Jaka jest szybkość absorpcji wody przez żywicę fenolowo-formaldehydową?

Wstęp

Żywice fenolowo-formaldehydowe (PF).to systemy żywic termoutwardzalnych stosowane w masach formierskich, laminatach, kompozytach i innych systemach materiałów przemysłowych. Ponieważ absorpcja wilgoci może mieć znaczenie dla oceny właściwości wymiarowych, elektrycznych lub mechanicznych tworzyw sztucznych, absorpcja wody jest praktycznym czynnikiem przy ocenie materiałów na bazie PF w określonych warunkach eksploatacyjnych lub testowych. Nie ma jednak jednej wartości absorpcji wody, która charakteryzowałaby wszystkie materiały na bazie żywic fenolowo-formaldehydowych. Znacząca odpowiedź wymaga jasnego zdefiniowania stanu materiału, składu, geometrii próbki, kondycjonowania, warunków ekspozycji i metody badania.

Krótka odpowiedź

Nie ma jednej wartości absorpcji wody, która miałaby zastosowanie uniwersalnie do wszystkich materiałów na bazie żywic fenolowo-formaldehydowych. Podany wynik absorpcji wody powinien określać metodę badania, próbkę, kondycjonowanie, medium ekspozycji, temperaturę i czas trwania. W przypadku materiałów na bazie PF należy również określić stan i skład materiału, aby dane dotyczące czystej żywicy, mas do formowania, laminatów lub kompozytów nie były traktowane jako zamienne. Co równie ważne, absorpcja wody i zawartość wody to odrębne pojęcia, które wymagają różnych metod testowania i odpowiadają na różne pytania.

Jaki materiał jest faktycznie testowany?

W celu interpretacji absorpcji wody może zaistnieć potrzeba rozróżnienia materiałów związanych z PF ze względu na stan materiału i skład. Odpowiednie obiekty testowe mogą obejmować:

• Nieutwardzona ciekła żywica lub roztwór żywicy
• Żywica w postaci stałej, w tym w płatkach lub w innych dostarczonych postaciach stałych
• Żywica w proszku
• Częściowo utwardzony materiał
• Całkowicie utwardzony okaz czystej żywicy
• Fenolowa masa formierska
• Laminat
• Wypełniony preparat
• Kompozyt wzmocniony włóknem
• Gotowy komponent

Te stany materialne i receptury nie są wymiennymi obiektami testowymi. Wartość absorpcji wody uzyskana dla jednego stanu materiału nie pozwala automatycznie przewidzieć zachowania innego. Nie należy zakładać, że wynik uzyskany dla jednego stanu materiału reprezentuje gotowy związek, kompozyt, laminat lub gotowy komponent bez odpowiedniej podstawy porównawczej.

Absorpcja wody to nie to samo, co zawartość wody

To rozróżnienie ma fundamentalne znaczenie dla prawidłowej interpretacji danych dotyczących żywicy PF.

Absorpcja wody odnosi się do procesu, w którym materiał pobiera wodę ze swojego otoczenia w określonych warunkach ekspozycji. Mierzy się go na próbkach stałych, stosując procedury takie jak ASTM D570 lub ISO 62.

Zawartość wody odnosi się do ilości wody już obecnej w materiale w momencie badania. W normie ISO 15512:2019 określono metody oznaczania zawartości wody w tworzywach sztucznych w postaci proszku, granulatów i wyrobów gotowych i wyraźnie stwierdzono, że metody te nie badają kinetyki i równowagi absorpcji wody mierzonej zgodnie z normą ISO 62.

W przypadku proszku lub innych odpowiednich postaci materiału zawartość wody można określić lub zmierzyć jako odrębny parametr materiałowy. Nie należy go zastępować absorpcji wody przez utwardzoną próbkę. I odwrotnie, wynik absorpcji wody przez utwardzoną próbkę nie opisuje zawartości wody w surowcu przed obróbką.

Dlaczego uniwersalny współczynnik absorpcji wody PF nie jest odpowiedni

Na zachowanie absorpcji wody wpływa kilka czynników, które należy zidentyfikować, jeśli ma to znaczenie dla interpretacji lub porównania:

• Forma materiału: starannie utwardzona żywica, masa formierska, laminat i kompozyt to różne obiekty testowe.
• Receptura żywicy: czysta żywica, mieszanki wypełniane, laminaty i kompozyty wzmocnione to odrębne systemy materiałowe, dlatego wyniki należy przypisać badanej recepturze.
• Stan utwardzenia: stan utwardzenia należy określić podczas raportowania lub porównywania próbek, ponieważ nie należy zakładać, że odmiennie przygotowane próbki reprezentują ten sam obiekt badania.
• Geometria próbki: grubość i odsłonięta powierzchnia wpływają na szybkość i widoczny stopień absorpcji.
• Przygotowanie próbki: należy określić przygotowanie, wymiary i kondycjonowanie, jeśli jest to określone w wybranej metodzie badawczej.
• Kondycjonowanie i ekspozycja: istotna jest temperatura, medium (woda w stanie ciekłym lub wilgotne powietrze) i czas trwania.
• Metoda testowa: ASTM D570 i ISO 62 różnią się specyfikacją próbki, procedurą i podstawą raportowania.

Wynik absorpcji wody jest łatwiejszy do interpretacji, gdy dostępne są informacje dotyczące odpowiedniego materiału, próbki, kondycjonowania i narażenia. Bez takich informacji dane dotyczące absorpcji wody mają ograniczoną wartość porównawczą.

Novolac i Resole: Klasyfikacja nie determinuje wyniku testu

Nowolaki i rezole to odrębne klasyżywice fenolowe. Nowolaki to na ogół termoplastyczne prepolimery fenolowe, które zwykle łączy się z układem utwardzającym, takim jak heksametylenotetramina (HMTA), w celu utworzenia materiału termoutwardzalnego, podczas gdy rezole to reaktywne pod wpływem ciepła żywice fenolowe, zdolne do dalszego utwardzania.

Jednakże sama ta klasyfikacja nie określa absorpcji wody przez utwardzoną masę formierską, laminat, kompozyt lub gotową część. Bezpośrednie porównanie materiałów na bazie nowolaku i rezoli wymaga przygotowania, utwardzenia i przetestowania próbek w równoważnych warunkach. W przypadku braku takiego kontrolowanego porównania nie można ustalić ogólnego rankingu.

ASTM D570-22

ASTM D570-22 obejmuje wyznaczanie względnej szybkości absorpcji wody przez tworzywa sztuczne po zanurzeniu. Jej zakres obejmuje odlewane, formowane na gorąco i na zimno wyroby żywiczne, jednorodne i laminowane tworzywa sztuczne w postaci prętów i rur oraz arkusze o grubości 0,13 mm i większej.

W normie zauważono, że czas do nasycenia jest silnie zależny od grubości próbki oraz że związek między zawartością wilgoci a właściwościami, takimi jak rezystancja izolacji elektrycznej, straty dielektryczne, wytrzymałość mechaniczna i wymiary, zależy od rodzaju ekspozycji, kształtu części i nieodłącznych właściwości materiału. ASTM D570 to metoda testowa, a nie specyfikacja produktu specyficzna dla PF. To, czy dla konkretnego materiału wymagany jest wynik D570, należy ustalić na podstawie obowiązującego zamówienia lub specyfikacji produktu.

ISO 62:2008

W normie ISO 62:2008 opisano procedury określania absorpcji wilgoci w kierunku wzdłuż grubości stałych tworzyw sztucznych oraz określania ilości wody pochłoniętej przez próbki o określonych wymiarach zanurzone w wodzie lub wystawione na działanie wilgotnego powietrza. Ma zastosowanie do stałych tworzyw sztucznych, ale wyraźnie wyklucza tworzywa komórkowe, granulaty i proszki.

ISO 62 zapewnia kontrolowane procedury porównywania absorpcji wody przez określone próbki z tworzywa sztucznego w określonych warunkach ekspozycji. ISO 62 definiuje ramy badań absorpcji wody przez tworzywa sztuczne; jego zastosowanie do konkretnego materiału PF należy ustalić na podstawie formy materiału i odpowiedniej specyfikacji.

ASTM D570 kontra ISO 62

Zarówno ASTM D570, jak i ISO 62 dotyczą absorpcji wody przez stałe tworzywa sztuczne, ale różnią się zakresem, specyfikacją próbki i szczegółami proceduralnymi. ASTM D570-22 stwierdza techniczną równoważność z ISO 62, gdy używana jest próbka opisana w ASTM D570 sekcja 6.2. Stwierdzenia tego nie należy interpretować jako automatycznej równoważności każdego wyniku uzyskanego w ramach obu standardów. Należy przestrzegać obowiązującej procedury i wymagań sprawozdawczych wybranej normy.

Zawartość wody w proszku lub w innych odpowiednich postaciach materiału

W przypadku materiałów PF dostarczanych w postaci objętej odpowiednią metodą pomiaru zawartości wody, zawartość wody jest parametrem odrębnym od absorpcji wody przez utwardzoną próbkę stałą. ISO 15512:2019 obejmuje tworzywa sztuczne w postaci proszku, granulatu i wyrobów gotowych. Wyraźnie odróżnia te pomiary od kinetyki absorpcji wody i równowagi mierzonych przez ISO 62. Nie należy zakładać, że ma to zastosowanie do każdego układu ciekłej żywicy PF.

Jak sformułowanie i stan materiału wpływają na interpretację

Dane dotyczące nasiąkliwości wody należy przypisać do całego badanego materiału. Utwardzona próbka czystej żywicy, wypełniona masa formierska, laminat i wzmocniony kompozyt to różne obiekty testowe. Wartości zmierzonej dla jednego nie należy przenosić bezpośrednio na inny bez reprezentatywnych dowodów. Wartość zmierzona dla surowej żywicy lub jednej określonej próbki nie powinna być sama w sobie traktowana jako wartość absorpcji wody przez inny opracowany lub gotowy materiał.

Jak porównać dane dotyczące absorpcji wody

Znaczące porównanie wymaga równoważnych warunków testowych lub jasnego przedstawienia istotnych różnic. Poniżej znajduje się praktyczny schemat porównawczy, a nie pełna lista kontrolna raportowania zalecana przez ASTM D570 lub ISO 62. Przed porównaniem dwóch wartości absorpcji wody należy sprawdzić, co następuje:

• Dokładne oznaczenie materiału lub gatunku
• Stan materiału (czysta żywica, mieszanka, laminat, kompozyt)
• Rodzaj żywicy, jeśli ma to zastosowanie
• Szczegóły receptury (wypełniacze, wzmocnienia, dodatki)
• Stan wyleczenia
• Metoda badania i wydanie (ASTM D570-22, ISO 62:2008 lub inne)
• Wymiary próbki
• Procedura kondycjonowania
• Medium ekspozycji (ciekła woda lub wilgotne powietrze)
• Temperatura
• Czas trwania
• Określa, czy wartość reprezentuje wynik o określonym czasie trwania czy równowagę
• Podstawa obliczeń i jednostki
• Kryteria akceptacji i ich podstawy techniczne

Różnice w stanie materiału, przygotowaniu próbki, warunkach narażenia, metodzie lub podstawie raportowania powinny zostać usunięte, zanim wartości zostaną potraktowane jako bezpośrednio porównywalne.

TDS, CoA i raport z testów

Poniższe rozróżnienia dotyczą praktycznych zagadnień związanych z dokumentacją, a nie definicji dokumentów określonych w normach ASTM D570, ISO 62 lub ISO 15512.

Karta danych technicznych (TDS) może przedstawiać informacje typowe, nominalne lub dotyczące zakresu specyfikacji materiału. Certyfikat analizy (CoA), jeśli został dostarczony, może podawać wyniki specyficzne dla partii lub partii, a także może zawierać listę odpowiednich limitów akceptacji. Sprawozdanie z badania może określać metodę badania, próbkę lub próbkę, warunki i zgłoszony wynik.

Format i treść dokumentu różnią się w zależności od dostawcy, materiału i transakcji. Kupujący powinni zatem sprawdzić, czy podana wartość reprezentuje typową właściwość, limit specyfikacji lub wynik testu specyficznego dla partii.

Typowe błędy interpretacyjne

Błąd 1: Wszystkie żywice PF mają jedną standardową wartość absorpcji wody.

Korekta: Absorpcja wody jest właściwością określonego materiału w określonym stanie, mierzoną w określonych warunkach.

Błąd 2: Wartość zawartości wody w proszku jest równa absorpcji wody przez utwardzoną żywicę.

Korekta: Zawartość wody (ISO 15512) i absorpcja wody (ISO 62) to różne pomiary.

Błąd 3: Sama klasyfikacja nowolaku/rezolu pozwala przewidzieć wchłanianie wody.

Korekta: Porównanie wymaga kontrolowanych próbek i warunków.

Błąd 4: Wyniki ASTM D570 i ISO 62 są automatycznie zamienne.

Korekta: ASTM D570 stwierdza techniczną równoważność z ISO 62 tylko wtedy, gdy używana jest próbka opisana w ASTM D570 sekcja 6.2.

Błąd 5: Wynik czystej żywicy automatycznie przewiduje wypełnienie kompozytu lub gotowy komponent.

Korekta: Czysta żywica, wypełnione mieszanki, laminaty, kompozyty i gotowe komponenty to różne systemy materiałowe lub obiekty testowe. Wynik z jednego nie powinien być automatycznie przenoszony na inny.

Błąd 6: Typowa wartość TDS jest automatycznie wynikiem wsadowym.

Korekta: TDS, CoA i raporty z testów pełnią różne funkcje.

Co kupujący powinni określić

Przy żądaniu lub ocenie danych dotyczących absorpcji wody przez żywicę PF należy podać następujące informacje, jeśli jest to istotne dla wniosku:

• Forma żywicy/materiału (płyn, ciało stałe, proszek, płatki itp.)
• Oznaczenie stopnia
• Klasa żywicy, jeśli ma to zastosowanie (nowolak lub rezol)
• Zamierzona formuła i droga przetwarzania
• Stan utwardzania obiektu testowego
• Obiekt testowy (czysta żywica, masa formierska, laminat, kompozyt, część gotowa)
• Standard testowy i edycja
• Geometria próbki
• Procedura kondycjonowania
• Medium ekspozycji, temperatura i czas trwania
• Limit akceptacji i jego podstawy techniczne
• Wymagana dokumentacja (TDS, CoA, raport z testów)

Metodę badania należy wybrać w zależności od postaci materiału i ocenianej właściwości; ASTM D570 i ISO 62 dotyczą absorpcji wody przez odpowiednie stałe tworzywa sztuczne, natomiast ISO 15512 dotyczy zawartości wody w określonym zakresie. Nie każdy scenariusz zamówienia wymaga wszystkich tych specyfikacji, ale jasność co do stanu materiału i warunków testowych jest niezbędna do znaczącego porównania danych.

Wniosek

Absorpcja wodyżywica fenolowo-formaldehydowanie można przedstawić za pomocą jednej liczby uniwersalnej. Jest to właściwość określonego materiału w określonym stanie, mierzona w określonych warunkach przy użyciu określonej metody. Podane wartości są przydatne do porównania tylko wtedy, gdy znana jest tożsamość materiału, stan utwardzenia, przygotowanie próbki, warunki ekspozycji i metoda badania. Absorpcja wody i zawartość wody to odrębne pojęcia wymagające różnych metod testowania. Dla porównania istotnego dla zastosowania, dane z reprezentatywnego utwardzonego preparatu, próbki lub gotowego materiału mogą dostarczyć więcej informacji niż wartość zmierzona na zasadniczo innym obiekcie testowym.

Profesjonalne CTA

Klienci oceniający żywicę fenolowo-formaldehydową pod kątem zastosowań wrażliwych na wilgoć mogą podać postać żywicy lub materiału, zamierzony skład, przedmiot badania, odpowiednią metodę absorpcji wody lub metodę zawartości wody, warunki ekspozycji lub kondycjonowania oraz kryteria akceptacji, aby można było dokonać przeglądu dostępnej dokumentacji gatunku pod kątem określonych wymagań.

Referencje

[1] Międzynarodowa ASTM. (2022). ASTM D570-22, Standardowa metoda badania absorpcji wody przez tworzywa sztuczne.https://doi.org/10.1520/D0570-22

[2] Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna. (2008). ISO 62:2008, Tworzywa sztuczne – Oznaczanie nasiąkliwości (wyd. 3).
https://www.iso.org/standard/41672.html

[3] Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna. (2019). ISO 15512:2019, Tworzywa sztuczne – Oznaczanie zawartości wody (wyd. 5).
https://www.iso.org/standard/73834.html

[4] Pilato, Los Angeles (red.). (2010). Żywice fenolowe: stulecie postępu. Springer Berlin, Heidelberg.https://doi.org/10.1007/978-3-642-04714-5

[5] Asim, M., Saba, N., Jawaid, M., Nasir, M., Pervaiz, M. i Alothman, OY (2018). Przegląd żywicy fenolowej i jej kompozytów. Aktualna chemia analityczna, 14 (3), 185–197.https://doi.org/10.2174/1573411013666171003154410