Análisis isoconversional de la cinética y de las propiedades mecánicas durante el curado de una resina de poliéster insaturado

Abstract

Los polímeros termoestables se caracterizan por reticular a través de una reacción de curado, la cual es una transformación irreversible en donde el material pasa de un estado líquido a un sólido infusible e insoluble. Este tipo de polímeros son comúnmente llamados “resinas”. La reacción puede ser iniciada por efecto de la temperatura, pero si se eleva demasiado degradan al no tener punto de fusión. El curado y la degradación de un polímero son conocidos como sistemas térmicamente activados. La reacción de curado en una resina de poliéster insaturado se lleva a cabo por copolimerización de estireno que retícula las cadenas de poliéster. El proceso de curado es crucial para la resina debido a las reticulaciones que se formaran en las cadenas, las cuales le confieren las propiedades finales al poliéster insaturado. Este proceso es controlado por la cinética de curado del material. En este trabajo realizamos el análisis cinético de curado por DSC en una resina de poliéster insaturado grado comercial para medir las propiedades mecánicas y resistencia térmica en función de la temperatura de curado. Con el uso de métodos isoconversionales calculamos la energía de activación la cual se mantuvo en un rango constante hasta el 80 % hasta el final de la reacción, la energía de activación decrece ya que la reacción pasa a ser controlada solo por difusión. Se realizaron con éxito predicciones cinéticas a diferentes temperaturas de curado y completamos el modelo de reacción mediante regresión lineal con el método matricial resultando en (𝑑𝛼/𝑑𝑡) = 3.68𝑋103 𝑠 −1𝑒 −( 36345.7 𝐽/ 𝑅𝑇 ) ∗ (1 − 𝛼)1.67(𝛼) .56. donde E es la energía VI de activación, A el factor de frecuencia y α es la conversión de la resina de liquida a solida Adicionalmente, mediante el uso de las predicciones cinéticas determinamos que a mayor temperatura de curado la resistencia térmica y mecánica aumenta, sacrificando tenacidad y capacidad de elongación, lo que indica que el material endurece, pero se fragiliza. Se logro determinar el punto de falla en la resina cuando es degradada térmicamente. Los ensayos de tracción en probetas degradadas demostraron que cuando el material perdía 5 % de su masa se presentaba falla mecánica en la resina. Por lo que se estudió la reacción de degradación térmica por TGA para determinar el tiempo de uso de la resina expuesta a temperatura ambiente, resulto que el material puede operar sin ningún problema por más de 9 años bajo condiciones normales.

Thermosetting polymers are characterized by crosslinking through a curing reaction, which is an irreversible transformation where the material goes from a liquid to an infusible and insoluble solid state. These types of polymers are commonly called “resins”. The reaction can be initiated by the effect of temperature, but if it rises too high, they will degrade as they do not have a melting point. The curing and degradation of a polymer are known as thermally activated systems. The curing reaction in an unsaturated polyester resin is carried out by copolymerization of styrene, which crosslinks the polyester chains. The curing process is crucial for the resin owing to the crosslinks formed in the chains, which will enhance the final properties of the unsaturated polyester. This process is controlled by the material curing kinetics. In this work, we carry out the curing kinetic analysis by DSC, in a commercial grade unsaturated polyester resin, with the aim to measure the mechanical properties and thermal resistance as a function of the curing temperature. With the use of iso-conversional methods we calculated the activation energy, which was keep in a constant range, up to 80%, until the end of reaction. The activation energy decreases since the reaction becomes controlled only by diffusion. Kinetic predictions at different curing temperatures were successfully obtained, and we completed the reaction model by linear regression with the matrix method resulting in (𝑑𝛼/𝑑𝑡) = 3.68𝑋103 𝑠 −1𝑒 −( 36345.7 𝐽/ 𝑅𝑇 ) ∗ (1 − 𝛼)1.67(𝛼) .56, where E is the activation energy, A is the frequency factor and α is the conversion of the resin from liquid to solid. VIII Additionally, using kinetic predictions, we determined that at a higher curing temperature, the thermal and mechanical resistance increases, hence lowering toughness and elongation capacity, which indicates that the material hardens but becomes brittle. It was possible to determine the failure point in the resin when it was thermally degraded. Tensile tests on degraded specimens showed that when the material lost 5 % of its mass, mechanical failure occurred in the resin. Therefore, the thermal degradation reaction was studied by TGA to determine the service time of the resin exposed to room temperature, resulting that the material can operate without any problem for more than 9 years under normal condition.