低场核磁共振技术在树脂复合材料固化过程中的分析应用

树脂复合材料的固化过程：

树脂复合材料是一种常见的应用十分广泛的材料，它的耐久性和防护性使之可适用于多种不同应用场景。虽然功能多样且强大，但在实际使用中也有脆弱的一面，其充分固化前非常敏感，整个固化过程值得深入研究^[1]。

树脂的固化反应是以消耗液体试剂为代价的，在这种过程中，环氧树脂被转化为交联的热力学网络，热力学聚合物的特性取决于固化过程中发生的化学反应的程度和树脂的形态。简而言之，树脂固化先从液态转变到凝胶态，然后达到玻璃化点，最终转化为玻璃钢制品，主要有以下三个阶段：

1.液体阶段：在这个阶段，液体树脂与固化剂进行混合，搅拌均匀，液体树脂开始加速固化，树脂仍然有着充分的粘性，所有的施工以及定位工作应全部在这个阶段完成。

2.凝胶阶段：液体树脂经过固化剂的催化，加速反应，产生固体聚合物。这时的树脂没有长时间的工作可能，也将慢慢失去粘性，最终完全固化。在这个阶段它将变成硬橡胶似的软凝胶物，用大姆指也能够按压的动，会在表面留下凹坑，所以不能对其进行任何干扰。

3.最终固化：树脂复合材料固化变成固体，这时可以进行砂磨及整型工作。这时如果用大姆指按压就已经按压不动了，在这时树脂复合材料约有90%的最终反应强度，可以除去固定夹件，将它放在室温下维持若干天使它继续固化达到最终固化的程度。

低场核磁树脂固化过程监测原理：

由于树脂在固化过程中持续放热，以往采用红外光谱（FTIR）和差分扫描热量计（DSC）技术来实现对树脂固化过程的监测，用于探测刚性段的出现或软段的消失。不过这两种方法不能够进一步详细描述树脂复合材料的固化过程，不能提供固化过程各个阶段的定性与定量的信息表征^[2、3]。

    低场核磁共振技术，基于对氢信号优秀的捕捉能力，且不同状态的氢信号在低场核磁中表征的T2弛豫时间也不同，可以定量定性的完成对树脂复合材料固化过程不同阶段的表征。

高分子聚合物内的溶剂部分流动性最强，核磁表征信号衰减最慢；非交联段具有一定的分子运动特性，核磁信号衰减相对较慢；而交联段所受束缚程度大，分子运动特性小，核磁信号衰减较快。相比传统的SE或CPMG序列采集信号的不同，采用MSE-CPMG新序列采集时，通过施加组合脉冲使得核磁共振信号在死时间范围内来回反转从而尽量维持原始的核磁共振信号强度，以此实现更加短的弛豫信息采集，确保测试准确性进一步提高。

低场核磁树脂固化过程描述：

使用低场核磁可以在树脂复合材料充分搅拌均匀且温度平衡后获得第一个稳定信号。在较短的反应时间内（10分钟左右），信号大部分由材料中的氢核相关的缓慢衰减信号组成。随着反应的发生与持续，信号的缓慢衰减部分减少，而快速衰减部分增加。当反应结束时，可以观察到一个快速衰减的信号，这是刚性段的典型情况。

树脂复合材料在固化过程中的信号可以分解为三个部分：晶体（刚性没有流动性）、非晶体（高度流动性）和界面区域（具有中等流动性）。来自刚性段的信号可以由所谓的Abragam函数很好地描述，即高斯函数和sinc函数之间的乘法^[4]。来自中间段和高度移动段的信号由修正的指数函数描述^[5]。

将刚性段的信号表征为固化过程中形成的固体聚合物，而移动部分表征为液体试剂，具有中等流动性的信号段归因于固体产品中流动性受限的聚合物链，例如：固液界面中具有局部流动性的链段、侧组或剩余的小段等低聚合物。

如图所示，树脂复合材料在不同温度下固化过程的低场核磁衰减拟合信号，可以明显的观察到随着温度的上升，树脂的固化反应速率得到了很大的提升。

低场核磁树脂固化监测应用：

事实上，由于低场核磁技术对分子流动性的高度敏感性， NMR可以进行热转换相关的热力动态学研究^[6]。此外，该技术还可以确定其他重要信息：如硬段和软段之间的比率、软段运动活化能、分子团块的大小、半结晶系统中结晶度和结晶尺寸的确定、聚合物凝胶中的凝胶率以及弹性体中的交联和纠缠、相分离体系中的个体迁移率以及动力学信息等等^[7、8]。

树脂复合材料固化过程监测设备：

VTMR20-010V（纽迈低场核磁材料领域设备）

如您对以上应用感兴趣，欢迎咨询：400-060-3233

参考资料

[1] Dalitz F,  Cudaj M ,  Maiwald M, et al. Process and reaction monitoring by low-field NMR spectroscopy[J]. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy: An International Review Journal, 2012(1):60.

[2] Hardis R. Cure kinetics characterization and monitoring of an epoxy resin for thick composite structures[J]. Dissertations & Theses Gradworks, 2012.

[3] Moroni A, Mijovic J, Pearce E M, et al. Cure kinetics of epoxy resins and aromatic diamines[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1986, 32(2).

[4] Abragam A. The Principles of Nuclear Magnetism[J]. American Journal of Physics, 1961, 29.

[5] Maus A, Hertlein C, Saalwchter K. A Robust Proton NMR Method to Investigate Hard/Soft Ratios, Crystallinity, and Component Mobility in Polymers[J]. Macromolecular Chemistry and Physics, 2006, 207(13):1150-1158.

[6] Polymer crystallinity and crystallization kinetics via benchtop H-1 NMR relaxometry: Revisited method, data analysis, and experiments on common polymers[J]. Polymer: The International Journal for the Science and Technology of Polymers, 2018, 145:162-173.

[7] Seiffert S, Oppermann W, Saalw?Chter K . Hydrogel formation by photocrosslinking of dimethylmaleimide functionalized polyacrylamide[J]. Polymer, 2007, 48(19):5599-5611.

[8] Malmierca M A, A González-Jiménez, Mora-Barrantes I , et al. Characterization of Network Structure and Chain Dynamics of Elastomeric Ionomers by Means of 1H Low-Field NMR[J]. Macromolecules, 2014, 47(16):5655-5667.