínio do tipo selado. Para cada formulação foram realizadas varreduras dinâmicas (Tabela 2);    a partir das quais foi obtido o calor total da reação DH0 e estabelecidas as temperaturas isotérmicas para o estudo da cinética de cada sistema. A varredura isotérmica forneceu o valor do calor parcial da reação;    DHp. ;    O programa computacional Isothermal Kinetics existente no módulo central do equipamento Perkin Elmer;    permite a determinação de variáveis relacionadas com a cinética de cura de cada formulação. Este programa computacional também possibilita obter a ordem de reação que melhor se adapta ao sistema em estudo14 .  ;    RESULTADOS E DISCUSSÃO;   

DOI  :  10.1590/S0100-40422000000300008

学科分类：化学（综合）

来源: Sociedade Brasileira de Quimica

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