Aká je miera absorpcie vody fenolformaldehydovej živice?

Úvod

Fenolformaldehydové (PF) živicesú termosetové živicové systémy používané vo formovacích zmesiach, laminátoch, kompozitoch a iných priemyselných materiálových systémoch. Pretože absorpcia vlhkosti môže byť dôležitá pre hodnotenie rozmerových, elektrických alebo mechanických vlastností plastov, absorpcia vody je praktickým hľadiskom pri hodnotení materiálov na báze PF za definovaných prevádzkových alebo testovacích podmienok. Neexistuje však jediná hodnota absorpcie vody, ktorá by charakterizovala všetky materiály fenolformaldehydovej živice. Zmysluplná odpoveď vyžaduje jasnú definíciu stavu materiálu, formulácie, geometrie vzorky, kondicionovania, podmienok expozície a skúšobnej metódy.

Krátka odpoveď

Neexistuje žiadna jediná hodnota absorpcie vody, ktorá by platila univerzálne pre všetky materiály fenolformaldehydovej živice. Hlásený výsledok absorpcie vody by mal identifikovať testovaciu metódu, vzorku, kondicionovanie, expozičné médium, teplotu a trvanie. V prípade materiálov na báze PF by sa mal identifikovať aj stav materiálu a zloženie, aby sa údaje z čistej živice, formovacích zmesí, laminátov alebo kompozitov nepovažovali za vzájomne zameniteľné. Rovnako dôležité je, že absorpcia vody a obsah vody sú odlišné pojmy, ktoré si vyžadujú rôzne testovacie metódy a odpovedajú na rôzne otázky.

Aký materiál sa v skutočnosti testuje?

Pre interpretáciu absorpcie vody môže byť potrebné rozlišovať materiály súvisiace s PF podľa stavu materiálu a zloženia. Relevantné testovacie objekty môžu zahŕňať:

• Nevytvrdená tekutá živica alebo roztok živice
• Pevná živica vrátane vločiek alebo iných dodávaných pevných foriem
• Prášková živica
• Čiastočne vytvrdnutý materiál
• Úplne vytvrdená vzorka zo živice
• Fenolová formovacia hmota
• Laminát
• Naplnená formulácia
• Vláknami vystužený kompozit
• Hotový komponent

Tieto stavy materiálu a formulácie nie sú zameniteľné skúšobné objekty. Hodnota absorpcie vody získaná z jedného stavu materiálu automaticky nepredpovedá správanie druhého. Výsledok získaný pre jeden stav materiálu by sa nemal považovať za reprezentujúci formulovanú zmes, kompozit, laminát alebo hotový komponent bez vhodného porovnávacieho základu.

Absorpcia vody nie je to isté ako obsah vody

Tento rozdiel je základom pre správnu interpretáciu údajov PF živice.

Absorpcia vody sa týka procesu, ktorým materiál prijíma vodu zo svojho prostredia za definovaných podmienok expozície. Meria sa na pevných vzorkách pomocou postupov ako ASTM D570 alebo ISO 62.

Obsah vody sa vzťahuje na množstvo vody už prítomnej v materiáli v čase testovania. Norma ISO 15512:2019 špecifikuje metódy na stanovenie obsahu vody v plastoch vo forme prášku, granúl a hotových výrobkov a výslovne uvádza, že tieto metódy netestujú kinetiku a rovnováhu absorpcie vody podľa ISO 62.

Pre práškové alebo iné použiteľné formy materiálu môže byť obsah vody špecifikovaný alebo meraný ako samostatný materiálový parameter. Nemal by nahrádzať absorpciu vody vytvrdenej vzorky. Naopak, výsledok absorpcie vody z vytvrdenej vzorky nepopisuje obsah vody v surovine pred spracovaním.

Prečo univerzálne číslo PF absorpcie vody nie je vhodné

Niekoľko faktorov ovplyvňuje správanie pri absorpcii vody a mali by sa identifikovať tam, kde je to relevantné pre interpretáciu alebo porovnanie:

• Forma materiálu: čistá vytvrdená živica, formovacia hmota, laminát a kompozit sú rôzne testovacie objekty.
• Zloženie živice: čistá živica, plnené zmesi, lamináty a vystužené kompozity sú odlišné materiálové systémy, takže výsledky by sa mali pripísať testovanej formulácii.
• Stav vytvrdnutia: stav vytvrdnutia by sa mal identifikovať pri hlásení alebo porovnávaní vzoriek, pretože by sa nemalo predpokladať, že rôzne pripravené vzorky predstavujú rovnaký testovací objekt.
• Geometria vzorky: hrúbka a exponovaný povrch ovplyvňujú rýchlosť a zdanlivý rozsah absorpcie.
• Príprava vzorky: príprava, rozmery a kondicionovanie by sa mali identifikovať tam, kde to špecifikuje zvolená testovacia metóda.
• Kondicionovanie a expozícia: dôležité sú teplota, médium (kvapalná voda verzus vlhký vzduch) a trvanie.
• Skúšobná metóda: ASTM D570 a ISO 62 sa líšia špecifikáciou vzorky, postupom a základom podávania správ.

Výsledok absorpcie vody je lepšie interpretovateľný, keď sú k dispozícii informácie o príslušnom materiáli, vzorke, kondicionovaní a expozícii. Bez takýchto informácií má údaj o absorpcii vody obmedzenú porovnateľnú hodnotu.

Novolac a Resole: Klasifikácia neurčuje výsledok testu

Novolaky a rezoly sú v rámci odlišných triedfenolové živice. Novolaky sú vo všeobecnosti termoplastické fenolové predpolyméry, ktoré sa bežne kombinujú s vytvrdzovacím systémom, ako je hexametyléntetramín (HMTA), za vzniku termosetu, zatiaľ čo rezoly sú tepelne reaktívne fenolové živice schopné ďalšieho vytvrdzovania.

Táto klasifikácia však sama osebe neurčuje absorpciu vody vytvrdenej formovacej hmoty, laminátu, kompozitu alebo hotového dielu. Priame porovnanie materiálov na báze novolaku a rezolu vyžaduje vzorky pripravené, vytvrdené a testované za ekvivalentných podmienok. Pri absencii takéhoto kontrolovaného porovnania nie je možné stanoviť žiadne všeobecné poradie.

ASTM D570-22

ASTM D570-22 zahŕňa stanovenie relatívnej rýchlosti absorpcie vody plastmi pri ponorení. Jeho rozsah zahŕňa liate, za tepla a za studena tvarované živicové produkty, homogénne a laminované plasty vo forme tyčí a rúr a dosky s hrúbkou 0,13 mm alebo väčšou.

Norma poznamenáva, že čas do nasýtenia silne závisí od hrúbky vzorky a že vzťah medzi obsahom vlhkosti a vlastnosťami, ako je elektrický izolačný odpor, dielektrické straty, mechanická pevnosť a rozmery, závisí od typu expozície, tvaru dielu a základných vlastností materiálu. ASTM D570 je skôr testovacia metóda než špecifikácia produktu špecifická pre PF. To, či sa pre konkrétny materiál vyžaduje výsledok D570, by sa malo určiť v príslušnom obstarávaní alebo špecifikácii produktu.

ISO 62:2008

ISO 62:2008 opisuje postupy na stanovenie absorpcie vlhkosti v smere hrúbky pevných plastov a na stanovenie množstva vody absorbovanej vzorkami definovaných rozmerov ponorenými vo vode alebo vystavenými vlhkému vzduchu. Je použiteľný pre pevné plasty, ale výslovne vylučuje pórovité plasty, granuláty a prášky.

ISO 62 poskytuje kontrolované postupy na porovnávanie absorpcie vody definovaných pevných plastových vzoriek za špecifikovaných podmienok expozície. ISO 62 definuje rámec testu absorpcie vody z plastov; jeho použiteľnosť na konkrétny PF materiál by sa mala určiť z formulára materiálu a príslušnej špecifikácie.

ASTM D570 vs. ISO 62

ASTM D570 aj ISO 62 riešia absorpciu vody pevných plastov, líšia sa však rozsahom, špecifikáciou vzorky a podrobnosťami o postupe. ASTM D570-22 uvádza technickú rovnocennosť s ISO 62, keď sa použije vzorka opísaná v ASTM D570, časť 6.2. Toto vyhlásenie by sa nemalo interpretovať ako automatická ekvivalencia každého výsledku vytvoreného podľa týchto dvoch noriem. Musí sa dodržať príslušný postup a požiadavky na podávanie správ podľa vybranej normy.

Obsah vody v prášku alebo inej použiteľnej forme materiálu

Pre materiály PF dodávané vo forme, na ktorú sa vzťahuje príslušná metóda obsahu vody, je obsah vody oddeleným parametrom od absorpcie vody vytvrdenej pevnej vzorky. ISO 15512:2019 pokrýva plasty vo forme prášku, granúl a hotových výrobkov. Explicitne rozlišuje tieto merania od kinetiky absorpcie vody a rovnováhy meranej podľa ISO 62. Nemalo by sa predpokladať, že sa vzťahuje na každý kvapalný PF živicový systém.

Ako formulácia a stav materiálu ovplyvňujú interpretáciu

Údaje o absorpcii vody by sa mali pripísať kompletnému testovanému materiálu. Vytvrdená vzorka zo živice, naplnená formovacia zmes, laminát a vystužený kompozit sú rôzne testované objekty. Hodnota nameraná pre jednu osobu by sa nemala prenášať priamo na druhú bez reprezentatívneho dôkazu. Hodnota nameraná pre surovú živicu alebo jednu definovanú vzorku by sa sama osebe nemala považovať za hodnotu absorpcie vody iného formulovaného alebo hotového materiálu.

Ako porovnať údaje o absorpcii vody

Zmysluplné porovnanie si vyžaduje ekvivalentné testovacie podmienky alebo jasné vysvetlenie relevantných rozdielov. Nasleduje skôr praktický rámec porovnania než úplný kontrolný zoznam podávania správ predpísaný normami ASTM D570 alebo ISO 62. Pred porovnaním dvoch hodnôt absorpcie vody si overte nasledovné:

• Presné označenie materiálu alebo triedy
• Stav materiálu (živica, zmes, laminát, kompozit)
• V prípade potreby typ živice
• Podrobnosti o zložení (plnivá, výstuže, prísady)
• Stav vyliečenia
• Skúšobná metóda a vydanie (ASTM D570-22, ISO 62: 2008 alebo iné)
• Rozmery vzorky
• Postup kondicionovania
• Expozičné médium (kvapalná voda alebo vlhký vzduch)
• Teplota
• Trvanie
• Či hodnota predstavuje zadané trvanie alebo rovnovážny výsledok
• Základ výpočtu a jednotky
• Kritériá prijatia a ich technický základ

Rozdiely v stave materiálu, príprave vzoriek, podmienkach expozície, metóde alebo na základe vykazovania by sa mali vyriešiť skôr, ako sa hodnoty budú považovať za priamo porovnateľné.

TDS, CoA a správa o teste

Nasledujúce rozdiely sú skôr praktickými úvahami o dokumentácii než definíciami dokumentov predpísanými normami ASTM D570, ISO 62 alebo ISO 15512.

Technický list (TDS) môže obsahovať typické, nominálne informácie alebo informácie o rozsahu špecifikácií pre materiál. Certifikát analýzy (CoA), ak je dodaný, môže uvádzať výsledky špecifické pre šaržu alebo šaržu a môže tiež uvádzať príslušné akceptačné limity. Správa o teste môže identifikovať testovaciu metódu, vzorku alebo vzorku, podmienky a oznámený výsledok.

Formát a obsah dokumentu sa líšia v závislosti od dodávateľa, materiálu a transakcie. Kupujúci by si preto mali overiť, či nahlásená hodnota predstavuje typickú vlastnosť, limit špecifikácie alebo výsledok testu špecifického pre šaržu.

Bežné chyby interpretácie

Chyba 1: Všetky PF živice majú jednu štandardnú hodnotu absorpcie vody.

Oprava: Nasiakavosť je vlastnosť definovaného materiálu v definovanom stave, meraná za definovaných podmienok.

Chyba 2: Hodnota obsahu vody v prášku sa rovná absorpcii vody vytvrdenej živice.

Oprava: Obsah vody (ISO 15512) a absorpcia vody (ISO 62) sú rôzne merania.

Chyba 3: Klasifikácia Novolac/resole samotná predpovedá absorpciu vody.

Oprava: Porovnanie vyžaduje kontrolované vzorky a podmienky.

Chyba 4: Výsledky ASTM D570 a ISO 62 sú automaticky zameniteľné.

Oprava: ASTM D570 uvádza technickú ekvivalenciu s ISO 62 len vtedy, keď sa použije vzorka opísaná v ASTM D570, časť 6.2.

Chyba 5: Výsledok čistej živice automaticky predpovedá vyplnený kompozit alebo hotový komponent.

Oprava: Čistá živica, plnené zmesi, lamináty, kompozity a hotové komponenty sú rôzne materiálové systémy alebo testované objekty. Výsledok z jedného by sa nemal automaticky prenášať do druhého.

Chyba 6: Typická hodnota TDS je automaticky výsledkom dávky.

Oprava: Správy TDS, CoA a testovacie správy slúžia rôznym funkciám.

Čo by mali kupujúci špecifikovať

Pri vyžiadaní alebo hodnotení údajov o absorpcii vody živicou PF by sa mali špecifikovať nasledujúce informácie, ak sú relevantné pre aplikáciu:

• Živica/forma materiálu (kvapalina, tuhá látka, prášok, vločky atď.)
• Označenie stupňa
• Trieda živice, ak je to relevantné (novolac alebo rezol)
• Zamýšľaný spôsob formulácie a spracovania
• Stav vytvrdnutia testovaného objektu
• Testovaný predmet (čistá živica, formovacia hmota, laminát, kompozit, hotový diel)
• Testovací štandard a vydanie
• Geometria vzorky
• Postup kondicionovania
• Médium expozície, teplota a trvanie
• Akceptačný limit a jeho technický základ
• Vyžaduje sa dokumentácia (TDS, CoA, správa o teste)

Skúšobná metóda by sa mala zvoliť podľa formy materiálu a hodnotenej vlastnosti; ASTM D570 a ISO 62 sa týkajú absorpcie vody použiteľných pevných plastov, zatiaľ čo ISO 15512 sa zaoberá obsahom vody v rámci svojho stanoveného rozsahu. Nie každý scenár obstarávania vyžaduje všetky tieto špecifikácie, ale pre zmysluplné porovnanie údajov je nevyhnutná jasnosť stavu materiálu a testovacích podmienok.

Záver

Absorpcia vodyfenolformaldehydová živicanemôže byť reprezentované jedným univerzálnym číslom. Je to vlastnosť konkrétneho materiálu v konkrétnom stave, meraná za definovaných podmienok pomocou definovanej metódy. Uvedené hodnoty sú užitočné na porovnanie len vtedy, keď je známa identita materiálu, stav vytvrdnutia, príprava vzorky, podmienky expozície a testovacia metóda. Absorpcia vody a obsah vody sú odlišné pojmy, ktoré si vyžadujú rôzne testovacie metódy. Pre porovnanie relevantné pre aplikáciu môžu byť údaje z reprezentatívneho vytvrdeného prípravku, vzorky alebo hotového materiálu informatívnejšie ako hodnota nameraná na materiálovo odlišnom testovanom objekte.

Profesionálna CTA

Zákazníci, ktorí hodnotia fenolformaldehydovú živicu pre aplikácie citlivé na vlhkosť, môžu poskytnúť formu živice alebo materiálu, zamýšľanú formuláciu, predmet testu, použiteľnú metódu absorpcie vody alebo metódu obsahu vody, podmienky expozície alebo úpravy a akceptačné kritériá, aby bolo možné posúdiť dostupnú dokumentáciu o kvalite vzhľadom na uvedenú požiadavku.

Referencie

[1] ASTM International. (2022). ASTM D570-22, Štandardná skúšobná metóda pre absorpciu vody z plastov.https://doi.org/10.1520/D0570-22

[2] Medzinárodná organizácia pre normalizáciu. (2008). ISO 62:2008, Plasty – Stanovenie absorpcie vody (3. vydanie).
https://www.iso.org/standard/41672.html

[3] Medzinárodná organizácia pre normalizáciu. (2019). ISO 15512:2019, Plasty – Stanovenie obsahu vody (5. vydanie).
https://www.iso.org/standard/73834.html

[4] Pilato, LA (ed.). (2010). Fenolové živice: storočie pokroku. Springer Berlin, Heidelberg.https://doi.org/10.1007/978-3-642-04714-5

[5] Asim, M., Saba, N., Jawaid, M., Nasir, M., Pervaiz, M., & Alothman, OY (2018). Prehľad o fenolovej živici a jej kompozitoch. Current Analytical Chemistry, 14(3), 185–197.https://doi.org/10.2174/1573411013666171003154410