An engineering analysis of the reaction injection molding process of epoxy resin was carried out through model simulations and actual experiments. The vitrification effect during the epoxy curing reaction was studied by the differential scanning calorimetry, and a reaction kinetic equation was derived to describe the effect of the vitrification on the reaction rate at both glassy and rubbery state. The viscosity function was expressed as a function of temperature and conversion and was based on the actual data measured by Rheometrics Mechanical Spectrometer. The heat capacity and the thermal conductivity were measured by the thermal analyzer. In order to simulate the epoxy RIM Process, balance equations calculating the temperature and conversion change in a disc type mold were established. These equations were solved numerically by a explicit finite difference method with the aid of a computer. The simulation model was verified by comparing the simulated temperature and conversion change with the measured temperature rise and the conversion profile estimated from the glass transition temperature(Tg) profile in the actual RIM experiment. The vitrification occurred during the epoxy RIM process reduced the reaction rate as the Tg of the reacting mixture exceeds or approaches the local reaction temperature inside the mold cavity. The effect was shown as the distribution of the Tg across the thickness direction of the molded product. As an attempt to optimize the RIM process using the simulation model, the effects of the molding parameters such as the feed temperature and the wall temperature on the eject time and the allowable maximum temperature and the viscosity limit for the mixing were analyzed.
In order to improve the mechanical properties of the cured epoxy resin, the liquid rubber(CTBN) was added and the phase separation behavior during the reaction was analyzed by the light scattering experiment. The transmitted light intensity was measured and it showed the onset and ending of the phase separation. The scattered light intensity with time showed the formation of the dispersed domain and the mechanism of the phase separation. The angle of the maximum scattered light intensity was used to compute the domain correlation length. The morphology of the blends was studied by the scanning electron micrography(SEM) and compared with the domain formation measured by the light scattering method. The impact strength and dynamic mechanical properties of the epoxy resin with different rubber concentration and cured at different temperature were compared and the effect of the domain size on these properties were analyzed.
에폭시 수지의 반응사출성형 공정을 콤퓨터 및 성형실험을 통하여 공학적으로 해석하였다.
에폭시 수지로는 diglycidyl ether of Bisphenol A (DGEBA) 를 경화제로는 triethylenetetramine (TETA)를 사용하였다. 에폭시 경화반응중에 일어나는 유리화 (vitrification) 현상이 DSC를 이용하여 분석되었고, 유리화에 따른 반응속도의 변화를 나타낼 수 있는 반응속도식이 유도되었다. 온도와 전환율의 함수로 표현되는 점도식은 RMS를 이용하여 구하였으며, 열용량과 열전도도는 열분석에 의해 구하였다.
에폭시 반응사출성형 공정을 모사하기 위하여 원반형 금형내에서 수지식들을 세운 후, 유한요소법을 이용하여 금형안에서의 온도, 전환율 그리고 유리전이온도 (Tg) 분포를 계산하였고, 이 결과를 실제 RIM 실험에서 측정된 온도변화 및 전환율 분포와 유리화를 고려하지 않은 모델에 의한 결과와 같이 비교하여 금형 벽면쪽의 유리화 현상과 온도에 따라 변하는 열전도도를 고려한 모델이 전의 모델에 비해 실제 결과에 잘 맞음을 알 수 있었다.
공정조건을 최적화하기 위해 탈형시간, 금형내의 허용 최고온도, 혼합을 위한 최소 점도의 제한조건에 부합하는 초기온도와 금형온도의 범위를, 금형 두께에 따라 성형성 분석을 하여 구해 보았다. 혼합을 위해서는 초기온도가 최소 점도때의 온도보다 높으면 된다. 탈형시간은 금형 벽에서의 등온조건에 따른 반응속도에 의해 결정되므로 금형온도에 의해 좌우된다. 금형내의 최고 온도는 초기온도 및 금형온도 뿐 아니라 두께에 따라서 많이 변하므로, 금형 두께가 두꺼워지면 금형온도는 탈형시간과 허용 최고온도의 두 조건에 의해 제한된다.
에폭시 수지의 기계적 성질을 증진시키기 위해 액체고무 (carboxyl terminated butadiene acrylonitrile copolymer ; CTBN) 를 첨가하는데 반응중의 분자량 증가에 따른 상분리 현상이 광산란 실험을 통해 분석되었다. 투과광 측정 실험에서는 상분리 속도를 알 수 있고, 산란각의 따른 산란광 측정 실험 으로는 고무상 (rubber rich phase)의 형성과 상분리 기구를 알 수 있었다. 또한 최고 산란이 나타나는 각도로 부터 domain correlation length를 계산할 수 있으므로 고무조성과 경화온도를 변화시켜가며 실험하여 그 영향을 살펴 보았다. 고무조성이 많아지고 경화온도가 낮을수록 domain correlation length 가 커지는데 이는 에폭시/액체고무가 UCST에 따르고, 높은 온도에서 반응하면 반응속도가 상분리속도 보다 빠르기 때문에 상분리가 억제되어 domain이 작아지기 때문이다.
경화된 혼합물의 morphology는 SEM으로 살펴보았고 광산란법에 의한 결과에 비교하였는데 서로 근사하게 접근하였다.
DMA 분석을 통해 고무성 첨가에 따른 Tg의 변화를 살펴보면 고무 첨가량이 많을수록, 반응속도가 높을수록 에폭시상 (epoxy rich phase)의 Tg가 상대적으로 낮아지는데 이는 고무를 많이 첨가할수록 에폭시상에 많이 녹아들어가고, 높은 온도에서 반응시키면 반응속도가 상분리속도 보다 빠르기 때문에 상분리가 억제되어 에폭시상에 고무가 많이 녹은 상태로 경화되기 때문이다. 고무조성과 경화온도에 따른 충격강도의 변화를 살펴보면 광산란실험에서 얻은 결과처럼 domain이 크게 나타나는 경우 (고무조성이 많아지고 경화온도가 낮을때)에 충격강도가 더 개선되는 것을 알 수 있었다.
