مقدمة
البوليمرات الضوئية هي مواد حساسة للضوء تتبلمر عند التعرض للضوء، مما يحول المونومرات السائلة أو القلة الضوئية إلى شبكات صلبة وظيفية. في عمليات التصنيع المضافة (AM)، بما في ذلك الطباعة الحجرية متعددة الضوئية والنفث الاندماجي (FJ) [1]، يتأثر سلوك معالجة البوليمرات الضوئية الأكريلية بشدة بكل من شدة ضوء الأشعة فوق البنفسجية ودرجة الحرارة. في AM، تتم معالجة المادة طبقة تلو الأخرى بسماكة طبقة نموذجية تتراوح بين 50 إلى 100 ميكرومتر [2،3]، حيث تتعرض المادة للتسخين الذاتي بسبب تفاعل المعالجة الخارجية الحرارية.
تهدف هذه الدراسة إلى دراسة السلوك الحراري لطبقات البوليمر الضوئي ثنائي الأكريلات في ظل ظروف متفاوتة متساوية الحرارة وشدة ضوء الأشعة فوق البنفسجية، باستخدام التحليل الكهربائي NETZSCH للرصد التجريبي مع Kinetics Neo [5] وبرنامج ترميكا نيو [6] للتحليل الحركي والمحاكاة الحرارية وتحديد النقاط الساخنة.
شروط القياس
أُجريت قياسات DEA باستخدام أجهزة NETZSCH DEA في ظل ظروف القياس المدرجة في الجدول 1. وتعد منحنيات DEA التي تم الحصول عليها هي أساس التحليل الحركي.
يوضح الشكل 1 أداتنا لتحليل العزل الكهربائي (DEA)، والتي تتيح القياس في الموقع لسلوك المعالجة لمختلف المواد التفاعلية. تسمح أجهزة الاستشعار المتعددة بقياس درجة الحرارة واللزوجة الأيونية بدقة، مما يضمن الأداء والجودة المثلى.
الجدول 1: شروط القياس
| الأداة | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| المادة | ثنائي أكريلات البوليمر الضوئي (شركة DLP للأشعة فوق البنفسجية) |
| درجة حرارة متساوية الحرارة/درجة مئوية | 30 و90 و150 درجة مئوية |
شدة الأشعة فوق البنفسجية عند 30 درجة مئوية/ميغاواط/سم² | 36 و75 و75 و150 و300 |
| وقت الإشعاع/الدقيقة | 10 |
| المستشعر | مستشعر IDEX |
| التردد/هرتز | 10 |
التحليل الحركي
Kinetics Neo يُستخدم برنامج لإنشاء نموذج موحد لدرجات الحرارة وشدة الأشعة فوق البنفسجية المختلفة مع شدة I0 = 75 ميجاوات/سم². يمكن الاطلاع على معلومات مفصلة حول النمذجة الحركية للمعالجة في ظل شدة الأشعة فوق البنفسجية المختلفة في الجزء 1[4].
ويوضح الشكل 2 تأثيرات درجة الحرارة وشدة الأشعة فوق البنفسجية على سلوك المعالجة لثنائي أكريلات البوليمر الضوئي، والتي تم قياسها بواسطة التحليل الكهربائي للديا (DEA). تم إنشاء نموذج حركي مشترك باستخدام برنامج Kinetics Neo البرنامج. تمثل الرموز المعينية البيانات التجريبية، وتتوافق الخطوط الصلبة مع المنحنيات المجهزة. يوضح الجدول 2 تفاصيل معلمات الحركية بناءً على قياسات DEA.
الجدول 2: البارامترات الحركية لأكريلات البوليمر الضوئي بناءً على قياسات DEA
| خطوة التفاعل | أ ← ب |
|---|---|
| نوع التفاعل | نانومتر |
| طاقة التنشيط [كيلو جول/مول} | 5.174 |
| لوغاريتم (عامل ما قبل التنشيط) [لوغاريتم (1/ث)] | -1.793 |
| ترتيب التفاعل | 1.724 |
| لوغاريتم (لوغاريتم (1/ث)) [لوغاريتم (1/ث)] | 1.629 |
| أوتكات باور mf | 1.136 |
| ضوء الأشعة فوق البنفسجية | 0.619 |
| I0 [ميجاوات/سم²] | 75 |
| معامل التحديد (R²) | 0.996 |
نانومتر تفاعل من الرتبة ن مع التحفيز التلقائي بقوة م
برنامج ترميكا نيو: المحاكاة
تؤدي عملية المعالجة الحرارية الخارجية إلى تسخين ذاتي داخل المادة، مما يؤدي إلى تكوين تدرجات حرارة داخلية. في هذا العمل، نحاكي في هذا العمل سلوك المعالجة الحرارية لطبقات البوليمر الضوئي ثنائي الأكريلات على شكل هندسة لوح لا نهائي، بسماكة 100 ميكرومتر و300 ميكرومتر، وبحرارة حرارية تبلغ 301 جول/غرام من قياسات DSC الخاصة بنا. في محاكاة عمليات محاكاة AM، توضع الطبقة التفاعلية فوق كتلة بوليمر سميكة بسمك 10 سم مع درجة حرارة محكومة تبلغ 25 درجة مئوية أسفل هذه الكتلة. وتبلغ درجات الحرارة المحيطة بالسطح العلوي لهذه الطبقة التفاعلية 90 درجة مئوية و150 درجة مئوية تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية بكثافة معينة تبلغ 75 ميجاوات/سم2. توضح المحاكاة كيف تتغير درجة الحرارة بمرور الوقت في الطبقات أثناء عملية المعالجة.
يعرض الشكلان 3 (أ) و3 (ب) محاكاة لتطور درجة الحرارة على مدى ثلاث دقائق أثناء عملية المعالجة لطبقات 100 ميكرومتر و300 ميكرومتر. تصل كلتا الطبقتين إلى ذروة درجات الحرارة في نفس الوقت تقريبًا (0.7 دقيقة): 90.4 درجات مئوية للطبقة التي يبلغ سمكها 100 ميكرومتر و92.4 درجة مئوية للطبقة التي يبلغ سمكها 300 ميكرومتر لـ x=100%، وهو ما يتوافق مع السماكة المرجعية الكاملة في الطبقة السطحية العليا. يشير ارتفاع درجة الحرارة في الطبقة السميكة إلى انخفاض تبديد الحرارة. في الطبقات السميكة، يطلق التفاعل الطارد للحرارة المزيد من الإنثالبي المتراكم داخليًا، مما يؤدي إلى التسخين الذاتي ودرجة حرارة أعلى من الطبقات الرقيقة.
(أ) و300 ميكرومتر
(ب) عند نفس درجة الحرارة 90 درجة مئوية وشدة 75 ميجاوات/سم².
ويبين الشكلان 4 (أ) و4 (ب) ملامح درجة الحرارة المحاكاة على مدار دورة معالجة مدتها ثلاث دقائق لطبقة 100 ميكرومتر في ظل ظروف متساوية الحرارة مختلفة عند 50 درجة مئوية و150 درجة مئوية. بالنسبة لكلتا الطبقتين، زادت درجة الحرارة القصوى بحوالي 0.35 درجة مئوية لطبقة 100 ميكرومتر. في ظروف متساوية الحرارة المختلفة عند 50 درجة مئوية و150 درجة مئوية، كان الاختلاف الرئيسي في الوقت اللازم للوصول إلى درجة الحرارة القصوى لـ x=100%، وهو ما يتوافق مع السماكة المرجعية الكاملة في الطبقة السطحية العلوية: عند 150 درجة مئوية، حدث ذلك بشكل أسرع، في 0.6 دقيقة، بينما استغرق الأمر 1.1 دقيقة عند 50 درجة مئوية.
(أ) و150 درجة مئوية
(ب) لنفس سمك الطبقة البالغ 100 ميكرومتر وشدة 75 ميجاوات/سم².
يوضح الشكل 5 (أ) محاكاة لتطور درجة الحرارة على مدار ثلاث دقائق أثناء عملية المعالجة لطبقة 300 ميكرومتر عند درجة حرارة 150 درجة مئوية. زادت درجة الحرارة القصوى بمقدار 2.6 درجة مئوية تقريبًا لهذه الطبقة عند س=100%، وهو ما يتوافق مع سطحها العلوي.
يعرض الشكل 5 (ب) مخطط سطح ثلاثي الأبعاد يوضح درجة الحرارة كدالة لكل من عمق الطبقة والزمن. ويصور الشكل 5 (ج) خريطة حرارية ثلاثية الأبعاد توضح التباين المكاني لدرجات الحرارة عبر الطبقة بمرور الوقت. وتتيح هذه التصورات التعرف السريع على البقع الحرارية الساخنة.
(أ) ملامح درجة الحرارة في الطبقة لمواضع رأسية مختلفة أثناء المعالجة
(ب) تصوير سطحي ثلاثي الأبعاد لتطور درجة الحرارة في الطبقة كدالة للإحداثيات والزمن
(ج) خريطة حرارية ثلاثية الأبعاد لتطور درجة الحرارة في الطبقة.
الخاتمة
التحليل العازل الكهربائي (DEA) هو أداة فعالة لمراقبة البوليمرات الضوئية بالأشعة فوق البنفسجية. ويمكن استخدامه ليس فقط في المختبر ولكن أيضًا على خط الإنتاج مباشرةً. عند دمجها مع Kinetics Neo أثبتت قياسات DEA فعاليتها في تحديد المعلمات الحركية التي تمثل دالة لكل من درجة الحرارة وشدة الأشعة فوق البنفسجية. تضيف برمجية Termica Neo قيمة كبيرة من خلال محاكاة السلوك الحراري لطبقات البوليمر الضوئي، والتنبؤ بتطور درجة الحرارة، وتحديد النقاط الساخنة المحتملة، وتمكين تحسين سمك الطبقة وظروف المعالجة.
فوائد المحاكاة الحرارية
السلامة الحرارية والموثوقية: محاكاة تطور درجة الحرارة في سماكات الطبقات المختلفة لمنع ارتفاع درجة الحرارة أو المعالجة غير المتساوية.
تحديد النقاط الساخنة: الكشف عن النقاط الساخنة الحرارية باستخدام ملفات تعريف درجة الحرارة ثلاثية الأبعاد والخرائط الحرارية.
كفاءة الوقت والتكلفة: تقليل تجارب التجربة والخطأ وتقليل هدر المواد.
ملاحظة تطبيق: الجزء 1
اكتشف المزيد عن: التحليل الحركي لمعالجة البوليمر الضوئي في ظل كثافة ضوء الأشعة فوق البنفسجية المتغيرة باستخدام Kinetics Neo و DEA في الجزء 1