Microwave curing of non-traditional polymer materials used in manufacture of injection moulds

Microwave heating technology is a cost-effective alternative way for heating and curing of used in polymer processing of various alternate materials. The work presented in this paper addresses the attempts made by the authors to study the glass transition temperature and curing of materials such as casting resins R2512, R2515 and laminating resin GPR 2516 in combination with two hardeners ADH 2403 and ADH 2409. The magnetron microwave generator used in this research is operating at a frequency of 2.45 GHz with a hollow rectangular waveguide. During this investigation it has been noted that microwave heated mould materials resulted with higher glass transition temperatures and better microstructure. It also noted that Microwave curing resulted in a shorter curing time to reach the maximum percentage cure. From this study it can be concluded that microwave technology can be efficiently and effectively used to cure new generation alternate polymer materials for manufacture of injection moulds in a rapid and efficient manner. Microwave curing resulted in a shorter curing time to reach the maximum percentage cure.

Direct micropatterning of polymer materials by ice mold

Micropatterning of functional polymer materials by micromolding in capillaries (MIMIC) with ice mold is reported in this paper. Ice mold was selected due to its thaw or sublimation. Thus, the mold can be easily removed. Furthermore, the polymer solution did not react with, swell, or adhere to the ice mold, so the method is suitable for many kinds of materials (such as P3HT, PMMA Alq(3)/PVK, PEDOT: PSS, PS, P2VP, etc.). Freestanding polymer microstructures, binary polymer pattern, and microchannels have been fabricated by the use of ice mold freely.

Variable frequency microwave curing of polymer materials in microelectronics packaging applications

The use of variable frequency microwave technology in curing of polymer materials used in microelectronics applications is discussed. A revolutionary open-ended microwave curing system is outlined and assessed using experimental and numerical approaches. Experimental and numerical results are presented, demonstrating the feasibility of the system

Coupled FDTD-FVM simulation of microwave heating of polymer materials for micro-systems packaging applications

Heating in an idealised polymer load in a novel open-ended variable frequency microwave oven is numerically simulated using a couple solver approach. The frequency-agile microwave oven bonding system (FAMOBS)is developed to meet rapid polymer curing requirements in microelectronics and optoelectronics manufacturing. The heating of and idealised polymer load has been investigated through numerical modelling. Assessment of the system comprises of simulation of electromagnetic fields and of temperature distribution within the load. Initial simulation results are presented and contrasted with experimental analysis of field distribution

Microwave curing of thermosetting polymer materials in microelectronics applications

Thermosetting polymer materials are widely utilised in modern microelectronics packaging technology. These materials are used for a number of functions, such as for device bonding, for structural support applications and for physical protection of semiconductor dies. Typically, convection heating systems are used to raise the temperature of the materials to expedite the polymerisation process. The convection cure process has a number of drawbacks including process durations generally in excess of 1 hour and the requirement to heat the entire printed circuit board assembly, inducing thermomechanical stresses which effect device reliability. Microwave energy is able to raise the temperature of materials in a rapid, controlled manner. As the microwave energy penetrates into the polymer materials, the heating can be considered volumetric – i.e. the rate of heating is approximately constant throughout the material. This enables a maximal heating rate far greater than is available with convection oven systems which only raise the surface temperature of the polymer material and rely on thermal conductivity to transfer heat energy into the bulk. The high heating rate, combined with the ability to vary the operating power of the microwave system, enables the extremely rapid cure processes. Microwave curing of a commercially available encapsulation material has been studied experimentally and through use of numerical modelling techniques. The material assessed is Henkel EO-1080, a single component thermosetting epoxy. The producer has suggested three typical convection oven cure options for EO1080: 20 min at 150C or 90 min at 140C or 120 min at 110C. Rapid curing of materials of this type using advanced microwave systems, such as the FAMOBS system [1], is of great interest to microelectronics system manufacturers as it has the potential to reduce manufacturing costs, increase device reliability and enables new device designs. Experimental analysis has demonstrated that, in a realistic chip-on-board encapsulation scenario, the polymer material can be fully cured in approximately one minute. This corresponds to a reduction in cure time of approximately 95 percent relative to the convection oven process. Numerical assessment of the process [2] also suggests that cure times of approximately 70 seconds are feasible whilst indicating that the decrease in process duration comes at the expense of variation in degree of cure within the polymer.

Novel furan polymer materials based on the reversible Diels-Alder reaction

A futura e inevitável escassez dos recursos fósseis, juntamente com o aumento imprevisível dos seus preços, levou, nas últimas décadas, a um aumento impressionante de iniciativas dedicadas não só à procura de fontes alternativas de fornecedores de energia, mas também de produtos químicos e polímeros a partir de fontes renováveis, em particular da biomassa vegetal. Entre estes, os polímeros derivados de monómeros furânicos constituem uma classe única de materiais cujas estruturas podem, em princípio, simular virtualmente os seus homólogos actualmente derivados de recursos fósseis. O anel furânico é uma estrutura heterocíclica com um carácter diénico pronunciado, o que torna-o um dieno particularmente apropriado para a reacção de Diels-Alder (DA) com dienófilos como a maleimida. Um dos aspectos mais relevantes da reacção de DA é a sua reversibilidade em função da temperatura, a qual permite que os aductos sejam facilmente revertidos nos seus precursores por aumento da temperatura (reacção de retro-DA). No caso específico da combinação furano-maleimida, a formação do aducto predomina até cerca de 60ºC, enquanto a reacção inversa é dominante acima de 100ºC. A combinação desta característica da reacção de DA com a química de compostos furânicos pode abrir um novo caminho para a preparação de materiais macromoleculares funcionais com base em fontes renováveis e com aplicações promissoras como auto-reparação e reciclabilidade. O principal objectivo desta Tese, é a síntese e caracterização de novos materiais poliméricos termo-reversíveis, aplicando a reacção de DA a monómeros complementares com estruturas dos tipos furânico (o dieno, designado por A) e de maleimida (o dienófilo, designado por B). A primeira etapa neste trabalho envolveu a síntese, purificação e caracterização de novos monómeros furânicos e de maleimida do tipo AA, A3, BB, B3, AB, AB2, cada um com diferentes grupos separadores das funções reactivas. Posteriormente, estes monómeros foram polimerizados e despolimerizados por ciclos de DA/retro-DA utilizando diferentes combinações. A formação e dissociação de todos os aductos de DA foram seguidas por ambas espectroscopias de UV e RMN de 1H. O primeiro sistema de DA estudado foi uma combinação modelo entre reagentes mono-funcionais (-A+-B), nomeadamente o acetato furfurílico (FA) e a N-metilmaleimida (MM), ambos comercialmente disponíveis. O objectivo desta abordagem foi estudar a cinética e o equilíbrio da formação/dissociação dos aductos de DA e obter indicações sobre as condições mais adequadas a serem usadas na preparação dos correspondentes novos materiais macromoleculares. Além disso, pretendia-se verificar a presença ou ausência de reacções secundárias que poderiam intervir em ambas as vias directa e inversa das reacções, mesmo após vários ciclos. A espectroscopia de UV forneceu informação quantitativa sobre a cinética de formação do aducto através da diminuição progressiva da absorvência máxima a 293 nm correspondente ao grupo maleimida, a diferentes temperaturas (35, 50, 65 ºC) Reciprocamente, a correspondente reacção de retro-DA foi seguida a 90 ºC através do aumento do mesmo pico. A reversibilidade destes sistemas foi verificada com sucesso após uma sequência de ciclos de DA/retro-DA. Adicionalmente, verificou-se que os espectros originaram um ponto isosbéstico, provando que estes sistemas não envolvem quaisquer reacções secundárias. Uma vez que foi usado um excesso de FA, as reacções de DA modelo apresentaram um comportamento cinético de pseudo-primeira ordem, com a constante de velocidade k mais alta (2.1x10-5 dm3mol-1s-1) para T=65 ºC. A correspondente energia de activação foi de 39.0 kJ.mol-1. A reacção de retro-DA seguiu um comportamento de primeira ordem, com constante de velocidade de 1.6x10-6 s-1. A evolução deste sistema por RMN de 1H a 65ºC deu-nos informações mais detalhadas sobre a sua evolução estrutural, ou seja, à medida que a intensidade dos picos atribuídos à formação do aducto aumentaram progressivamente ao longo do tempo, os pertencentes aos reagentes iniciais diminuiram proporcionalmente. O “rendimento final”, calculado após 20 dias à temperatura ambiente, foi de aproximadamente 70%. A reacção de retro-DA foi depois seguida a 90ºC, observando-se tal como na espectroscopia de UV, o deslocamento da reacção no sentido da regeneração dos reagentes de partida. A viabilidade de múltiplos ciclos de DA/retro-DA estabelecidos pela espectroscopia de UV foi igualmente confirmada por RMN de 1H. O passo seguinte envolveu o estudo de um sistema de policondensação linear baseado no crescimento gradual por reacção de DA entre um monómero bisfurânico A-A e um do tipo bismaleimida B-B, seguindo a mesma abordagem que no sistema modelo. O poliaducto linear foi obtido a partir de soluções equimolares dos monómeros, por reacção de DA a 65ºC. O progresso desta polimerização foi seguido por espectroscopia de UV e RMN de 1H e, mais qualitativamente, pelo aumento da viscosidade do meio. A reacção seguiu um comportamento de segunda ordem, com uma constante de velocidade de 9.4x10-6 dm3mol-1s-1, e observou-se novamente um ponto isosbéstico nos dados de UV. Os espectros de RMN apresentaram o padrão esperado, nomeadamente o aumento progressivo dos sinais associados ao aducto e a correspondente diminuição dos grupos furano e maleimida livres. A despolimerização do poliaducto através da reacção de retro-DA foi seguida a 110ºC usando as mesmas técnicas. Os dados de UV mostraram o retorno progressivo da absorção dos grupos de maleimida, seguindo um comportamento cinético de primeira ordem, com constante de velocidade de 2.5x10-6 s-1, até à completa regeneração de ambos os monómeros. Os espectros de RMN providenciaram mais uma vez informação estrutural sobre o progresso da despolimerização, a qual foi acompanhada por uma diminuição progressiva da viscosidade. Adicionalmente, para seguir a retro- DA, adicionou-se um excesso de composto furânico monofuncional, nomeadamente o 2,5-dimetilfurano (DMFu), ao sistema de modo a bloquear as funções maleimida complementares, evitando assim a repolimerização após arrefecimento. Os productos isolados foram então o monómero bisfurânico AA, DMFu que não reagiu e o bisaducto não-polimerizável de BB com DMFu. Este resultado indicou claramente que o polímero foi de facto revertido nos seus monómeros durante a reacção de retro-DA. O terceiro sistema estudado foi outra polimerização linear, seguindo as mesmas condições experimentais que os anteriores, mas com uma estratégia diferente de modo a contornar o problema clássico de assegurar a estequiometria exacta dos monómeros. As estruturas dos monómeros utilizados incorporam ambos os grupos reactivos, i.e, moléculas do tipo A-B. A polimerização prematura destes monómeros intrinsecamente reactivos foi evitada com a protecção do grupo maleimida na forma de um aducto de DA com furano, até a incorporação do substituinte furânico na outra extremidade. Portanto, a policondensação destes monómeros foi iniciada após a desprotecção in situ deste composto mediante aquecimento, seguido de arrefecimento até à temperatura adequada para polimerizar. Os resultados obtidos por UV e RMN sugerem que de facto o uso de monómeros do tipo A-B oferece um melhor sistema linear. Em seguida, foram estudados sistemas de policondensação não-linear por reacção de DA, entre monómeros (um ou ambos) com funcionalidade superior a dois, nomeadamente sistemas do tipo A3+B-B ou A-A+B3, seguindo mais uma vez as mesmas condições experimentais. Uma vez que utilizam monómeros complementares contendo, em média, mais de duas funcionalidades, estes sistemas conduzem a materiais reticulados. Nestes estudos, foram usadas três razões molares de [maleimida]/[furano], nomeadamente 1.0, 0.75 e 0.5, de modo a estudar ambas as situações de não-gelificação e reticulação. Ambos sistemas apresentaram um comportamento regular e boa reciclabilidade quer para gerar situações que possam conduzir à formação de redes a diferentes graus de conversão, ou que possam parar antes da sua obtenção, conforme previsto pela equação de Flory-Stockmayer. Como esperado, a utilização de grupos complementares em quantidades estequiométricas produziu o espessamento mais rápido e a reticulação quase completa; à medida que a quantidade relativa de monómero trifuncional decresceu, as reacções pararam antes da reticulação, ou seja, originaram meios altamente viscosos contendo polímeros solúveis altamente ramificados. As reacções de retro-DA a 110 ºC conduziram à gradual dissolução das partículas de gel (quando presentes), tendo sido comprovado pelos espectros de UV e de RMN de 1H, evidenciado a regeneração dos monómeros. Tal como no sistema do tipo A-A+B-B, a reacção de retro-DA foi seguida adicionando um excesso de DMFu ao sistema reaccional. Como esperado, os produtos finais foram os monómeros furânicos, o DMFu em excesso e o trisaducto ou o bisaducto maleimida-DMFu, o que confirma a eficiência da despolimerização com regeneração dos monómeros iniciais. O último sistema de policondensação por reacção de DA envolveu um monómero assimetricamente substituído do tipo AB2, capaz de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas que não reticulam. Este estudo preliminar deste sistema foi seguido nas mesmas condições experimentais que os anteriores, apresentando um comportamento com as características esperadas.

New end-use application for GFRP recyclates as reinforcement for concrete-polymer materials’

Glass fibre-reinforced plastics (GFRP), nowadays commonly used in the construction, transportation and automobile sectors, have been considered inherently difficult to recycle due to both: cross-linked nature of thermoset resins, which cannot be remolded, and complex composition of the composite itself, which includes glass fibres, matrix and different types of inorganic fillers. Presently, most of the GFRP waste is landfilled leading to negative environmental impacts and supplementary added costs. With an increasing awareness of environmental matters and the subsequent desire to save resources, recycling would convert an expensive waste disposal into a profitable reusable material. There are several methods to recycle GFR thermostable materials: (a) incineration, with partial energy recovery due to the heat generated during organic part combustion; (b) thermal and/or chemical recycling, such as solvolysis, pyrolisis and similar thermal decomposition processes, with glass fibre recovering; and (c) mechanical recycling or size reduction, in which the material is subjected to a milling process in order to obtain a specific grain size that makes the material suitable as reinforcement in new formulations. This last method has important advantages over the previous ones: there is no atmospheric pollution by gas emission, a much simpler equipment is required as compared with ovens necessary for thermal recycling processes, and does not require the use of chemical solvents with subsequent environmental impacts. In this study the effect of incorporation of recycled GFRP waste materials, obtained by means of milling processes, on mechanical behavior of polyester polymer mortars was assessed. For this purpose, different contents of recycled GFRP waste materials, with distinct size gradings, were incorporated into polyester polymer mortars as sand aggregates and filler replacements. The effect of GFRP waste treatment with silane coupling agent was also assessed. Design of experiments and data treatment were accomplish by means of factorial design and analysis of variance ANOVA. The use of factorial experiment design, instead of the one-factor-at-a-time method is efficient at allowing the evaluation of the effects and possible interactions of the different material factors involved. Experimental results were promising toward the recyclability of GFRP waste materials as aggregates and filler replacements for polymer mortar, with significant gain of mechanical properties with regard to non-modified polymer mortars.

Tailored Ion Imprinted Polymer Materials for the Preconcentrative Separation of Noble Metals

Tailored ion imprinted polymer materials for the preconcentrative separation of noble metals. This study deals with the synthesis, separation,characterization and analytical application of the noble metals especially palladium and platinum. Platinum group metals(PGM) are currently receiving world wide attention. This group include Palladium(Pt),rhodium(Rh), ruthenium(Ru), iridium(Ir) and osmium(Os).PGM are used as catalysts for a wide variety of hydrogenation, oxidation, isomerization,cyclization,dehydrogenation and dehalogenation reactions.The corrosion resistance of PGM enables them to use in jewellery,electrical and glass industries,extrusion of synthetic fibres,manufacture of laboratory utensils,dental and medical devices. This study clearly establishes selective recovery of platinum from other noble and transition elements.

Synthesis and investigation of functional polymer materials

Funktionelle Materialien sind in einer Vielzahl von Materialklassen wie Polymeren, Biomaterialien, Gläsern, Metallen, Keramiken und Verbundwerkstoffen anzutreffen. Sie besitzen eine spezifische, intrinsische Funktion, welche auf dem zu Grunde liegenden Design der Verbindung beruht. In dieser Dissertation wurden zwei funktionelle Materialien studiert: ein durch Phosphonatadditive mechanisch verstärktes Epoxidharz und protonenleitende Blockcopolymere, welche Potential für den Einsatz in Brennstoffzellen besitzen. Die Materialien wurden vorranging mittels Festkörper Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) untersucht, welche sich besonders für die Untersuchung der lokalen Struktur und Dynamik amorpher Polymere eignet.rnrnPhosphonate sind eine neue Klasse sogenannter molekularer Verstärker, die die mechanischen und thermischen Kennzahlen geeigneter Epoxidharze erhöhen. Es wurde eine Reihe von Phosphonatderivaten synthetisiert um systematische den Effekt der chemischen Struktur und des Aushärteprozesses auf die Eigenschaften eines Modellepoxidharzes zu untersuchen. Die Aufklärung des Verstärkungsmechanismus ergab, dass die Phosphonate währen der thermischen Aushärtung des Epoxidharzes die Aminofunktionalitäten des Härters alkylieren. Dies führt zu der Bildung von homogen verteilten, positiven Ladungen auf der Polymerkette, während negative Phosphonatanionen als Gegenionen wirken. Es konnte gezeigt werden, dass die Struktur des Additivs einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften des ausgehärteten Epoxidharzes sowie seine Alterung, d.h. den allmählichen Verlust der Verstärkung, hat.rnrnDes Weiteren wurde eine Serie von sulfonierten Blockcopolymeren synthetisiert. Es handelte sich hierbei um Multiblockcopolyimide, wobei die Polymerketten aus einer alternierenden Sequenz von sulfonierten (hydrophilen) und unsulfonierten (hydrophoben) Blöcken bestanden. Diese Polymere bilden nach einem ‚solvent cast‘ Prozess feste, duktile und transparente Membrane. Sulfonierte Blockcopolymermembrane zeigten im Vergleich mit statistisch sulfonierten Vergleichssubstanzen eine erhöhte Leitfähigkeit, sowie eine erhöhte Wasseraufnahme. Dies wurde auf eine bessere Phasenseparation im Festkörper zurückgeführt. Die Morphologie der Filme war eindeutig anisotrop und stark abhängig von der Blocklänge der Polymere. Durch diverse Festkörper-NMR Methoden konnte gezeigt werden, dass die Protonenmobilität in den Membranen von der betrachteten Längenskala abhängig ist und nicht notwendigerweise mit der makroskopisch beobachteten Leitfähigkeit korreliert.

Multiscale constitutive modeling of polymer materials

Materials are inherently multi-scale in nature consisting of distinct characteristics at various length scales from atoms to bulk material. There are no widely accepted predictive multi-scale modeling techniques that span from atomic level to bulk relating the effects of the structure at the nanometer (10-9 meter) on macro-scale properties. Traditional engineering deals with treating matter as continuous with no internal structure. In contrast to engineers, physicists have dealt with matter in its discrete structure at small length scales to understand fundamental behavior of materials. Multiscale modeling is of great scientific and technical importance as it can aid in designing novel materials that will enable us to tailor properties specific to an application like multi-functional materials. Polymer nanocomposite materials have the potential to provide significant increases in mechanical properties relative to current polymers used for structural applications. The nanoscale reinforcements have the potential to increase the effective interface between the reinforcement and the matrix by orders of magnitude for a given reinforcement volume fraction as relative to traditional micro- or macro-scale reinforcements. To facilitate the development of polymer nanocomposite materials, constitutive relationships must be established that predict the bulk mechanical properties of the materials as a function of the molecular structure. A computational hierarchical multiscale modeling technique is developed to study the bulk-level constitutive behavior of polymeric materials as a function of its molecular chemistry. Various parameters and modeling techniques from computational chemistry to continuum mechanics are utilized for the current modeling method. The cause and effect relationship of the parameters are studied to establish an efficient modeling framework. The proposed methodology is applied to three different polymers and validated using experimental data available in literature.

Concrete-polymer materials : fourth topical report /

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Scavenging of halogen in recycling of halogen-based polymer materials

Pyrolytic recycling of materials for electronics and automotive is attractive because of the possibility of recovery of fuel and of precious metals from printed circuit. Due to the complexity of their composition an appropriate pre-treatment has to be performed in order to limit the evolution of dangerous halogen containing compounds which strongly impair the fuel quality. An advantageous pyrolysis approach implies the attempt of mineralisation of the organic bromine to the not volatile and harmless inorganic form using strong bases such as NaOH and KOH to reduce the amount of volatile and increasing the residue. The char stability is greatly variable depending on the substrate. Mg(OH)2 and Ca(OH)2 behave in a similar manner but to a lower extent. Carbonates and reducing agent such as LiAlH have been tested as well and their ability to scavenge bromine is discussed in terms of effectiveness and mechanism.