การบ่มเป็นกระบวนการทางเคมีที่ใช้ในเคมีพอลิเมอร์และวิศวกรรมกระบวนการซึ่งทำให้ วัสดุ พอลิเมอร์ มีความเหนียวหรือแข็งตัวขึ้น โดยการเชื่อมโยงโซ่พอลิเมอร์^{[ 1 ]} แม้ว่าจะเกี่ยวข้องอย่างมากกับการผลิตพอลิเมอร์เทอร์โมเซตติงแต่คำว่า "การบ่ม" สามารถใช้ได้กับทุกกระบวนการที่ได้ผลิตภัณฑ์ของแข็งจากสารละลายของเหลว เช่นเดียวกับพลาสติซอล PVC ^{[ 2 ]}

ในระหว่างกระบวนการบ่ม โมโนเมอร์เดี่ยวและโอลิโกเมอร์ที่ผสมกันโดยมีหรือไม่มีสารบ่ม จะทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างเครือข่ายพอลิเมอร์สามมิติ^{[ 3 ]}

ในส่วนแรกของปฏิกิริยากิ่งก้านของโมเลกุลที่มีโครงสร้างหลากหลายจะก่อตัวขึ้น และน้ำหนักโมเลกุลจะเพิ่มขึ้นตามเวลาพร้อมกับขอบเขตของปฏิกิริยา จนกระทั่งขนาดของเครือข่ายเท่ากับขนาดของระบบ ระบบสูญเสียความสามารถในการละลายและความหนืดมี แนวโน้มเข้าสู่ค่าอนันต์ โมเลกุลที่เหลือ เริ่มอยู่ร่วมกับเครือข่ายระดับมหภาค จนกระทั่งทำปฏิกิริยากับเครือข่าย ทำให้เกิด การเชื่อมโยงข้ามอื่นๆความหนาแน่นของการเชื่อมโยงข้ามจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งระบบถึงจุดสิ้นสุดของปฏิกิริยาเคมี^{[ 3 ]}

การบ่มสามารถเกิดขึ้นได้จากความร้อน รังสี ลำแสงอิเล็กตรอน หรือสารเติมแต่งทางเคมี อ้างอิงจากIUPAC : การบ่ม "อาจหรืออาจไม่จำเป็นต้องผสมกับสารบ่มทางเคมี" ^{[ 1 ]}ดังนั้น การบ่มจึงแบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่ๆ คือการบ่มที่เกิดจากสารเติมแต่งทางเคมี (เรียกอีกอย่างว่า สารบ่ม สารทำให้แข็งตัว) และการบ่มโดยปราศจากสารเติมแต่งกรณีกลางๆ คือ การผสมเรซินกับสารเติมแต่งที่ต้องอาศัยสิ่งกระตุ้นภายนอก (แสง ความร้อน รังสี) เพื่อทำให้เกิดการบ่ม

วิธีการบ่มขึ้นอยู่กับเรซินและการใช้งาน ให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับการหดตัวที่เกิดจากการบ่ม โดยทั่วไปค่าการหดตัวที่น้อย (2–3%) ถือว่าเหมาะสม^{[ 2 ]}

โดยทั่วไปแล้ว เรซินอีพ็อกซีจะถูกทำให้แข็งตัวโดยใช้สารเติมแต่ง ซึ่งมักเรียกว่าสารเร่งปฏิกิริยา โดยมักใช้ โพลีเอมีนหมู่เอมีนจะเปิดวงแหวนอีพ็อกซีออก

ในยางการบ่มยังเกิดขึ้นจากการเติมสารเชื่อมโยง ผลลัพธ์ที่ได้เรียกว่าการวัลคาไน เซชันด้วยกำมะถัน กำมะถันจะสลายตัวเพื่อสร้างพันธะเชื่อมโยง โพลีซัลไฟด์ (สะพาน) ระหว่างส่วนต่างๆ ของโซ่พอลิเมอร์ระดับของการเชื่อมโยงจะกำหนดความแข็งและความทนทาน รวมถึงคุณสมบัติอื่นๆ ของวัสดุ^{[ 5 ]}

สีและน้ำมันเคลือบเงามักมีสารเร่งการแห้งตัวที่เป็นน้ำมันซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นสบู่โลหะที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาการเชื่อมโยงของน้ำมันแห้ง ไม่อิ่มตัว ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของสีและน้ำมันเหล่านั้น เมื่อสีถูกอธิบายว่า "แห้งตัว" นั้น แท้จริงแล้วคือการแข็งตัวโดยการเชื่อมโยง อะตอมของออกซิเจนทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมโยง คล้ายกับบทบาทของกำมะถันในการวัลคาไนเซชันของยาง

ในกรณีของคอนกรีตการบ่มเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของพันธะเชื่อมโยงซิลิเกต กระบวนการนี้ไม่ได้เกิดขึ้นจากการเติมสารใดๆ

ในหลายกรณี เรซินจะถูกจัดเตรียมในรูปสารละลายหรือส่วนผสมกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานด้วยความร้อน ซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดการเชื่อมโยงข้ามโมเลกุล แต่จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อได้รับความร้อนเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เรซินที่ใช้แอคริเลตเป็นส่วนประกอบบางชนิดจะถูกผสมกับไดเบนโซอิลเปอร์ ออกไซด์ เมื่อให้ความร้อนแก่ส่วนผสม เปอร์ออกไซด์จะเปลี่ยนเป็นอนุมูลอิสระ ซึ่งจะเข้าทำปฏิกิริยากับแอคริเลต ทำให้เกิดการเชื่อมโยงข้ามโมเลกุลขึ้น

เรซินอินทรีย์บางชนิดจะถูกทำให้แข็งตัวด้วยความร้อน เมื่อได้รับความร้อนความหนืดของเรซินจะลดลงก่อนที่จะเกิด การเชื่อม โยงข้าม (crosslinking) จากนั้นความหนืดจะเพิ่มขึ้นเมื่อ โอลิโกเมอร์ที่เป็นส่วนประกอบเชื่อมต่อกัน กระบวนการนี้ดำเนินต่อไปจนกระทั่งเกิดโครงข่ายสามมิติของสายโซ่โอลิโกเมอร์ – ขั้นตอนนี้เรียกว่า การเกิดเจล (gelation ) ในแง่ของความสามารถในการแปรรูปของเรซินขั้นตอนนี้ถือเป็นขั้นตอนสำคัญ: ก่อนการเกิดเจลระบบจะมีความคล่องตัวค่อนข้างสูง หลังจากนั้นความคล่องตัวจะถูกจำกัดมาก โครงสร้างจุลภาคของเรซินและวัสดุคอมโพสิตจะคงที่ และเกิดข้อจำกัดในการแพร่กระจายอย่างรุนแรงต่อการทำให้แข็งตัวต่อไป ดังนั้น เพื่อให้เกิดการแข็งตัวแบบแก้ว (vitrification)ในเรซิน จึงมักจำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิในการแปรรูปหลังจากเกิดเจลแล้ว

เมื่อตัวเร่งปฏิกิริยาถูกกระตุ้นด้วยรังสีอัลตราไวโอเลตกระบวนการนี้เรียกว่าการบ่มด้วย UV ^{[ 6 ]}

การตรวจสอบการบ่มเป็นองค์ประกอบสำคัญอย่างหนึ่งในการควบคุมกระบวนการผลิตวัสดุคอมโพสิตวัสดุซึ่งเดิมเป็นของเหลว จะกลายเป็น ของแข็งเมื่อสิ้นสุดกระบวนการโดยความหนืดเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดที่เปลี่ยนแปลงไปในระหว่างกระบวนการ

การตรวจสอบการบ่มอาศัยการตรวจสอบคุณสมบัติทางกายภาพหรือทางเคมีต่างๆ

วิธีง่ายๆ ในการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของความหนืด และด้วยเหตุนี้ ขอบเขตของปฏิกิริยาในกระบวนการบ่ม คือการวัดการเปลี่ยนแปลงของ โมดู ลัสความยืดหยุ่น^{[ 7 ]}

ในการวัดค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นของระบบระหว่างการบ่มสามารถใช้เครื่องวัดความหนืด ได้ ^{[ 7 ]}ด้วยการวิเคราะห์ทางกลแบบไดนามิก สามารถวัด ค่าโมดูลัสการเก็บรักษา (G ′ )และโมดูลัสการสูญเสีย (G″)ได้ การเปลี่ยนแปลงของ G ′และ G″ ตามเวลาสามารถบ่งชี้ขอบเขตของปฏิกิริยาการบ่มได้^{[ 7 ]}

ดังแสดงในรูปที่ 4 หลังจาก "ช่วงเวลาเหนี่ยวนำ" G ′ และ G″ เริ่มเพิ่มขึ้นพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงความชันอย่างฉับพลัน ณ จุดหนึ่ง พวกมันจะตัดกัน หลังจากนั้น อัตราของ G ′และ G″ จะลดลง และโมดูลัสมีแนวโน้มเข้าสู่ระดับคงที่ เมื่อถึงระดับคงที่แล้ว ปฏิกิริยาจะสิ้นสุดลง^{[ 3 ]}

เมื่อระบบอยู่ในสถานะของเหลว ค่าโมดูลัสการเก็บรักษาจะต่ำมาก ระบบจะมีพฤติกรรมเหมือนของเหลว จากนั้นปฏิกิริยาจะดำเนินต่อไปและระบบจะเริ่มมีพฤติกรรมเหมือนของแข็งมากขึ้น ค่าโมดูลัสการเก็บรักษาจะเพิ่มขึ้น

ระดับการรักษาสามารถกำหนดได้ดังนี้: ^{[ 8 ]}${\displaystyle \alpha }$

${\displaystyle \alpha ={\frac {G'(t)-G'_{min}}{G'_{max}-G'_{min}}}}$^{[ 8 ]}

ระดับการบ่มเริ่มต้นจากศูนย์ (เมื่อเริ่มปฏิกิริยา) และเพิ่มขึ้นจนถึงหนึ่ง (เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา) ความชันของกราฟจะเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาและมีค่าสูงสุดประมาณครึ่งหนึ่งของปฏิกิริยา

หากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างการเชื่อมโยงเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนอัตราการเชื่อมโยงสามารถสัมพันธ์กับความร้อนที่ปล่อยออกมาในระหว่างกระบวนการ ยิ่งจำนวนพันธะที่สร้างขึ้นมากเท่าใด ความร้อนที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา จะไม่มีความร้อนถูกปล่อยออกมาอีกต่อไปสามารถใช้แคลอริเมตรีแบบสแกนดิฟเฟอเรนเชียล ในการวัดการไหลของความร้อนได้ ^{[ 9 ]}

โดยสมมติว่าพันธะ แต่ละพันธะ ที่เกิดขึ้นระหว่างการเชื่อมโยงจะปล่อยพลังงานออกมาในปริมาณเท่ากัน ระดับการบ่มสามารถกำหนดได้ดังนี้: ^{[ 9 ]}${\displaystyle \alpha }$

${\displaystyle \alpha ={\frac {Q}{Q_{T}}}={\frac {\int _{0}^{s}{\dot {Q}}\,dt}{\int _{0}^{s_{f}}{\dot {Q}}\,dt}}}$^{[ 9 ]}

โดยที่ความร้อนที่ปล่อยออกมาจนถึงเวลาหนึ่งอัตราความร้อนทันที และปริมาณความร้อนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาเมื่อปฏิกิริยาสิ้นสุดลง^{[ 9 ]}${\displaystyle Q}$${\displaystyle s}$${\displaystyle {\dot {Q}}}$${\displaystyle Q_{T}}$${\displaystyle s_{f}}$

ในกรณีนี้เช่นกัน ระดับการบ่มจะเปลี่ยนจากศูนย์ (ไม่มีพันธะเกิดขึ้น) เป็นหนึ่ง (ไม่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้นอีกต่อไป) โดยมีความชันที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาและมีค่าสูงสุดประมาณครึ่งหนึ่งของปฏิกิริยา^{[ 9 ]}

การวัดค่าไดอิเล็กทริกแบบดั้งเดิมมักดำเนินการในรูปแบบแผ่นขนานของเซนเซอร์ไดอิเล็กทริก ( โพรบวัดความจุ ) และมีความสามารถในการตรวจสอบการแข็งตัวของเรซินตลอดทั้งวงจร ตั้งแต่สถานะของเหลวไปจนถึงยางและของแข็ง สามารถตรวจสอบการแยกเฟสในส่วนผสมเรซินที่ซับซ้อนซึ่งแข็งตัวอยู่ภายในโครงสร้างเส้นใยได้ด้วย คุณสมบัติเดียวกันนี้พบได้ในเทคนิคไดอิเล็กทริกที่พัฒนาขึ้นใหม่ล่าสุด นั่นคือ ไมโครไดอิเล็กทริกเมตรี

เซ็นเซอร์ไดอิเล็กทริกมีหลายรูปแบบวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ รูปแบบที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานในการตรวจสอบการบ่มคือโครงสร้างตัวเก็บประจุแบบอินเตอร์ดิจิทัลแบนราบที่มีตารางตรวจจับอยู่บนพื้นผิว ขึ้นอยู่กับการออกแบบ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งแบบที่อยู่บนวัสดุรองรับที่ทนทาน) เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ในขณะที่เซ็นเซอร์บนวัสดุรองรับที่ยืดหยุ่นได้ยังสามารถใช้ในระบบเรซินส่วนใหญ่ในฐานะเซ็นเซอร์ฝังตัวได้อีกด้วย

สามารถตรวจสอบกระบวนการบ่มได้โดยการวัดการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ต่างๆ:

• การหาความเข้มข้นของสารเรซินที่ทำปฏิกิริยาเฉพาะโดยใช้วิธีทางสเปกโทรสโกปีเช่นFTIRและRaman
• ดัชนีหักเหหรือการเรืองแสงของเรซิน (คุณสมบัติทางแสง)
• การวัดความเครียดภายในของเรซิน(คุณสมบัติทางกล) โดยใช้เซ็นเซอร์ไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้ง (FBG)

วิธีการตรวจสอบการบ่ม ด้วยคลื่นอัลตราโซนิคอาศัยความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงในลักษณะเฉพาะของการแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิคและคุณสมบัติทางกลของชิ้นส่วนแบบเรียลไทม์ โดยการวัด:

• เวลาในการเดินทางของคลื่นอัลตราโซนิก ทั้งในโหมดการส่งผ่านและการสะท้อนแบบพัลส์
• ความถี่ธรรมชาติโดยใช้การกระตุ้นด้วยแรงกระแทกและการวัดความเร็วคลื่นเสียงพื้นผิวที่เหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์

• การวัลคาไนซ์
• การเชื่อมโยงข้าม