TTT-diagram for epoxy film adhesives using quasi-isothermal scans with initial fast ramps

John Puentes,1 Alexander Chaloupka,2 Natalie Rudolph,1 Tim A. Osswald1

1Polymer Engineering Center, Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Madison Madison, Wisconsin 53706-1691

2NETZSCH-Ger€atebau GmbH, Selb/Bayern D-95100, Germany

Correspondence to: J. Puentes (E - mail: jrpuentesg‎@‎gmail.com)

Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Hersteller von kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen und für die Einrichtung des Prozesses verantwortlich: Wie wählen Sie das für Ihr Bauteil optimale Aushärteprofil? Berücksichtigen Sie Umgebungsänderungen, die Einfluss auf das Materialverhalten haben? Was müssen Sie messen, um eine konstante Reaktivität Ihres Harzsystems zu überprüfen?

Die Lösung ist ein sogenanntes TTT-Diagramm ("time-temperature-transition") für Ihr Harzsystem, das Phasenübergänge einschließlich Aushärtung und Verglasung in Abhängigkeit von der Zeit und Temperatur zeigt. Dieses Diagramm enthält sämtliche Informationen zur Vorhersage des Harzverhaltens während der Aushärtung unter Prozessbedingungen. Um ein TTT-Diagramm zu erhalten, benötigen Sie DSC-Messungen und kinetische Simulationen zur Anpassung dieser DSC-Daten an das entsprechende kinetische Modell. Der vorliegende Artikel zeigt das Vorgehen für die Erstellung eines solchen TTT-Diagramms.

Das beste kinetische Simulationsmodell für das TTT-Diagramm lässt sich jedoch nur von DSC-Messungen ableiten, die das Temperaturprofil Ihres Prozesses genau wiedergeben. Hier haben die Autoren die NETZSCH-DSC 214 Polyma für die Aushärte-Messungen eingesetzt. Sie ist die schnellste reguläre Wärmestrom-DSC auf dem Markt. Mit ihr kann die gesamte Aushärtereaktion, nach vorheriger schneller Aufheizung, bei isothermen Bedingungen untersuchen werden. Das entspricht genau dem Ablauf des Aushärteprozesses: Das Harzsystem heizt sich beim Eintritt in die Composite-Formwerkzeug schnell auf und wird eine bestimmte Zeit bei konstanter Temperatur gehalten. Die Quintessenz der Veröffentlichung von Puentes et al. ist daher, dass Sie nur dann das beste Modell für Ihren Prozess und das korrekte TTT-Diagramm erhalten, wenn Sie die Daten auf die richtige Art und Weise messen.

ABSTRACT:

The characterization of film adhesives is challenging because they required freezer storage, contain an inseparable filler— thermoplastic knit or fiber-reinforcement, and are heat activated systems with a pre-cure and unknown chemistry. A testing protocol that eliminates these sources of error is proposed. This study presents a method to generate time–temperature-transformation (TTT) diagrams of epoxy film adhesives via differential scanning calorimetry (DSC). Non-isothermal and isothermal DSC scans are used to capture the reaction and the glass transition temperature. The use of an initial fast ramp—up to 500 K/min—in the isothermal scans is explored for the first time. This technique shows the potential to produce a quasi-isothermal cycle, eliminating the loss of data in the initial stage of the reaction. The total heat released, the activation energy, and the fractional kinetic parameter, are estimated via model-free methods. The Kamal–Sourour model and the formal kinetic model are fit to model the rate of cure. The simplest model that accurately captures the reaction, a parallel two-step model, A ⇒ B, is outlined. The glass transition temperature is modeled via DiBenedetto’s equation to include the diffusion-controlled mechanism. The TTT-diagrams of two commercial adhesives, DA 408 and DA 409, are shown with an analysis of processing optimization. The use of quasi-isothermal scans with initial fast ramps combined with the correction for filler, moisture, and pre-curing history can be applied to characterize fast curing thermosets, complex B-stage resins, and thermosetting composites. The modeling results can also be used in numerical studies of residual stresses and dimensional stability in the manufacturing of thermosetting composites. © 2017 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2017, 135, 45791.