Kovetus on prosessi, joka johtaa nestemäisten reaktiivisten oligomeerien ja (tai) monomeerien palautumattomaan muuttumiseen kiinteiksi fuusioimattomiksi ja liukenemattomiksi verkkopolymeereiksi. Kovetusprosessi tapahtuu erityisten kovettimien osallistumisen seurauksena tai oligomeerien reaktiivisten ryhmien vuorovaikutuksen seurauksena keskenään lämmön, ultraviolettivalon tai korkean energian säteilyn vaikutuksesta. Se on tärkeä teknologinen toimenpide lämpökovettuvien tuotteiden muovauksessa , valumassa- ja tiivisteaineilla tiivistämisessä , liimaliitosten ja maalipinnoitteiden aikaansaamisessa . Kumien kovetusprosessia kutsutaan yleisesti vulkanoinniksi .
Kovetus voi tapahtua normaaleissa ja korotetuissa lämpötiloissa, ja sen mukaisesti se jaetaan kylmä- ja kuumakovettumiseen, korotetussa tai alennetussa paineessa, ulkoilmassa tai ilman happea O 2 :ta . Polymeerien kovettuminen voi tapahtua polykondensaatiomekanismilla (esimerkiksi fenoli-formaldehydihartsien kovettuminen ) tai polymeroinnilla (esimerkiksi polyesterihartsien kovettuminen ). Joissakin tapauksissa molemmat mekanismit voidaan yhdistää yhdeksi prosessiksi (esimerkiksi epoksihartsien kovettaminen happoanhydrideillä katalyyttien - tertiääristen amiinien - läsnä ollessa ).
Polyfunktionaaliset yhdisteet toimivat kovettimina , kuten diamiinit , polyamiinit , fenolit , glykolit , anhydridit jne. Kovettimiin kuuluvat myös radikaali-initiaattorit - orgaaniset peroksidit , diatsoyhdisteet ja ioniset polymerointikatalyytit - tertiaariset amiinit , Lewis-hapot ja muut. Usein kovettumisen initiaattorit yhdistetään kiihdyttimiin, kuten kobolttinaftenaatti ) . Jotkut kovetinmolekyylit (kuten trietanoliamiinijohdannaiset ) voivat sisältää sekä reaktiivisia että katalyyttisiä ryhmiä.
Kovettimen määrä koostumuksessa riippuu funktionaalisten ryhmien lukumäärästä oligomeerissä ja itse kovettimessa. Initiaattorin tai katalyytin määrä riippuu näiden ryhmien aktiivisuudesta ja on tavallisesti 0,1-5 %. Kovettumisen estäjiä käytetään hidastamaan kovettumista . [yksi]
UV-kovettuminen on fotokemiallisesti indusoitua polymerointia ultraviolettisäteilyn avulla . UV-kovettuvat pinnoitteet sisältävät fotoinitiaattoreita . Kun UV-säteilyn valoenergia osuu niihin, fotoinitiaattorit hajoavat vapaiksi radikaaleiksi , jotka ovat korkeaenergisiä happimolekyylejä. Liikkeen aikana radikaalit törmäävät oligomeerien ja monomeerien kanssa yhdistyen niihin. Kovetuksen aikana muodostuu matriisi, joka on silloitettu polymeeriketjuista. [2]
Ultraviolettisäteilyn lähde ovat pääsääntöisesti ultraviolettilamput tai LED-diodit, jotka lähettävät ultraviolettispektrissä. [3]
Säteilytyksen vaikutuksesta tapahtuu oligomeerien ja monomeerien kopolymeroitumista . Koostumusten säteilykovettuminen tapahtuu vain säteen alla ilman lisäolosuhteiden järjestämistä (lämpötila, paine, tyhjiö jne.). Tässä tapauksessa ei ole tarvetta lisätä initiaattoreita, koska vuorovaikutuksessa olevat ryhmät muodostuvat katkaisemalla pääpolymeerien ketjuja. Tämä prosessi on hyvin kontrolloitu, säteilylähde voidaan sijoittaa joko suoraan tuotteen muodostuslinjaan tai erotettuna. [4] Säteilykovetuksen tärkeimmät edut ovat: korkea energiatehokkuus , tuotteiden haihtumisen vähentäminen tai täydellinen eliminointi , korkea prosessin tuottavuus, huoneenlämpötilassa kovettaminen. [5]
Säteilykovettuminen on tehokasta kalvonmuodostajissa, jotka kykenevät kemiallisiin muutoksiin polymerointireaktion seurauksena. Painotulosteen säteilyvaikutus mahdollistaa korkealaatuisen tuloksen yhdistämisen suureen tulostusnopeuteen. Tämä selittyy sillä, että on mahdollista käyttää matalamolekyylipainoiseen tuotteeseen liuotettua maalia, joka polymeroituu paperille säteilyn vaikutuksesta. Sen sijaan lämpökovettamisen aikana on tarpeen käyttää maaliliuosta inertissä liuottimessa, joka on haihdutettava paperista. [4] Useimmat pinnoitteet kovettuvat tyydyttävästi absorboituneilla annoksilla 80–140 kGy ja elektronienergialla 0,06–0,08 pJ. Suuret säteilyannokset eivät ole toivottavia tuhoavien prosessien välttämiseksi. Säteilylle altistuessaan metallisubstraattien pinnoitteet kovettuvat yleensä nopeammin ja pienemmillä säteilyannoksilla kuin esimerkiksi puulla, pahvilla tai muovilla. Tämä johtuu metallien suuremmasta heijastavuudesta kuin muiden materiaalien. [6]
Tämä kovetusmenetelmä perustuu mekaanisen värähtelyn välittämiseen ultraäänianturista liima-aineeseen, joka sijaitsee liitettävän osien välisellä rajapinnalla. Se antaa hyviä tuloksia, kun rakentamisessa käytetään jauhe- tai kalvoliimaa. Ultraäänienergian absorption tuottama lämpö sulattaa tai kovettaa liiman.
Koostumukselle suoritetaan ultraäänikäsittely aallonpituudella, joka on lähellä koostumuksen lämpövärähtelyn aallonpituuksia tai moninkertaisia niistä, mikä vastaa komponenttien, koostumuksen seoksen tai koko koostumuksen suurinta dielektristä häviötä. Värähtelevät efektit voidaan suorittaa pulssitilassa. Samanaikaisesti pulssien pituudet ja jaksollisuus ovat vaikuttavien värähtelyjen aallonpituuksien kerrannaisia tai ovat lähellä (tai moninkertaisia) koostumuksen muodostavien vastaavien aineosien makromolekyylien keskimääräisten tilastollisten segmenttien pituuksia. [7]
Ultraäänialtistusprosessissa vapautuva lämpö on luonteeltaan paikallista ja esiintyy käyttökohdassa. Tästä laadusta johtuen ultraäänihitsausta käytetään laajalti jo kovettuneiden koostumusten liittämiseen . Tämä tekniikka mahdollistaa vaarallisten materiaalien nopean pakkaamisen ilman liimoja ja korkeita lämpötiloja sulattamalla ja kiinteyttämällä kovia ja pehmeitä muoveja, puolikiteisiä muoveja ja metalleja.
Ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää myös kuumakovettamisen katalysaattorina. Siten ultraäänen vaikutus kuumakovettuvaan epoksiliimaan ennen sen levittämistä liimattaviin osiin lyhentää merkittävästi sen valmistusaikaa ja lisää samalla liimasaumojen lujuutta. Esimerkkinä materiaalien liimaamisesta kylmäkovettuvilla liimoilla on todettu, että ultraäänikäsittelyn seurauksena täyteaineen pinnan kostuvuus hartsilla paranee. Täyteainehiukkaset jakautuvat tasaisemmin polymeerin tilavuuteen, kovettumisprosessi nopeutuu, liiman leviäminen osan pinnalle paranee alkuperäisen viskositeetin pienenemisen ja kaikkien alla olevien materiaalien kosketuskulman ansiosta. opiskelu vähenee. [kahdeksan]
Elektronisuihkukovetuksen, kuten UV-kovettamisen, avulla voit saavuttaa maalien, lakkojen ja liimojen 100 %:n kovettumisen. Molekyylien välisten sidosten muodostuminen ja kovettaminen elektronisuihkuvirran alla on samanlaista kuin UV-kovettuminen, mutta elektronienergia riittää prosessin käynnistämiseen eikä initiaattoreita tarvita. Sähköisesti kuumennetut volframifilamentit tyhjiökammiossa synnyttävät elektronivirran. Elektronit, jotka ovat kiihtyneet suureen nopeuteen, putoavat kovettuneen materiaalin päälle. Elektronien energia riippuu jännitteestä, joka määrittää niiden materiaaliin tunkeutumissyvyyden ja kovettuneen tai kuivatun materiaalin maksimipaksuuden.
Tämän tyyppinen kovetus on edelleen erittäin erikoistunutta, ja sitä käytetään painatuksessa, laminoinnissa ja joustopakkausten valmistuksessa, ja ne on päällystetty perinteisten musteiden päälle kulutusta kestävällä kiiltävällä lakalla.
Lämpösäteilymenetelmä perustuu materiaalin kykyyn siirtää tietynpituisia infrapunasäteitä. Kun substraatti imee säteet, se lämpenee. Osa energiasta heijastuu pinnalta, osa absorboituu alustaan ja loput siirtyvät materiaaliin. Suora energiansiirto käynnistää välittömästi kovettumisreaktion. IR-kovettamisen etuna on kyky siirtää suuri määrä energiaa hyvin lyhyessä ajassa.
Vaikka IR-kamerat pystyvät kovettamaan pinnoitteita paljon nopeammin kuin muut koneet, lopputulokseen vaikuttaa voimakkaasti tuotteiden koko, muoto ja paino. Tehokkaan kovettumisen kannalta on tärkeää, että infrapunasäteily osuu tasaisesti kaikkiin kovettuneen pinnan alueisiin. Etäisyys pinnasta säteilylähteeseen vaikuttaa myös merkittävästi pinnoitteen kovettumisprosessiin. Jos kovetettavassa työkappaleessa on geometrisia alueita piilossa tai kaukana säteilylähteestä, on suositeltavaa käyttää lämpösäteilytysmenetelmän lisäksi konvektiomenetelmää. [9]
Keinotekoisia infrapuna-aaltojen lähteitä ovat hehkulamput, metalli- ja keraamiset levyt, spiraalit, kaasupolttimet jne. Pitkäaalto-infrapunasäteilyä käytettäessä säteilylähde kuumenee maksimilämpötilaan +750 °C, kun se kovetetaan väliaineella. aaltolaite, energialähde saavuttaa +750 ÷ +1450 C° lämpötilan. Lyhytaaltoisen infrapunakuivauksen aikana (esimerkiksi ruiskutuskaapissa) tuotetta kuumennetaan säteilyllä, joka tunkeutuu LCP-kerroksen läpi ja absorboituu alustan pintaan 90 %. Säteilylähde voi saavuttaa maksimilämpötilan +3000 C°, mikä edistää haihtuvien tuotteiden esteetöntä vapautumista kalvosta. Tämän ansiosta maali- ja lakkapinnoitteen muodostusprosessi nopeutuu merkittävästi. [kymmenen]
Se perustuu energian absorptioon substraattimateriaalissa, kun se asetetaan vaihtuvaan sähkökenttään, jonka taajuus on (10 ... 15) 106 GHz. Suurtaajuuslämmityksen käytön tarkoituksenmukaisuus todettiin lasikuitu-, lastulevy-, käämi- ja profiilituotteiden sekä valuseosten valmistuksessa. Joten esimerkiksi lasivahvisteisten epoksifenolisideainepohjaisten muovien kovetus voidaan suorittaa muutamassa minuutissa ja epoksivaluyhdisteet saavuttavat vakaat ominaisuudet 30-60 minuutissa. Korkein kovettumisaste, 96,8 %, saavutettiin 105 sekunnin HDTV -kentän altistuksen jälkeen. oligoamidia PO-300 kovettimena ja pehmittimenä sisältävän VK-9-liiman koostumuksesta. [11] Epoksi- tai akrylaattikoostumusten suurtaajuuskovetuksella suoraan metallimuoteissa niiden viskositeetti laskee, ilmasulkeutumien kulkeutuminen materiaalin pintaan kiihtyy ja täydellisempi kovettuminen saavutetaan. Epoksikoostumusten kovettumisaste perinteistä menetelmää käytettäessä ei ylitä 86-87%, ja kun sitä käsitellään suurtaajuusvirran alalla, se saavuttaa 97-98%. [12]
Induktio (induktiivinen) kovetus käsittää tuotteen sijoittamisen magneettikenttään ja sen kuumentamisen sisällä esiintyvien pyörrevirtojen avulla . Tämän seurauksena lämpöä syntyy suoraan tuotteen sisällä. Näin ollen pinnoitteen polymeroituminen tapahtuu aina suunnassa sisältä ulospäin. Jos tuotetta ei ole valmistettu sähköä johtavista materiaaleista , tämän tyyppistä kovettumista voidaan käyttää vain levitettäessä kovettuvia materiaaleja, jotka sisältävät metallijauheita täyteaineena.
Konvektiokovetus ei ole itsenäinen menetelmä, vaan lisäehto prosessin laadulle. Jos kuumakovettamisen aikana koko kovettuvan aineen kerros on lämmitettävä mahdollisimman nopeasti vaadittuun lämpötilaan sen tasaisen jakautumisen, viskositeetin minimoimiseksi ja levittävyyden heikkenemättä, niin sen rakenteeseen on saatava lämmön konvektio . Hidas kuumennus materiaalikerroksen (kuten maali tai lakka) sisällä aloittaa kovettumisen jo ennen kuin se on levinnyt riittävästi tuotteen pinnalle, minkä seurauksena kovettunut pinta on epätasainen. Lieden lämpötilan pysyvyys ja lämpötilan säätö lämmitysprosessin aikana varmistavat tasaisen pinnoitteen ja estävät ylikuumenemisen [13] .
Konvektiokovetus tapahtuu lämmitetyn ilman virtauksen liikkeen vuoksi tuotteissa. Konvektiokuivareiden ilman lämmittämiseen voidaan käyttää kaikkia tunnettuja energialähteitä. Yleensä nämä ovat sähkölämmityselementtejä, kaasu- tai dieselpolttimia, höyrypattereita. Tuulettimia käytetään lämmön siirtämiseen kammion ympärillä.