季戊四醇丙烯醛樹脂體系固化動力學(xué)及流變特性

蔡賈林, 高登攀, 鄭申聲, 池 鈺

(中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽 621999)

1 引 言

季戊四醇丙烯醛樹脂是由一丙烯醛季戊四醇和二丙烯醛季戊四醇組成的一種透明黏稠狀液體樹脂。該樹脂的固化產(chǎn)物具有粘結(jié)強(qiáng)度高,固化收縮率低,耐酸堿和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點,其最重要的應(yīng)用領(lǐng)域是固體推進(jìn)劑和改性炸藥。以季戊四醇丙烯醛樹脂為粘結(jié)劑的固體推進(jìn)劑燃速與燃溫高,強(qiáng)度大,在點火時遇到高溫和沖擊不龜裂,可長時間承受-65 ℃的低溫和135 ℃的高溫,該樹脂還能夠改善端羥基聚丁二烯的力學(xué)性能[1-2]。

盡管國內(nèi)外對季戊四醇丙烯醛樹脂的合成及應(yīng)用進(jìn)行了許多研究[3-5],然而,針對該樹脂體系的固化反應(yīng)動力學(xué)及流變特性的研究卻鮮有報道。但其固化反應(yīng)動力學(xué)和流變特性對于了解樹脂本身的特性以及固化工藝優(yōu)化都有重要價值。目前,研究樹脂固化動力學(xué)的方法很多,包括經(jīng)典的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、熱重分析法、動態(tài)差示掃描量熱法(DSC)、萃取法以及動態(tài)扭振法等,其中動態(tài)DSC法是最常用的固化動力學(xué)研究方法,采用動態(tài)DSC法可研究固化反應(yīng)過程和固化反應(yīng)機(jī)理,并可計算出固化反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)。近年,一些學(xué)者開展了利用動態(tài)DSC結(jié)果確定樹脂體系的固化工藝研究,取得了較好的結(jié)果[6-7]。

本研究利用動態(tài)DSC法對季戊四醇丙烯醛樹脂的非等溫固化過程進(jìn)行了研究,考察了升溫速率、固化時間對固化度的影響; 采用Kissinger,Crane方程[8-10]建立了該樹脂體系的固化動力學(xué)模型,并對該模型與實驗結(jié)果的一致性進(jìn)行了驗證。同時研究了季戊四醇丙烯醛樹脂固化過程的流變特性,獲得了粘度模型,以期對季戊四醇丙烯醛樹脂體系固化工藝的確定提供依據(jù)。

2 實驗部分

2.1 實驗試劑

季戊四醇丙烯醛樹脂,黎明化工研究院,平均摩爾質(zhì)量500 g·mol-1,密度1.2 g·mL-1,粘度20 mPa·s(50 ℃); 硫酸二乙酯(DES),分析純,成都聯(lián)合化工試劑研究所。

2.2 測試儀器及實驗方法

差示掃描量熱儀: PE Diamond,功率補(bǔ)償型。DV-Ⅲ+型旋轉(zhuǎn)粘度計: Brookfield 公司,粘度測量范圍為1～100000 mPa·s,測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 7193-2008。 恒溫水浴: Thermo公司,控溫精度0.01 K。實驗過程中所有的試劑稱量都使用Mettler-Toledo梅特勒公司生產(chǎn)的New Classic MS天平,其精確度為0.0001 g。

動態(tài)DSC曲線的測定: 樣品質(zhì)量10 mg 左右,氮氣氣氛,氣流速度為30 mL·min-1; 測定季戊四醇丙烯醛樹脂體系在升溫速率為10,15,20,30 ℃·min-1下的固化行為,參比樣為α-Al2O3,鋁坩堝。

恒溫粘度的測量: 將季戊四醇丙烯醛樹脂升溫至實驗測定溫度,然后加入催化劑(質(zhì)量為季戊四醇丙烯醛樹脂的1/50),在恒溫水浴中將體系混合均勻。將樣品池加熱到所設(shè)定的溫度,并開動轉(zhuǎn)子使其在空氣中歸零,然后將混合均勻的樣品迅速加入到樣品池中,測定測試溫度為68,74,80,86 ℃下不同時間樹脂體系的粘度。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 季戊四醇丙烯醛樹脂體系熱分析

采用動態(tài)DSC法測定了季戊四醇丙烯醛樹脂體系在固化過程中的熱效應(yīng),建了固化動力學(xué)模型。季戊四醇丙烯醛樹脂體系在4種升溫速率下的固化放熱DSC曲線見圖1。從圖1可以得出不同升溫速率下體系的特征固化溫度,見表1。圖1和表1表明,隨著升溫速率(β)的增大,反應(yīng)起始溫度(Ti)、峰頂溫度(Tp)和反應(yīng)終止溫度(Te)都會升高,反應(yīng)熱(Q)降低。

表1 季戊四醇丙烯醛樹脂體系在不同升溫速度下DSC數(shù)據(jù)

Table 1 DSC data of acrolein-pentaerythritol resin system at different heating rates

β/℃·min-1Ti/℃Tp/℃Te/℃Q/J·g-11072.9160.1180.0141.61580.3169.2189.5136.32086.4175.0194.8132.23095.4183.1205.8125.1

Note:β, heating rate;Ti, the initial curing temperature;Tp, the peak curing temperature;Te, the end curing temperature;Q, reaction heat.

圖1 季戊四醇丙烯醛樹脂體系在不同升溫速度下的DCS曲線

Fig.1 DSC curves of acrolein-pentaerythritol resin system at different heating rates

對表1中的反應(yīng)熱與升溫速率進(jìn)行線性擬合,外推至升溫速率為零,可以得到體系完全固化時的反應(yīng)熱為: 149.01 J·g-1。由于熱固性樹脂的固化度只與反應(yīng)熱相關(guān),因此固化度可定義為[7]:

α=Ht/Hu

(1)

式中,Ht為反應(yīng)熱,J·g-1;Hu為樹脂完全固化的總反應(yīng)熱,J·g-1。 由式(1)可以推斷出體系在不同升溫速率下的固化度,結(jié)果如表2。

表2 季戊四醇丙烯醛樹脂體系不同升溫速率下的固化程度

Table 2 Curing degree(α) of acrolein-pentaerythritol resin system at different heating rates

β/℃·min-1α/%1095.031591.472088.713083.95

由表2可以看出,升溫速率越快,其固化程度越低。這是因為在固化反應(yīng)過程中,已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會限制未反應(yīng)官能團(tuán)的自由運動,減小其有效碰撞的幾率,升溫速率越快,固化反應(yīng)越快,已反應(yīng)的部分對未反應(yīng)的官能團(tuán)的限制就越明顯,固化程度就越低。

3.2 固化動力學(xué)模型參數(shù)計算及動力學(xué)方程的驗證

Kissinger微分法是處理動力學(xué)DSC曲線數(shù)據(jù),獲取各表觀動力學(xué)參數(shù)的常用方法[8-9]。假設(shè)季戊四醇丙烯醛樹脂固化符合n階固化動力學(xué)模型,則Kissinger方程可以描述為:

(2)

式中,β為升溫速率常數(shù),℃·min-1;R為理想氣體常數(shù),8.314 J·mol-1·K-1;Tp為反應(yīng)放熱峰溫度,K;A為指前因子,K;Ea為反應(yīng)活化能,kJ·mol-1。

固化反應(yīng)級數(shù)n采用Crane經(jīng)驗方程[10]進(jìn)行估算:

lnβ=-Ea/(nRTp)+C

(3)

式中,n是反應(yīng)級數(shù)。以-lnβ對1/Tp作圖,線性回歸求得固化反應(yīng)級數(shù)n=0.95。

根據(jù)Kamal模型,固化反應(yīng)動力學(xué)方程可表示為[11]:

dα/dt=k(T)f(α)

(4)

式中,α是固化度,由式(1)計算;k(T)是固化速度常數(shù),通常用Arrhenius公式表示[12]:

k(T)=Aexp(-Ea/RT)

(5)

n階固化模型表達(dá)式為:

dα/dt=Aexp(-Ea/RT) (1-α)n

(6)

將固化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)代入式(6)中得到季戊四醇丙烯醛樹脂體系固化反應(yīng)動力學(xué)方程:

dα/dt=3.84×103exp(-14.32×103/RT)(1-α)0.95

(7)

為了驗證式(7)的有效性,測試了季戊四醇丙烯醛樹脂體系在359 K下的恒溫DSC曲線,獲得了不同反應(yīng)時間的固化度。圖3給出了359 K下的實驗結(jié)果與反應(yīng)動力學(xué)方程模擬曲線的對比。由圖3可以看出,式(7)的理論模擬曲線與實驗結(jié)果比較吻合,相關(guān)系數(shù)為0.9724,說明季戊四醇丙烯醛樹脂體系固化反應(yīng)動力學(xué)方程是適用的。

圖3 359 K下實驗值與式(7)的理論模擬結(jié)果的對比

Fig.3 Comparison of experimental and simulated results from Eq.(7) at 359 K

3.3 固化溫度與時間對固化度的影響

季戊四醇丙烯醛樹脂性能與其固化度密切相關(guān),通常固化度越高,熱性能越好,而固化反應(yīng)進(jìn)行的程度受固化工藝影響很大,所以,固化反應(yīng)的工藝過程對最終的固化產(chǎn)物的性能起決定性作用。圖4給出了由式(7)計算得到的不同固化溫度下固化度與反應(yīng)時間的關(guān)系。由圖4可見,固化反應(yīng)溫度越低,要到達(dá)某一固化度所用時間越長,但最終產(chǎn)品所能達(dá)到的固化度越高。

圖4 固化度與反應(yīng)時間的關(guān)系

Fig.4 Degree of cure vs time at different temperature

3.4 季戊四醇丙烯醛樹脂體系流變性分析

粘度是衡量固化體系主要工藝參數(shù)之一。研究了341,347,353,359 K溫度下,季戊四醇丙烯醛樹脂體系粘度隨時間的變化規(guī)律,結(jié)果如圖5所示。由圖5可見,反應(yīng)溫度越高,體系的初始粘度越低,但粘度增加越快,凝膠點出現(xiàn)的時間越短。這是因為當(dāng)溫度升高時,大分子鏈段活動能力增加,流動性增大,即粘度減小,但溫度繼續(xù)升高,聚合交聯(lián)反應(yīng)加快,則樹脂流動性隨溫度升高而降低,粘度增大。

圖5 不同溫度下粘度隨時間變化曲線

Fig.5 Viscosity vs time of acrolein-pentaerythritol rosin system at different temperature

3.5 季戊四醇丙烯醛樹脂體系化學(xué)流變模型

雙阿累尼烏斯化學(xué)流變模型(Dual Arrhenius)是在研究熱固性樹脂體系粘度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上提出的半經(jīng)驗公式,研究證明它適用于總體為一級反應(yīng)和多數(shù)非一級動力學(xué)反應(yīng)的熱固性樹脂體系[13-14]。本研究采用Dual Arrhenius模型研究了季戊四醇丙烯醛樹脂在整個工藝溫度范圍內(nèi)的粘度。該流變模型如下:

η=η0(T) +ΔηC

(8)

式中,η0(T)表示恒溫溫度T時體系的初始粘度,mPa·s;ηc表示化學(xué)變化對粘度的貢獻(xiàn),mPa·s。

η0(T)=η∞exp(k1/RT)

(9)

ΔηC=exp(k2t)

(10)

式中,η∞為溫度無限高時體系的理想粘度,mPa·s;k1,k2為樹脂的化學(xué)流變參數(shù),J·mol-1;R為氣體常數(shù),8.314 J·mol-1·K-1;T為溫度,K;t為反應(yīng)時間,min。

圖6給出了季戊四醇丙烯醛樹脂體系初始粘度隨溫度變化的曲線。由圖6可知,兩者線性關(guān)系較好,相關(guān)系數(shù)為0.9986。并采用方程(9)對溫度與體系初始粘度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出此時η∞和k1分別為: 5.30×10-6mPa·s和4.71×104J·mol-1。 結(jié)合式(9)和式(10)通過最小二乘法擬合得到了季戊四醇丙烯醛樹脂體系在不同溫度時的k2,結(jié)果如表3。

圖6 不同溫度的初始粘度曲線

Fig.6 Viscosity vs temperature of acrolein-pentaerythritol rosin system

表3 季戊四醇丙烯醛樹脂曲線參數(shù)擬合值

Table 3 Parameters of acrolein-pentaerythritol rosin

T/Kη0/mPa·sk2/J·mol-134189.22.40×10-234765.73.86×10-235350.15.99×10-235939.28.37×10-2

令k2(T) =a+bT,對表3的數(shù)據(jù)中溫度和k2值進(jìn)行線性擬合,線性相關(guān)系數(shù)為0.9886,表明兩者線性關(guān)系良好,得到的線性擬和方程為:

k2= -1.152+ 3.44×10-3T

(11)

將式(9)和式(10)帶入式(8)可得季戊四醇丙烯醛樹脂反應(yīng)體系粘度計算式為:

η=η∞exp(k1/RT)+exp(k2t)

(12)

將η∞,k1和k2帶入(12)中可得體系在不同溫度條件下的粘度計算式為:

η= 5.30×10-6exp(4.71×104/RT)+

exp((-1.152+3.44×10-3T)t)

(13)

3.6 粘度模型的驗證

為驗證粘度方程(13),分別將方程(13)的計算粘度值和實驗結(jié)果進(jìn)行了對比。圖7給出了在350 K時季戊四醇丙烯醛樹脂體系粘度隨時間變化的模擬曲線以及實驗結(jié)果,結(jié)果顯示兩者吻合較好,相關(guān)系數(shù)為0.9782,說明方程(13)能較好地預(yù)測季戊四醇丙烯醛樹脂體系在不同溫度下粘度隨時間的變化。

圖7 350 K下粘度隨時間的曲線

Fig.7 Viscosity vs time of acrolein-pentaerythritol rosin system at 350 K

4 結(jié) 論

(1) 采用動態(tài)DSC法研究了季戊四醇丙烯醛樹脂體系的固化過程,利用Kissinger方程和Crane方程計算了固化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù),反應(yīng)活化能Ea=14.32 kJ·mol-1,指前因子A=3.84×103K,反應(yīng)級數(shù)n=0.95。

(2) 建立了固化反應(yīng)動力學(xué)模型: dα/dt=3.84×103exp(-14.32×103/RT)(1-α)0.95,利用該模型對固化反應(yīng)溫度、固化度與時間的關(guān)系進(jìn)行了理論分析。

(3) 通過雙阿累尼烏斯化學(xué)流變模型,獲得了季戊四醇丙烯醛樹脂的粘度隨時間及溫度變化方程:η=5.30×10-6exp(4.71×104/RT)+exp((-1.152+3.44×10-3T)t)。該方程可反應(yīng)固化過程中溫度對體系粘度變化的影響規(guī)律,所建立的模型與實驗結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.9782,兩者一致性良好。

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