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Cure kinetics analysis of thermosets and its relevance of plant based materials

Analyse der Vernetzungskinetik von Duroplasten und deren Bedeutung für das Beschichten und Verkleben pflanzen-basierter Werkstoffe

  • Within the scope of the present cumulative doctoral thesis six scientific papers were published which illustrates that modern reaction model-free (=isoconversional) kinetic analysis (ICKA) methods represents a universal and effective tool for the controlled processing of thermosetting materials. In order to demonstrate the universal applicability of ICKA methods, the thermal cure of different thermosetting materials having a very broad range of chemical composition (melamine-formaldehyde resins, epoxy resins, polyester-epoxy resins, and acrylate/epoxy resins) were analyzed and mathematically modelled. Some of the materials were based on renewable resources (an epoxy resin was made from hempseed oil; linseed oil was modified into an acrylate/epoxy resin). With the aid of ICKA methods not only single-step but also complex multi-step reactions were modelled precisely. The analyzed thermosetting materials were combined with wood, wood-based products, paper, and plant fibers which are processed to various final products. Some of the thermosetting materials were applied as coating (in form of impregnated décor papers or powder and wet coatings respectively) on wood substrates and the epoxy resin from hempseed oil was mixed with plant fibers and processed into bio-based composites for lightweight applications. From the final products mechanical, thermal, and surface properties were determined. The activation energy as function of cure conversion derived from ICKA methods was utilized to predict accurately the thermal curing over the course of time for arbitrary cure conditions. Furthermore the cure models were used to establish correlations between the cross-linking during processing into products and the properties of the final products. Therewith it was possible to derive the process time and temperature that guarantee optimal cross-linking as well as optimal product properties
  • Im Rahmen der vorliegenden kumulativen Doktorarbeit wurden sechs wissenschaftliche Arbeiten bzw. Paper veröffentlicht, in denen gezeigt wurde, dass moderne Methoden der (Reaktions-)modellfreien (="isoconversional") kinetischen Analyse (ICKA) ein universelles und effektives Werkzeug für die kontrollierte Verarbeitung chemisch vernetzender Werkstoffe darstellen. Um die universelle Anwendbarkeit der ICKA-Methoden zu demonstrieren, wurde die Vernetzung von Werkstoffen mit sehr unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung (Melamin-Formaldehyd-Harze, Epoxidharze, Polyester/Epoxid-Harze und Acrylat/Epoxidharze) analysiert und mathematisch modelliert. Einige der Werkstoffe basierten auf nachwachsenden Rohstoffen (Hanfsamenöl-Epoxidharz, Leinsamenöl-Acrylat/Epoxidharz). Mit den ICKA-Methoden ließen sich nicht nur einstufige sondern auch komplexe mehrstufige Vernetzungsreaktionen präzise modellieren. Die analysierten Werkstoffe wurden mit verschiedenen pflanzlichen Materialien (Holz, Holzwerkstoffe, Papier, Pflanzenfasern) kombiniert und zu Produkten verarbeitet. Einige der vernetzenden Werkstoffe wurden (in Form imprägnierter Dekorpapiere, Pulver- bzw. Nass-Lacke) für die Beschichtung Holz-basierter Substrate eingesetzt, andere (Hanfsamenöl-Epoxidharz) wurden mit Pflanzenfasern vermischt und zu Verbundwerkstoffen für Leichtbauanwendungen verarbeitet. Von den Produkten wurden mechanische, thermische und Oberflächen-Eigenschaften ermittelt. Die aus der ICKA abgeleitete Aktivierungsenergie als Funktion des Vernetzungsumsatzes wurde eingesetzt, um für beliebige Prozessbedingungen den zeitlichen Verlauf der Vernetzung exakt vorherzusagen. Darüber hinaus wurden die Vernetzungskinetik-Modelle verwendet, um Zusammenhänge zwischen der Vernetzung während der Verarbeitung zu Produkten und den Eigenschaften der Produkte herzustellen. Damit ließen sich Verarbeitungs-Zeit und -Temperatur ableiten, die zu einer optimalen Vernetzung und zu optimalen Produkteigenschaften führten

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Statistics

frontdoor_oas
Metadaten
URL:http://permalink.obvsg.at/AC12609643
Place of publication:Wien
Referee:Alfred Teischinger, Andreas KandelbauerORCiD
Referee of HS Reutlingen:Kandelbauer, Andreas
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Publication:2017
Date of final exam:2017/01/31
Page Number:181
Dissertation note:Dissertation, Universität für Bodenkultur Wien, 2017
DDC classes:660 Technische Chemie
Open Access?:Ja
Licence (German):License Logo  Open Access