Κατασκευή πολυμερικών πλακών με τη μέθοδο ενσωμάτωσης ηλεκτρικών θερμαντικών στοιχείων και τοπογραφική μελέτη της κατανομής της θερμοκρασίας καθώς και θερμική ανάλυση δοκιμίων από την πολυμερική πλάκα

• Κύριος συγγραφέας: Hoxha, Dorela
• Άλλοι συγγραφείς: Χότζα, Ντορέλα
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Μέθοδος πολυμερισμού; Ενσωματωμένα ηλεκτρικά στοιχεία; Θερμική ανάλυση; Φαινόμενο Joule; Curing method; Integrated electric elements; Thermal behavior; Joule effect

Οι εποξειδικές ρητίνες είναι θερμοσκληρυνόμενα συνθετικά πολυμερή. Κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης, ανάλογα με τη σύνθεσή τους, αντιδρούν με μια χημικά ενεργή ένωση, όπως ένας καταλύτης ή ένας παράγοντας σκλήρυνσης, οδηγώντας στο σχηματισμό ενός δικτύου σταυροδεσμών. Οι σταυροδεσμοί εισάγουν περιορισμούς στις μοριακές κινήσεις, αλλάζοντας έτσι τη φύση της εποξειδικής ρητίνης από αυτήν του ιξώδους υγρού σε ένα σκληρό και δύσκαμπτο στερεό με υψηλή αντοχή, δυσκαμψία και πρόσφυση. Η σκλήρυνση μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε σε θερμοκρασία δωματίου είτε σε υψηλότερη θερμοκρασία με την εφαρμογή θερμότητας από εξωτερική πηγή ή άλλων εξωτερικών πηγών ενέργειας, όπως η υπεριώδης ακτινοβολία ή η ακτινοβολία δέσμης ηλεκτρονίων. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα των εποξειδικών ρητινών είναι η πολύ καλή χημική αντοχή, η εύκολη επεξεργασία, η καλή πρόσφυση, η υψηλή μηχανική αντοχή, το εξαιρετικό ιξώδες και ο χαμηλός βαθμός συρρίκνωσης. Οι βασικές τους ιδιότητες μπορούν να τροποποιηθούν ανάλογα με τις απαιτήσεις της συγκεκριμένης εφαρμογής (ανάμιξη με ένα πρόσθετο της επιλογής μας, χρήση τροποποιητών κ.λπ.), με αποτέλεσμα να υπάρχει ποικιλία εφαρμογών για αυτές. Τα σημαντικά πλεονεκτήματα των εποξειδικών ρητινών έχουν ως αποτέλεσμα τον ταχύ ρυθμό ανάπτυξής τους και την ευρεία χρήση τους. Έτσι, μια από τις πιο συνηθισμένες εφαρμογές τους είναι η χρήση τους ως μήτρες για την κατασκευή σύνθετων υλικών, ενώ μια άλλη σημαντική εφαρμογή είναι η χρήση τους ως συγκολλητικές ουσίες. Τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας κυριαρχούν πλέον σε διάφορους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας, και εκτείνονται από δομικές έως βιοϊατρικές εφαρμογές. Ο σημαντικότερος παράγοντας για την επίτευξη των παραπάνω χαρακτηριστικών των εποξειδικών ρητινών είναι η προαναφερθείσα διαδικασία σκλήρυνσης, η οποία, με τη σειρά της, εξαρτάται, μεταξύ άλλων, από τον τύπο του σκληρυντή, τον επιταχυντή, τον λόγο του βάρους της ρητίνης προς το βάρος του σκληρυντή και το εφαρμοζόμενο προφίλ της θερμοκρασίας σκλήρυνσης. Πέραν όλων αυτών, το κόστος αποτελεί την κινητήρια δύναμη για την επιλογή μιας συγκεκριμένης μεθόδου σκλήρυνσης. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι θέρμανσης που χρησιμοποιούνται για την επιτάχυνση της διαδικασίας σκλήρυνσης των εποξειδικών υλικών, καθεμία από τις οποίες έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, επειδή εισάγουν διαφορετικούς ρυθμούς αντίδρασης πολυμερισμού και διαφορετικές διαδρομές αντίδρασης, με αποτέλεσμα διαφορετικές δομές πολυμερικών δικτύων, ενώ το τελικό προϊόν, ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη μέθοδο σκλήρυνσης, έχει διαφορετικές φυσικές ιδιότητες (όπως η πυκνότητα), μηχανικές ιδιότητες (όπως η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας) και θερμικές ιδιότητες (όπως ο συντελεστής θερμικής διαστολής και η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης) σε σύγκριση με εκείνα των συμβατικών θερμικά επεξεργασμένων δειγμάτων. Για παράδειγμα, οι φούρνοι που χρησιμοποιούνται στη συμβατική θερμική επεξεργασία μπορούν να αυξήσουν τον ρυθμό σκλήρυνσης των εποξειδικών ρητινών- ωστόσο, είναι ακριβοί και μπορεί να καταλαμβάνουν πολύ χώρο σε ένα εργοστάσιο, ενώ απαιτούν επίσης μεγάλα ποσά ενέργειας, ανθρώπινου δυναμικού και χρόνου. Οι εφαρμογές σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία, που χρησιμοποιούνται ευρέως στις βιομηχανίες ηλεκτρονικών ειδών, επικαλύψεων και αυτοκινήτων, παρουσιάζουν πλεονεκτήματα όπως υψηλοί ρυθμοί αντίδρασης, καλή πρόσφυση, σκλήρυνση σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, η μέθοδος αυτή είναι προβληματική, διότι δεν παρέχει ομοιόμορφα κατανεμημένη ή ελεγχόμενη θερμότητα, με αποτέλεσμα την υπερθέρμανση ορισμένων τμημάτων του εποξειδικού υλικού και συνεπώς τη δημιουργία ανεπιθύμητων τοπικών ατελειών στα πολυμερή προϊόντα. Συνοψίζοντας, υπάρχουν πολλές διαφορετικές επιλογές για τη σκλήρυνση εποξειδικών ρητινών, συμπεριλαμβανομένων των φούρνων καθώς και της ακτινοβολίας UV ή/και δέσμης ηλεκτρονίων, και των αυτόκλειστων. Το κοινό χαρακτηριστικό όλων των προαναφερθέντων μεθόδων σκλήρυνσης είναι η θερμότητα, η οποία παράγεται κατά την εξώθερμη αντίδραση πολυμερισμού ή/και εφαρμόζεται από μια εξωτερική πηγή ενέργειας. Η θερμότητα είναι καθοριστικής σημασίας διότι επηρεάζει το ιξώδες του εποξειδικού υλικού, ενώ ταυτόχρονα επιταχύνει τους χρόνους αντίδρασης. Επιπλέον, η θερμότητα που παράγεται κατά την εξώθερμη αντίδραση πολυμερισμού εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το πάχος του εποξειδικού στρώματος. Όσο παχύτερο είναι το εποξειδικό στρώμα, τόσο περισσότερη θερμότητα συγκρατείται από το εποξειδικό και τόσο ταχύτερη είναι η αντίδραση πολυμερισμού. Αντιθέτως, όσο λεπτότερο είναι το εποξειδικό στρώμα, τόσο μικρότερη είναι η επίδραση της παραγόμενης θερμότητας και τόσο πιο αργή είναι η αντίδραση σκλήρυνσης. Συνεπώς, ο έλεγχος της θερμότητας κατά τον εποξειδικό πολυμερισμό είναι καίριας σημασίας. Ένα άλλο σημαντικό κοινό χαρακτηριστικό όλων αυτών των μεθόδων σκλήρυνσης είναι ότι η θερμότητα παρέχεται στη ρητίνη μέσω μιας εξωτερικής πηγής ενέργειας. Στην παρούσα έρευνα, εξετάσαμε τη χρήση μιας εσωτερικής πηγής ενέργειας που αποτελείται από ανθεκτικά σύρματα ενσωματωμένα σε εποξειδικές ρητίνες και τη συγκρίναμε με εποξειδικές ρητίνες που έχουν σκληρυνθεί με τη χρήση συμβατικής θερμικής επεξεργασίας με θέρμανση σε φούρνο. Παρόμοια τεχνική έχει εφαρμοστεί από άλλους ερευνητές, όπου η σκλήρυνση σύνθετων πλακών πολυμερών ενισχυμένων με ίνες άνθρακα επιτεύχθηκε μέσω της άμεσης εφαρμογής ηλεκτρικού ρεύματος που διέρχεται από τις ίνες άνθρακα. Η τεχνική αυτή έχει αναφερθεί στη βιβλιογραφία με διάφορες λέξεις-κλειδιά και μορφές έκφρασης, αλλά συνηθέστερα αποκαλείται θέρμανση Joule, ακολουθούμενη από θέρμανση αντίστασης ή ωμική θέρμανση. Έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί εκφράσεις όπως η ενσωματωμένη θέρμανση και η ηλεκτρική θέρμανση/σκλήρυνση με αυτοαντίσταση (SRE). Η παρούσα εργασία διερευνά έναν καινοτόμο τύπο πολυμερισμού για τα θερμοσκληρυνόμενα υλικά σε αντίθεση με την παραδοσιακή μέθοδο του πολυμερισμού σε φούρνο. Για το σκοπό αυτό, δύο σύρματα από Kanthal ενσωματώθηκαν σε μια πλάκα ρητίνης, ενώ στο σύστημα παρέχεται συνεχές ρεύμα για διαφορετικές χρονικές περιόδους. Μετρήθηκε η μεταβολή του μέτρου αποθήκευσης συναρτήσει της θέσης και του χρόνου πολυμερισμού με σκοπό την σε βάθος διερεύνηση της μεθόδου. Με βάση τα δεδομένα της διεθνούς βιβλιογραφίας, δεν υπάρχει παρόμοια μελέτη που να συνδέεται με τον πολυμερισμό καθαρών ρητινών και την εις βάθος διερεύνηση του φαινομένου με βάση την μεταβολή της δυναμικής συμπεριφοράς του πολυμερούς συναρτήσει της θέσης και του χρόνου. Από την παρούσα μελέτη προέκυψαν σημαντικά συμπεράσματα για την βελτίωση της μεθόδου, ενώ παράλληλα επιτεύχθηκε σημαντική μείωση τους κόστους πολυμερισμού του πολυμερούς σε σχέση με την παραδοσιακή μέθοδο.