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固化過程的神秘面紗：如何將液體變成堅固的聚合物？
聚合物化學和工藝工程中的固化過程是一項至關重要的化學反應，它使聚合物的材料通過分子鏈的交聯而變得堅固或硬化。這一過程不僅限於熱固性聚合物的生產，還涵蓋了所有從液體溶液中獲得固體產品的過程，如PVC塑料溶膠。
固化過程的基本原理
在固化過程中，單體和低聚物與硬化劑混合，通過化學反應形成三維聚合物網絡。在反應的最初階段，形成了各種結構的分子分支，隨著反應的進行，分子的分子量不斷增加，直到網絡的大小與系統大小相等。此時，系統失去了可溶性，粘度趨近於無限。剩餘的分子會與巨觀網絡共存，直到與網絡反應並形成其他交聯。
固化可以通過熱、輻射、電子束或化學添加劑來誘導。
由添加劑誘導的固化
環氧樹脂通常依賴於稱為硬化劑的添加劑進行固化。聚胺類化合物是常用的硬化劑，其氨基開環環氧環。在橡膠中，固化同樣是通過加入交聯劑來引發的，稱為硫化。硫分解形成多硫交聯（橋樑），這種交聯的程度決定了材料的剛性和耐用性。此外，許多油漆和清漆中含有金屬皂類的油乾燥劑，催化未飽和乾燥油的交聯反應，使得油漆在被描述為“乾燥”時實際上是在硬化。
無添加劑的固化
在混凝土的情況下，固化涉及硅酸鹽交聯的形成，這一過程並不依賴於任何添加劑。在許多情況下，樹脂以溶液或與熱激活催化劑的混合物提供，這些催化劑在加熱時引發交聯。例如，一些丙烯酸樹脂是用二苯基過氧化物配製的，當混合物被加熱時，過氧化物轉化為自由基，從而引發交聯。隨著熱量的施加，樹脂的粘度在交聯之前降低，而後隨著低聚物的相互連接而上升。這個過程一直持續到形成三維的低聚物鏈網絡，即膠化階段。
在膠化之前，系統相對流動；而在膠化之後，流動性受到限制，樹脂及複合材料的微觀結構被固定。
固化監測方法
固化監測是控制複合材料製造過程的重要組成部分。物質最初為液體，最終變為固體，因此粘度在此過程中變化尤為重要。固化監測依賴於監測各種物理或化學特性。
流變分析
固化過程中監測粘度變化的一種簡單方法是測量彈性模量的變化。可以使用流變儀來測量系統在固化過程中的彈性模量。隨著時間的推移，儲能模量 (G') 和損耗模量 (G) 的變化可以指示固化反應的進展。
熱分析
如果交聯過程中的反應是放熱的，則交聯率可以與過程中釋放的熱量相關聯。形成的鍵越多，釋放的熱量也越大。使用差示掃描量熱法（DSC）可以測量熱流。
介電分析
傳統的介電測量通常在擴展平行板介電傳感器中進行，能夠監測樹脂固化過程中的變化。新近發展的微介電法也具備類似的能力，能在複雜的樹脂混合中監測固化。
光譜分析
固化過程可以通過測量特定反應樹脂物種的濃度變化來監測，還可以使用光學特性如折射率或熒光進行測量。
超聲分析
超聲固化監測方法基於超聲波特性變化與組件機械性能的實時關係。這些方法包括超聲波飛行時間的測量。
通過上述技術，科學家們能夠深入瞭解固化過程中的微妙變化，對於制造質量的控制與改進至關重要。
儘管科技在固化監測技術上取得了長足的進步，我們是否能想象未來更高效、更環保的固化方法將如何形塑聚合物的發展潛力？
