Curado de epoxi por microondas

Los adhesivos que curan en poco tiempo tienden a ser inestables durante el almacenamiento, mientras que los adhesivos que son estables durante el almacenamiento tienden a curar lentamente. Como resultado, a menudo se utiliza calor o radiación ultravioleta para acelerar el curado. Sin embargo, ambos métodos tienen algunas limitaciones. Por ejemplo, es posible que algunos sustratos no toleren un tiempo prolongado en un horno de curado. De manera similar, la desventaja obvia del curado UV es que la radiación debe poder llegar a todas las partes del conjunto.

Las microondas representan una fuente de energía alternativa para curar adhesivos. Al igual que la radiación ultravioleta, las microondas están formadas por ondas electromagnéticas. Sin embargo, a diferencia de la radiación ultravioleta, las microondas son ondas de radio y no ondas de luz. Como tal, no hay componentes a los que las microondas no puedan llegar. Y, dado que sólo los materiales que absorben la energía de las microondas se autocalientan, el calentamiento selectivo es posible. De hecho, el calentamiento selectivo con microondas permite curar un adhesivo y al mismo tiempo enfriar otras partes del sustrato por medios externos.

Varios estudios han examinado la radiación de microondas como una fuente potencial de calor para curar adhesivos epoxi. Han demostrado que las propiedades mecánicas de los adhesivos curados con microondas son similares a las de los adhesivos curados mediante métodos de calentamiento convencionales. De hecho, las microondas curaron el adhesivo más rápido que los métodos de calentamiento convencionales, con un grado de conversión equivalente.

Una ventaja adicional de utilizar microondas es la posibilidad de incorporar un material extraño al adhesivo que responde bien a las microondas. Por ejemplo, los nanotubos de carbono (CNT) y los polvos de carbón activado reaccionan fuertemente con las microondas. En un estudio, se mezclaron CNT con epoxi EPON 862 de Hexion Inc. para crear un nanocompuesto. Curar la mezcla con microondas de 2,45 gigahercios (GHz) en un horno microondas comercial requirió sólo 10 minutos, en comparación con ocho horas usando un horno convencional.

Es posible que las microondas incluso puedan fortalecer los compuestos. Por ejemplo, un estudio encontró que la delaminación inducida por la perforación disminuyó, mientras que la tenacidad a la fractura interlaminar modo I aumentó en más del 66 por ciento en los compuestos curados con microondas en comparación con los compuestos curados con calentamiento convencional.

Hasta la fecha, la mayoría de los estudios que han analizado el curado de epoxis por microondas se han realizado principalmente con hornos de microondas comerciales y aplicadores industriales multimodo. El control de las características de las microondas es, en el mejor de los casos, difícil con tales dispositivos, lo que impide investigar los detalles de la interacción entre las microondas y las sustancias involucradas en el proceso de curado. En otras palabras, aunque el curado de adhesivos con microondas está bien establecido, no es posible determinar los principios del curado de adhesivos con microondas.

Queríamos cambiar eso. Nuestro objetivo era examinar las características de curado de un epoxi utilizando microondas de 2,45 GHz. Utilizamos un aparato que era capaz de realizar irradiaciones de microondas de alta precisión y mediciones precisas de temperatura durante el proceso de curado. El adhesivo constaba de tres componentes: la versátil y viscosa resina epoxi bisfenol-A diglicidil éter (BADGE), anhídrido ftálico (PA) como agente de curado y 2-etil-4-metilimidazol (EM) como acelerador de curado. Tanto el agente de curado como el acelerador de curado también son versátiles y estables en almacenamiento.

Nuestros objetivos eran dos:

La calidad del adhesivo curado se examinó mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier de reflectancia total atenuada. Nuestras pruebas indicaron una reticulación completa de BADGE después de 10 minutos de calentamiento en microondas. Por el contrario, no se había producido una reticulación completa después de 20 minutos en el horno. Fuente: Universidad Sofía

Nuestra primera tarea fue comparar cómo se curaba nuestro adhesivo con microondas y con un horno eléctrico.

Cuando se mezcla por primera vez, nuestro epoxi es un líquido turbio y viscoso. A medida que cura, la mezcla se vuelve transparente, por lo que el grado de curado se observa fácilmente visualmente.

Después de calentar en microondas durante 10 minutos, el adhesivo apareció como una resina transparente de color amarillo pálido. Más detalladamente, el PA comenzó a volverse transparente unos 5 segundos después del inicio de la irradiación con microondas. Aproximadamente una cuarta parte de la PA no fue observable después de 45 a 60 segundos de irradiación con microondas. Después de 70 segundos, gran parte del PA desapareció y después de 80 segundos, el curado se completó.

El calentamiento del adhesivo nunca se produjo desde el borde. En otras palabras, el calentamiento pareció desarrollarse de manera relativamente uniforme.

El curado en el horno fue diferente. Después de calentar durante 10 minutos en el horno, el adhesivo se curó suficientemente. Sin embargo, la observación visual mostró claramente que cerca del centro había PA sin reaccionar. El calentamiento se produjo rápidamente desde la superficie del adhesivo en el momento en que se colocó la mezcla en el horno. El borde del adhesivo parece estar mejor curado 30 segundos después de su introducción en el horno. Después de este tiempo, sin embargo, no se observaron más cambios. Después de 180 segundos, la superficie parece haberse endurecido. En realidad, sin embargo, la resina no estaba curada y era blanda cuando se presionaba con un dedo.

En resumen, el calentamiento por microondas aseguró que los componentes adhesivos reaccionaran de manera uniforme. En el horno, el curado no fue uniforme. El calor radiante del horno curó sólo la superficie del adhesivo cerca de la fuente de calor, ya que la conductividad térmica del adhesivo es muy baja. La termoestable no ocurrió mucho debajo de la superficie. Por el contrario, con el calentamiento por microondas, las microondas penetraron hasta el centro para provocar un termoestable uniforme en todas partes. Además, dado que la reacción de curado es un proceso exotérmico, el curado se aceleró mediante autocalentamiento.

La calidad del adhesivo curado se examinó mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier de reflectancia total atenuada. Nuestras pruebas indicaron una reticulación completa de BADGE después de 10 minutos de calentamiento en microondas. Por el contrario, no se había producido una reticulación completa después de 20 minutos en el horno.

Antes del curado, la temperatura inicial de la muestra era de 25 C. Con 20 vatios de potencia, la muestra necesitó sólo 32 segundos para alcanzar una temperatura de 140 C. En cambio, tardó 81 segundos en alcanzar los 140 C con calentamiento convencional.

La diferencia en la estructura del adhesivo entre el calentamiento por microondas y el calentamiento convencional después del curado se investigó mediante la técnica de reflexión total atenuada utilizando un prisma de diamante en el espectrofotómetro FTIR. También se realizó calorimetría diferencial de barrido. No se observaron diferencias en los resultados.

El efecto que tuvo el calentamiento por microondas en cada componente (BADGE, PA y EM) y en la mezcla se examinó colocando una muestra en un tubo de cuarzo y luego calentando con el campo E de las microondas mientras se observaban los cambios de temperatura. Para cada componente, el aumento de temperatura tendió a ser similar.

Después de 60 segundos de irradiación con microondas, el aumento de temperatura para EM comenzó a disminuir hacia una meseta. A temperatura ambiente, el EM desnudo es un sólido de tipo arcilla que se convierte en líquido a temperaturas superiores a 54 C. La disminución en el aumento de temperatura cerca del punto de fusión del EM sugiere que la eficiencia del calentamiento por microondas depende del estado de la materia. En este sentido, la eficiencia del calentamiento por microondas está gobernada por las propiedades dieléctricas de los materiales.

Un aumento significativo del aumento de temperatura se produjo con la irradiación inicial con microondas. Por tanto, parece que el calentamiento por microondas promueve la reacción química entre el agente de curado y el plastificante.

Para separar aún más los factores que influyen en la velocidad de calentamiento, la mezcla de PA y EM se calentó en microondas. Esa mezcla mostró una velocidad de calentamiento por microondas más alta que la mezcla de BADGE, PA y EM. Además, la velocidad de calentamiento fue más de tres veces mejor que la de PA o EM solos.

No se puede emprender una discusión sobre el curado de adhesivos por microondas simplemente sobre la base de la eficiencia del calentamiento por microondas de cada materia prima, ya que el calentamiento parece variar mucho dependiendo del paso de la reacción de curado.

Aunque cada componente del adhesivo absorbe algo mal la energía de las microondas, causa cierto calentamiento por microondas. Sin embargo, los intermedios producidos por las reacciones de reticulación inducen el calentamiento por microondas. Y, debido a su naturaleza cargada, el calentamiento dieléctrico y el calentamiento Joule funcionan en paralelo para generar calor.

Nota del editor: Las siguientes personas también contribuyeron a este artículo: Yuhei Arai, estudiante investigador de la Universidad Sophia, y Nick Serpone, Ph.D., profesor de química de la Universidad de Pavía, Pavía, Italia.