بررسی اثر کاتالیست DBTDL بر سینتیک پخت پلی‌یورتان توسط کالریمتری روبشی تفاضلی: HTPB/TDI در مقایسه با HTPB/IPDI

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

دانشگاه جامع امام حسین (ع)

چکیده
موضوع تحقیق

هدف از این پژوهش بررسی سینتیک پخت حامل پلی‌یورتانی برپایه پلی‌بوتادین خاتمه‌یافته با هیدروکسیل (HTPB) است. این واکنش در کامپوزیت‌های پلی‌یورتانی پیشرفته بسیار حائز اهمیت است.

روش‌ها

دی‌اُل HTPB با دو نوع عامل پخت دی­ایزوسیاناتی تولوئن دی‌ایزوسیانات (TDI) و ایزوفورون دی‌ایزوسیانات (IPDI) در حضور و عدم حضور کاتالیزور دی‌بوتیل ‌تین دی‌لورات (DBTDL)، توسط روش کالریمتری روبشی تفاضلی (DSC) در چند نرخ حرارتی مختلف (5، 10، 20 و °C/min 40)، تحت پخت دینامیکی قرار گرفت. پارامترهای سینتیکی توسط مدل­های کسینجر، اوزاوا و تبدیل یکسان محاسبه شد. تشکیل گروه‌های عاملی پلی­یورتان و افزایش گرانروی در حین پخت، توسط روش طیف‌سنجی مادون قرمز-تبدیل فوریه (FT-IR) و ویسکومتر چرخشی (RV) بررسی شد.

نتایج تحقیق

نتایج نشان داد نوع عامل پخت و حضور کاتالیست، انرژی فعالسازی، آنتالپی واکنش، تکمیل واکنش و سرعت پخت را تحت تأثیر قرار می‌دهد. مدل‌های سینتیکی مختلف نشان دادند، انرژی فعال­سازی به عنوان تابعی از درصد تبدیل واکنش به طور متوسط به ازای هر 05/0 واحد افزایش در درصد تبدیل، حدود kJ/mol 1 کاهش می­یابد. انرژی فعال‌سازی سامانه حامل HTPB-TDI-DBTDL با شیب کمتری نسبت به سامانه حامل HTPB-IPDI-DBTDL برحسب درصد تبدیل کاهش می‌یابد. کاهش انرژی فعال­سازی در درصد تبدیل­های بیشتر از %90 احتمالاً به علت نفوذ کوچک مولکول­ها به پلیمر­ها، شیب بیشتری پیدا می‌کند. آنتالپی واکنش پخت سامانه حامل HTPB-TDI-DBTDL در سرعت‌ بالاتر از C/min° 10 تقریباً مستقل از سرعت حرارت‌دهی است، در حالیکه آنتالپی واکنش پخت سامانه حامل HTPB-IPDI-DBTDL به سرعت حرارت‌دهی به میزان قابل ملاحظه‌ای وابسته است. نتایج شیمی-رئولوژی نشان داد سرعت واکنش­پذیری سامانه حامل به ترتیب HTPB-TDI-DBTDL>HTPB-IPDI-DBTDL>HTPB-TDI است.

کلمات کلیدی: HTPB، DSC، سینتیک پخت، عامل پخت، انرژی فعال­سازی.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigating the Effect of DBTDL Catalyst on Curing Kinetic of Polyurethane using Differential Scanning Calorimetry: HTPB/TDI vs. HTPB/IPDI

نویسندگان English

Aref valishamekhi
Abbas Kebritchi
Yasin Kaykha
Imam Hossein Comprehensive University
چکیده English

Hypothesis: The aim of this research was the investigation on kinetic of curing reaction of polyurethane binder based on hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB). This reaction is of particular interest in advanced polyurethane composite materials.

Methods: HTPB diol was dynamically cured using differential scanning calorimetery (DSC) at different heating rates (5, 10, 20 and 40° C/min) with curing agents of Toluene Diisocyanate (TDI) and Isophorone Diisocyanate (IPDI) in presence and absence of Dibutyltin Dilaurate (DBTDL) catalyst. Kinetic parameters were calculated using Kissinger, Ozawa and isoconversion models. Urethane formation and viscosity build-up during cure reaction was studied by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) and rotational visocmetery (RV) methods.

Findings: Results showed that activation energy, enthalpy, progress and the rate of reaction were influenced by type of curing agent and the presence of catalyst. Kinetic models showed activation energy was reduced about 1 kJ/mol at each 0.05 unit increase in the degree of cure. The activation energy of HTPB-TDI-DBTDL binder system versus degree of cure was reduced slower in comparison to HTPB-IPDI-DBTDL binder system. Decrease in activation energy at degrees of cure higher than 90% was intensified as probable diffusion of low molecular weight molecules into polymer chains. Enthalpy of reaction in HTPB-TDI-DBTDL binder system at heating rates of higher than 10° C/min was independent of heating rate, whereas in HTPB-IPDI-DBTDL binder system the enthalpy of reaction is highly dependent on heating rate. Chemorheological results showed that rate of curing reaction for binder systems are in the order of HTPB-TDI-DBTDL>HTPB-IPDI-DBTDL>HTPB-TDI.

کلیدواژه‌ها English

HTPB
DSC
cure kinetic
curing agent and activation energy
[1] Xiao Y., Jin B., Peng R., Zhang Q., Liu Q., Guo P., and Chu S., Kinetic and Thermodynamic Analysis of the Hydroxyl-Terminated Polybutadiene Binder System by Using Microcalorimetry, Thermochimica Acta, 659, 13-18, 2018.
[2] Singh M., Kanungo B., and Bansal T., Kinetic Studies on Curing of Hydroxy‐Terminated Polybutadiene Prepolymer‐Based Polyurethane Networks, Applied Polymer Science, 85, 842-846, 2002.
[3] Sekkar V., Krishnamurthy V., and Jain S., Kinetics of Copolyurethane Network Formation, Applied Polymer Science, 66, 1795-1801, 1997.
[4] Lucio B., and Fuente J., Rheokinetic Analysis on the Formation of Metallo-Polyurethanes Based on Hydroxyl-Terminated Polybutadiene, European Polymer Journal, 50, 117-126, 2014.
[5] Haska S., Bayramli E., Pekel F., and Ozkar S., Mechanical Properties of HTPB-IPDI-Based Elastomers, Applied Polymer Science, 64, 2347-2354, 1997.
[6] Guo J., Chia T., Liu Y., Cui J., Ma H., Jing S., Zhong L., Qin S., Wang G., and Ren X., Kinetic Research on the Curing Reaction of Hydroxyl-Terminated Polybutadiene Based Polyurethane Binder System Via FT-IR Measurements, Coatings, 2018.
[7] Chang S. Tang J. Liu X. and Yan W., Study on Catalysis Effect of TEPB on the Curing Reaction of HTPB Binder System, In IOP Conference Series: Materials Science And Engineering, IOP Publishing, 2016.
[8] Lee S., Choi J., Hong I., and Lee J., Curing Behavior of Polyurethane as a Binder For Polymer-Bonded Explosives, Industrial and Engineering Chemistry, 21, 980-985, 2015.
[9] Bina K., Kannan K., and Ninan K., DSC Study on the Effect of Isocyanates and Catalysts on the HTPB Cure Reaction, Thermal Analysis and Calorimetry, 78, 753-760, 2004.
[10] Wang R., Li X., Wang X., and Luo Y., Preparation and Characterization of Polybutadiene Curing System by Click Chemistry, Soft Materials, 1-10, 2019.
[11] Catherine K., Krishnan K., and Ninan K., A DSC Study on Cure Kinetics of HTPB-IPDI Urethane Reaction, Thermal Analysis and Calorimetry, 59, 93-100, 2000.
[12] Han J., Yu C., Lin Y., and Hsieh K., Kinetic Study of the Urethane and Urea Reactions of Isophorone Diisocyanate, Applied Polymer Science, 107, 3891-3902, 2008.
[13] Burel F., Feldman A., and Bunel C., Hydrogenated Hydroxy-Functionalized Polyisoprene (H-HTPI) and Isocyanurate of Isophorone Diisocyanates (I-IPDI): Reaction Kinetics Study Using FTIR Spectroscopy, Polymer, 46, 15-25, 2005.
[14] Kincal D., and Özkar S., Kinetic Study of the Reaction Between Hydroxyl‐Terminated Polybutadiene and Isophorone Diisocyanate in Bulk by Quantitative FTIR Spectroscopy, Applied Polymer Science, 66, 1979-1983, 1997.
[15] Du W., Tan L., Zhang Y., Yang H., and Chen H., Rheological and Kinetic Investigation Into Isothermal Curing of a Thermoset Polythiourethane System, Polymer-Plastics Technology and Materials, 1-9, 2019.
[16] Lee S., Choi C., Hong I., and Lee J., Polyurethane Curing Kinetics for Polymer Bonded Explosives: HTPB/IPDI Binder, Korean Journal of Chemical Engineering, 32, 1701-1706, 2015.
[17] Moshirnia M., Kokabi M., Moaddel H., Curing Kinetics Study of Epoxy Resin at Nonisothermal Conditions, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 17, 135-141, 2004.
[18] Hui M., Yu-Cun L., Tao C., Tuo-Ping H., Jia-Hu G., Yan-Wu Y., Jun-Ming Y., Jian-Hua W., Ning Q., and Liang Z., Kinetic Studies on the Cure Reaction of Hydroxyl-Terminated Polybutadiene Based Polyurethane with Variable Catalysts by Differential Scanning Calorimetry, e-Polymers, 17, 89-94, 2017.
[19] El-Thaher N., Mekonnen T., Mussone P., Bressler D., and Choi Ph., Nonisothermal DSC Study of Epoxy Resins Cured with Hydrolyzed Specified Risk Material, Industrial & Engineering Chemistry Research, 52, 8189-8199, 2013.
[20] Sbirrazzuoli N., Vya
zovkin S., Mititelu A., Sladic C., and Vincent L., A Study of Epoxy-Amine Cure Kinetics by Combining Isoconversional Analysis with Temperature Modulated DSC and Dynamic Rheometry, Macromolecular Chemistry and Physics, 204, 1815-1821, 2003.
[21] Lopez L., Cosgrove A., Hernandez-Ortiz J., and Osswald T., Modeling the Vulcanization Reaction of Silicone Rubber, Polymer Engineering & Science, 47, 675-683, 2007.
[22] Qorayshi M., Asghari G., Experimental Study of Non-Isothermal Curing Kinetics of SBR Compound by Direct Temperature Determination and RPA Machine, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 20, 11-23, 2006.
[23] Sekkar V., Ambika Devi K., and Ninan K., Rheo‐Kinetic Evaluation on the Formation of Urethane Networks Based on Hydroxyl‐Terminated Polybutadiene, Applied Polymer Science, 79, 1869-1876, 2001.