Simulation von zweistufig vernetzenden Schmelzereaktionssystemen - Ermittlung bruttokinetischer Parameter
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem bearbeiteten Forschungsprojekt konnte gezeigt werden, dass Reaktionsabläufe von zweistufig härtenden Reaktionssystemen in Schmelze auf Basis formalkinetischer Untersuchungen vorhergesagt werden können. Die formalkinetischen Parameter wurden aus Daten von nicht-isothermen DSC- Messungen und rheologischen Untersuchungen ermittelt. Zunächst wurden niedermolekulare Modellsysteme betrachtet, bei denen neben der Vernetzungsreaktion keine weiteren Nebenreaktionen ablaufen. Die Berechnung der formalkinetischen Parameter erfolgte unter Verwendung der Software THERMOKINETICS (Fa. Netzsch). Die Parameter wurden durch multivariate nichtlineare Regression ermittelt. Nach der Wahl eines geeigneten formalkinetischen Modells, welches nicht zwangsläufig dem chemischen Reaktionsmodells entspricht, wurden die Messdaten sehr gut angepasst. Unter Vorgabe beliebiger Reaktionsparameter wie Temperatur und Reaktionszeit wurde die zweistufige Vernetzungsreaktion simuliert. Anschließend wurden die Vorhersagen in DSC- Messungen und durch FT-IR-Spektroskopie experimentell verifiziert. Im Anschluss wurden die formalkinetischen Untersuchungen auf polymere Modellsysteme erweitert. In diesen Systemen laufen neben der Vernetzungsreaktion noch weitere Reaktionen ab. Die Berechnung der formalkinetischen Parameter hat gezeigt, dass diese Reaktionen jedoch nicht im formalkinetischen Modell berücksichtigt werden müssen, da ihr Anteil an der Gesamtreaktion vernachlässigbar ist. Nach der Ermittlung der kinetischen Parameter wurde wiederum das Reaktionsverhalten unter Vorgabe beliebiger Reaktionsparameter simuliert. Die Verifizierung der Ergebnisse erfolgte durch DSC-Messungen. Im Fall der polymeren Modellsysteme erfolgte die formalkinetische Analyse zusätzlich auf Basis rheologischer Messungen. Die kinetischen Parameter wurden aus der Schmelzeviskosität ermittelt. Dieses Verfahren ermöglicht die Vorhersage des Schmelzeverhaltens der Systeme während der Vernetzungsreaktion. Für spätere Anwendungen, wie z. B. Betrachtung des Härtungsverhaltens von thermisch härtenden Pulverlacken, können diese Untersuchungen zum Beschreiben des Verlaufs während der Filmbildung herangezogen werden. Vor Beginn der Arbeiten konnte das Reaktionsverhalten von zweistufig härtenden Reaktionssystemen in Schmelze nicht kinetisch beschrieben werden. Erstmals war es nun möglich, kinetische Parameter für beide Teilreaktionen des Vernetzungsprozesses separat zu ermitteln. Durch die Kenntnis der formalkinetischen Parameter sowie dem kinetischen Modell gelang es nun, den Reaktionsverlauf bei der Vernetzung besser zu verstehen. Die Ergebnisse der mathematischen Betrachtung des Vernetzungsprozesses ermöglichten eine genaue Vorhersage und Steuerung des Reaktionsverlaufs. Durch Wahl geeigneter Reaktionsparametern konnten bestimmte Vernetzungszustände berechnet und anschließend experimentell bestätigt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Formal kinetic analysis of two-step curing reactions in melts - simulation of the reaction behaviour. - in: Proceedings of 2007 International Conference on Advanced Fibers and Polymer Materials. Oct. 15 - 17, 2007 Shanghai, China. - Chemical Industry Press, 2007. - Volume I, S. 15-18, ISBN 978-7-122-01223-4
Edelmann, M.; Gedan-Smolka, M.; Heinrich, G.; Lehmann, D.
- Simulation of two-step curing reactions in melts on the basis of formal kinetic analysis. - in: Polymer Processing Society : Europe/Africa Regional Meeting 2007 - PPS07 EA, Göteburg, 28.-30.08.2007. - Hexagon Holding ApS, 2007. - ISBN 87-89753-56-9
Edelmann, M.; Gedan-Smolka, M.; Heinrich, G.; Lehmann, D.
- Thermokinetic analysis of two-step curing reactions in melt - Part I. Investigation of low molecular model systems. - Thermochimica Acta 452 (2007). - S. 59-64
Edelmann, M.; Gedan-Smolka, M.; Heinrich, G.; Lehmann, D.
