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丙烯酸樹脂粘結劑的固化——流變學與紅外光譜聯用
你知道粘結劑是怎么從液態變成固態的嗎？傳統的方法只能告訴我們它變硬的速度，但卻不能告訴我們背后的化學變化。通過將流變儀和紅外光譜結合，能使我們在觀察粘結劑固化的同時，監測背后的反應機理，從而開發出更高效的產品。
粘結劑的開放時間、固化時間、粘合強度等是粘結劑產品開發、生產、應用的重要性能指標，流變儀是表征這些性能參數的理想工具。
傳統流變學方法存在局限性，只能描述固化過程現象，無法解釋深層次原因。
傅里葉變換紅外光譜是一種檢測樣品分子層面信息的儀器，它能夠識別和量化物質中的不同化學基團，可與旋轉流變儀互為補充，聯合表征粘結劑的固化機理。
賽默飛哈克（HAAKE）推出的專利Rheonaut模塊可將流變儀與紅外光譜儀聯用，能在固化過程中檢測粘結劑流變性能變化的同時收集紅外光譜，跟蹤粘結劑化學結構變化，計算反應動力學，有效提高產品分析和開發效率。
圖1：哈克MARS流變儀、Rheonaut模塊和傅里葉變換紅外光譜儀聯用裝置
案例分析
通過HAAKE Rheowin軟件，同時控制流變儀和紅外光譜，對一種消費級雙組分丙烯酸酯粘結劑進行固化檢測。
流變學數據評估
最初丙烯酸酯主要表現為黏性，黏性模量G”大于彈性模量G’。隨著快速固化反應，3.2分鐘后達到黏彈性模量的交點，即凝膠點（G' = G''）。在此之前，必須將兩個要粘合的基體連接并固定好。該點之后粘結劑主要表現為彈性，10分鐘后粘結劑達到最終強度。
圖2：丙烯酸酯粘結劑的流變曲線圖（點擊查看大圖）
紅外光譜分析
聯用過程中每個流變數據可對應一張紅外光譜。在流變學測試持續的25分鐘內共收集了115張紅外光譜。把第一張光譜和最后一張光譜疊加（圖3）分析，1637 cm?¹處的信號是丙烯酸酯單體中C= C鍵的特征信號，其隨時間的減少說明了在固化反應過程中單體的消耗。1241 cm?¹處的信號是固化過程中形成的聚丙烯酸酯中O=C-O-C酯鍵的特征信號。
圖3：第一張紅外光譜（藍色）和25分鐘后的最后一張紅外光譜（紅色）（點擊查看大圖）
賽默飛的OMNIC軟件可將連續采集的光譜按時間、波數、強度繪成三維圖（圖4），可更直觀分析反應的進程（圖7）。
圖4：三維圖，展示了樣品固化過程中收集的紅外光譜隨時間的變化（點擊查看大圖）
流變學與光譜數據結合分析
當彈性模量在10分鐘后達到平衡時（圖5），由于單體在固化粘結劑中的流動性降低，單體的減少速度顯著減慢。酯鍵的增加速度也減慢了，但仍然是單體減少速度的兩倍。這表明與主導固化初始階段的游離單體反應相比，分子內過程在最終固化階段更為重要。
有了這些信息，就可理解固化過程為什么會這樣進行。隨后，就可以有針對性地優化粘結劑或設計全新的配方：例如選擇添加更多單體，還是提高溫度以增加現有單體的流動性。
圖5：樣品模量的增加（紅色和藍色）與單體信號的減少（綠色）和聚合物酯鍵信號的增加（黑色）相對應（點擊查看大圖）
?結論
利用Rheonaut模塊，賽默飛哈克MARS流變儀可以與賽默飛傅里葉變換紅外光譜儀聯用，同時在同一樣品上記錄固化過程中流變性能的變化以及在分子水平上揭示發生變化的機理。