[論文レビュー] Experimental determination and modelling of volume shrinkage in curing thermosets

Martin Rudolph, Martin Stockmann+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2014

Epoxy Resin Curing Processes参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、エポキシ系熱硬化性樹脂の硬化過程における体積収縮を測定するため、アルキメデスの原理に基づく新規なリアルタイム実験装置を提示する。ひずみゲージと容量性センサを組み合わせ、環境補正を施すことで、絶対密度および微小な熱化学的体積変化を高精度で同時に検出可能となり、硬化kineticsおよび収縮の現象論的モデリングにより検証された。非線形最適化を用いて主要なパラメータを同定した。

ABSTRACT

This work deals with the characterisation and modelling of the curing process and its associated volume changes of an epoxy based thermoset resin. Measurements from differential scanning calorimetry (DSC) define the progress of the chemical reaction. The related thermochemical volume changes are recorded by an especially constructed experimental setup based on Archimedes principle. Information on measuring procedure and data processing are provided. This includes investigations on compensation of environmental influences, long-term stability and resolution. With the aim of simulating the adhesives curing process, constitutive models representing the reaction kinetics and thermochemical volume changes are presented and the model parameters are identified.

研究の動機と目的

• 熱硬化性接着剤の硬化過程における体積および密度変化をリアルタイムで高分解能で測定する方法を開発すること。
• 液体から固体に移行する材料における微小で熱化学的要因による体積変化を正確に捉える課題に対処すること。
• 差示走査量熱測定法（DSC）データを用いて硬化プロセスをモデリングし、体積収縮の構成則モデルを開発すること。
• 反応kineticsおよび等方的体積変化の現象論的モデルと照らし合わせて、実験的測定値を検証すること。
• 軽量複合材料製造における硬化誘発ひずみおよび残留応力の正確なシミュレーションを可能にすること。

提案手法

• アルキメデスの原理に基づく実験装置を設計し、硬化過程中の浮力変化を測定した。
• 絶対体積および微小な体積変化を高分解能で測定するために、ひずみゲージと容量性センサの2つのセンサーシステムを組み合わせた。
• 測定安定性を確保するため、ダミー信号を用いて環境要因の影響を補正した。
• 長期間の安定性、分解能、再現性を複数の温度条件下で評価するため、システムをキャリブレーションおよびテストした。
• 反応度の時間的変化を特定するために、差示走査量熱測定法（DSC）を用いた。
• 式 (15) を用いて温度および硬化度依存の密度変化を記述する現象論的モデルを構築し、非線形最小二乗法最適化によりパラメータを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エポキシ系熱硬化性樹脂の硬化過程において、リアルタイムで高分解能の体積収縮をどのように測定できるか？
• RQ2 硬化度とそれによる熱化学的体積変化の関係は何か？
• RQ3 浮力に基づく体積測定において、環境的および機械的干渉要因を効果的に補正する方法は何か？
• RQ4 反応進行度が温度に依存する程度はどの程度で、最終的な収縮にどのように影響するか？
• RQ5 DSCデータに基づいて、密度および体積収縮の時間的変化を正確に予測できる現象論的モデルは構築できるか？

主な発見

• 実験装置は高分解能および長期間の安定性を達成し、硬化過程における微小な体積変化の信頼性あるリアルタイム測定を可能にした。
• 測定された密度の時間的変化は、高温下での拡散制御に起因し非線形的挙動を示し、ガラス転移温度を超える温度では完全変換に達する前に収縮が停止した。
• 最大体積化学収縮を表すモデルパラメータ βq は -0.053 と同定され、顕著な収縮可能性を示した。
• 式 (15) を用いたシミュレーション結果は、異なる時間-温度領域において実験データとよく一致し、モデルの予測能力を検証した。
• ひずみゲージと容量性センサの組み合わせにより、絶対密度および微小な変化の同時検出が可能になり、測定精度が向上した。
• ダミー信号を用いた環境補正は、測定の信頼性を著しく向上させ、ドリフトを低減した。