مقدمة
صُمم نظام الراتنج الذي طوره المركز الأوروبي لتقنيات التشتت (EZD) بدقة لاستخدامه في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الأحبار والطلاءات والتصنيع المضاف. ومن الأمور الأساسية لأدائها فهم سلوك المعالجة الخاص بها، والذي يتم تحليله من خلال الدراسات الحركية لمعامل التخزين. تُعد المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، التي تتضمن تفاعلات الربط المتشابك التي تنشئ روابط تساهمية وتشكل شبكات ثلاثية الأبعاد، سمة أساسية لهذا الراتنج. ويوفر معامل التخزين، وهو مقياس لصلابة المادة أثناء المعالجة، رؤى مهمة في حركية المعالجة ويساعد على التنبؤ بسلوك الراتنج في ظل ظروف مختلفة. من خلال الجمع بين المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية والمعالجة الحرارية اللاحقة، يحقق نظام الراتنج خصائص المواد المثلى مثل الصلابة والمرونة والمقاومة الكيميائية. لا يضمن هذا النهج المعالجة السريعة والفعالة فحسب، بل يعزز أيضًا الأداء في التطبيقات في صناعات مثل الطباعة ومعالجة الأخشاب والسيارات والإلكترونيات والتكنولوجيا الطبية والبصريات والفضاء وتغليف المواد الغذائية. يسمح التحليل الحركي لمعامل التخزين بتنبؤات دقيقة لسلوك المعالجة للراتنج.
شروط القياس
أُنتجت العينات باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في شركة SKZKFE gGmbH وتم تحليلها باستخدام NETZSCH DMA 303 Eplexor® (الشكل 1). تم تلخيص أهم معلمات القياس في الجدول 1.
الجدول 1: شروط قياس DMA 303 Eplexor® قياس DMA 303
| حامل العينة | ثني 3 نقاط، دعامات مرنة 30 مم |
|---|---|
| سُمك العينة | 2 مم تقريبًا |
| عرض العينة | 10 مم تقريبًا |
| أقصى قوة ديناميكية | 10 N |
| السعة الديناميكية | 50 ميكرومتر |
| التردد | 1 هرتز |
| معدل التسخين | 5 كلفن/دقيقة |
| درجة الحرارة المستهدفة | 180 درجة مئوية، 200 درجة مئوية، 210 درجة مئوية و220 درجة مئوية |
| جزء متساوي الحرارة | 5 ساعات، كل منها عند درجة الحرارة المستهدفة |
نتائج القياس والمناقشة
لتحديد درجة حرارة المعالجة المثالية لنظام الراتنج الجديد، تم تسخين العينات بمعدل 5 كلفن/الدقيقة من درجة حرارة الغرفة إلى درجات الحرارة المستهدفة 180 درجة مئوية، و200 درجة مئوية، و210 درجة مئوية، و220 درجة مئوية، على التوالي، وتم الاحتفاظ بها متساوية الحرارة لمدة 5 ساعات بعد الوصول إلى درجة الحرارة من أجل تحليل الزيادة المحتملة في معامل التخزين خلال فترة الاحتفاظ؛ انظر الشكل 2.
يمكن ملاحظة أنه مع زيادة درجة حرارة المعالجة (الأجزاء المتساوية الحرارة)، يمكن تحقيق قيم معامل أعلى، وأن الزيادة تحدث أيضًا بشكل أسرع في درجات الحرارة الأعلى. فقط عند درجة حرارة 220 درجة مئوية (المنحنى الأزرق) يظهر تأثير سلبي. بعد الزيادة الأولية في قيمة المعامل، تبدأ في الانخفاض بعد 80 دقيقة تقريبًا من إجمالي وقت القياس، وهو مؤشر على تقصف المادة. وبالتالي، يمكن افتراض أنه عند درجة حرارة 220 درجة مئوية، يحدث بالفعل تلف للمادة.
تُظهر قيم المعامل القابلة للتحقيق بعد 300 دقيقة زيادة كبيرة مع درجة الحرارة. ومع ذلك، فإن هذا الاختلاف ليس كبيرًا بين 200 درجة مئوية (المنحنى الأحمر) و210 درجة مئوية (المنحنى الأخضر).
التحليل الحركي لتفاعل ما بعد المعالجة
يسمح برنامج Kinetics Neo بتحديد البارامترات الحركية للتفاعل الكيميائي. كما يتيح التنبؤ بمعامل التخزين من الخواص الميكانيكية باستخدام التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA). تُجرى قياسات التحليل الحركي في درجات حرارة متساوية مختلفة وتظهر في الشكل 2.
وباستخدام هذه القياسات، فإن Kinetics Neo قادر على تحديد عدد الخطوات التي تصف تفاعل المعالجة. لكل خطوة من هذه الخطوات، يحسب البرنامج أيضًا المعلمات الحركية، أي نوع التفاعل وطاقة التنشيط وترتيب التفاعل.
يصور الشكل 3 القياسات التي أجريت في درجات حرارة متساوية مختلفة بعد إزالة خط الأساس. يُستخدم خط أساس أفقي يبدأ من النقطة ذات الحد الأدنى E'. ونظرًا لأن القياسات الميكانيكية تشير بالفعل إلى تفاعل من خطوة واحدة، فقد تم اختيار نموذج مع Cn، التحفيز التلقائي من الرتبة التاسعة للتحليل الحركي.
يعرض الشكل 3 المنحنيات المقاسة كرموز والنموذج الملائم كخطوط متصلة.
تم حساب ملاءمة النموذج لدرجة الحرارة المستخدمة في التجربة بواسطة برنامج Kinetics Neo. يوضح الجدول 2 المعلمات الحركية المثلى المستخدمة في الحساب. يُظهر الانحراف بين المنحنيات المقاسة والمحسوبة الاختلافات في إعداد العينة. ومع ذلك، فإن ارتفاع معامل التحديد R2 = 0.995 يشير إلى اتفاق قوي بين النموذج والبيانات التجريبية.
الجدول 2: البارامترات الحركية، محسوبة بواسطة Kinetics Neo
| الخطوة 1 (الوحدات) | |
| طاقة التنشيط | 50.319 (كيلوجول/مول) |
| لوغاريتم (PreExp) | 2.591 لوغاريتم (ث-1) |
| تفاعل الترتيب ن | 2.591 |
| لوغاريتم (AutocatPreexp) | 0.01 لوغاريتم (ق-1) |
| المساهمة | 1 |
محاكاة المعالجة للظروف الخاصة بالمستخدمين
واستنادًا إلى معلمات الحركية المحددة، فإن Kinetics Neo قادر على حساب سلوك العينة في أي حالة زمنية/درجة حرارة قريبة من درجات الحرارة التجريبية.
وكمثال على ذلك، يوضح الشكلان 4 و5 درجة علاج الراتنج عند درجات حرارة متساوية مختلفة من 180 درجة مئوية إلى 215 درجة مئوية لمدة 5 ساعات و10 ساعات على التوالي. كما هو متوقع، تحدث المعالجة بشكل أسرع عند درجات حرارة أعلى.
هناك حاجة إلى فترة أطول لضمان المعالجة الكاملة. على سبيل المثال، بعد 5 ساعات، تصل درجة المعالجة إلى 0.940 بعد 5 ساعات، وتصل إلى 0.972 بعد 16 ساعة. قد تستغرق المعالجة الكاملة عدة ساعات أو أيام، حسب درجة الحرارة.
الخاتمة
تم تقييم الخواص الميكانيكية لنظام الراتنج المعالج بالأشعة فوق البنفسجية بعد المعالجة الحرارية باستخدام التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA). تم إجراء قياسات متساوية الحرارة عند درجات حرارة مختلفة: 180 درجة مئوية، و200 درجة مئوية، و210 درجة مئوية، و220 درجة مئوية. تم تحليل البيانات باستخدام برنامج Kinetics Neo ، وتم تطوير نموذج حركية للتنبؤ بدرجة المعالجة. يمكن تطبيق هذا النموذج ليس فقط على درجات الحرارة والمدد المقاسة ولكن أيضًا على الظروف التي لم يتم اختبارها تجريبيًا. ونتيجة لذلك، فإنه يمكّن من تحديد المعلمات التي تحقق درجة معينة من المعالجة في أقصر وقت أو عند أقل درجة حرارة، اعتمادًا على هدف التحسين. يقلل هذا النهج من عدد الاختبارات الفيزيائية المطلوبة، مما يوفر الوقت والتكاليف، مع تسريع العملية الإجمالية للمستخدمين.
فوائد التحليل الحركي
انخفاض التكاليف التجريبية
Kinetics Neo يقلل البرنامج من الحاجة إلى العديد من التجارب المادية المكلفة من خلال تحسين عدد الاختبارات المطلوبة. يتيح ذلك للعملاء توفير الوقت والمال مع تسريع العملية بشكل عام.
تحسين دورات المعالجة
يساعد البرنامج Identify درجة الحرارة والوقت الأمثل بعد المعالجة لتحقيق أفضل تحويل للمواد. وهذا يضمن كفاءة الإنتاج، ويمنع حدوث مشكلات مثل الإفراط في المعالجة اللاحقة أو نقصان المعالجة اللاحقة.
التخصيص والمرونة
يمكن للعملاء ضبط عملية المعالجة لتلبية متطلبات التطبيق المحددة، سواء كانوا بحاجة إلى مواد أكثر مرونة أو أكثر صلابة. تضمن هذه المرونة أن المنتج النهائي يتوافق تمامًا مع احتياجاتهم، مما يقلل من الحاجة إلى إجراء تجارب إضافية.