مقدمة
البوليمرات الضوئية هي مواد حساسة للضوء تتبلمر عند تعرضها للضوء، مما يحول المونومرات السائلة أو القلة القليلة إلى شبكات وظيفية صلبة. إن عملية المعالجة السريعة والتي يمكن التحكم فيها تجعلها مناسبة لتطبيقات مثل الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة والطباعة ثلاثية الأبعاد.
يستغل الجيل التالي من عمليات التصنيع الإضافي (AM)، بما في ذلك الطباعة الحجرية متعددة الضوئيات والنفث الاندماجي (FJ)، هذه المواد لإنتاج أشكال هندسية معقدة عالية الدقة وأجزاء متعددة المواد [1]. في هذه العمليات، يتأثر سلوك المعالجة للبوليمرات الضوئية الأكريلية بشدة بكل من شدة ضوء الأشعة فوق البنفسجية ودرجة الحرارة، مما يؤثر بشكل كبير على معدل المعالجة وخصائص المواد النهائية. في عمليات AM، تتم معالجة المادة طبقة تلو الأخرى بسماكة طبقة نموذجية تتراوح بين 50 إلى 100 ميكرومتر [2،3].
تهدف هذه الدراسة إلى دراسة حركية معالجة ثنائي أكريلات البوليمر الضوئي في ظل ظروف متساوية الحرارة وشدة ضوء الأشعة فوق البنفسجية المختلفة باستخدام تحليل العزل الكهربائي (DEA)، و Kinetics Neo برنامج [7] للتحليل الحركي، والتنبؤ، وتحسين العملية.
شروط القياس
تم إجراء قياسات DEA باستخدام DEA 288 Ionic (الشكل 1) في ظل ظروف القياس المدرجة في الجدول 1. وتعتبر منحنيات DEA التي تم الحصول عليها هي أساس التحليل الحركي.
تسمح أجهزة الاستشعار المتعددة بقياس درجة الحرارة 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 |
نتائج القياس والمناقشة
يوضح الشكل 2 منحنى البيانات التجريبي النموذجي عند درجة حرارة 150 درجة مئوية تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية بكثافة 75 ميجاوات/سم2. تم ضبط خط الأساس الأفقي على نقطة البيانات عند المؤشر الأيسر حيث يتم تشغيل الضوء. تمت إزالة الانخفاض الأولي في اللزوجة الأيونية، الناجم عن اعتماد اللزوجة الأيونية على درجة الحرارة أثناء التسخين، عن طريق تصحيح خط الأساس هذا. يتم وضع الوقت t=0 هنا عند النقطة التي يتم فيها تشغيل الضوء. تؤدي عملية المعالجة إلى زيادة لزوجة الأيونات التي تظهر بعد بدء التعرض للأشعة فوق البنفسجية.
يعرض الشكل 3 مجموعة البيانات التجريبية المقاسة التجريبية عند نفس كثافة الأشعة فوق البنفسجية البالغة 75 ميجاوات/سم2، ولكن عند درجات حرارة مختلفة. تعتمد اللزوجة الأيونية على درجة الحرارة، وهذا هو سبب اختلاف القيم التجريبية النهائية عند درجات حرارة مختلفة. بالنسبة لشدة الأشعة فوق البنفسجية التي تبلغ 75 ميجاوات/سم2، لا تكتمل المعالجة بالكامل بعد 8 دقائق عند درجات حرارة متساوية الحرارة عند 30 درجة مئوية و90 درجة مئوية و150 درجة مئوية، حيث تستمر اللزوجة الأيونية في إظهار زيادة طفيفة.
يُظهر القياس عند أدنى درجة حرارة 30 درجة مئوية زيادة أبطأ في منحنى اللزوجة الأيونية مقارنةً بدرجة حرارة 90 درجة مئوية لأن معدل المعالجة ينخفض مع انخفاض درجة الحرارة. يكون التفاعل عند درجة حرارة 150 درجة مئوية أبطأ قليلًا من درجة حرارة 90 درجة مئوية لأنه عند درجة الحرارة المرتفعة، تصبح خطوة الإنهاء في البلمرة الجذرية أسرع من خطوة البلمرة. هدفنا هو إنشاء نموذج حركي يعتمد على كل من درجة الحرارة وشدة الأشعة فوق البنفسجية.
ويعرض الشكل 4 مجموعة قياسات DEA عند درجة الحرارة نفسها البالغة 30 درجة مئوية لشدة الأشعة فوق البنفسجية التي تبلغ 75 و150 و300 ميجاوات/سم2. تزداد اللزوجة الأي ونية من الحد الأدنى من اللزوجة الأيونية، مما يشير إلى بداية المعالجة. بالنسبة لجميع المنحنيات التجريبية، تستمر اللزوجة الأيونية في إظهار زيادة طفيفة بعد أربع دقائق. يوضح هذا الشكل أسرع علاج عند أعلى كثافة لضوء الأشعة فوق البنفسجية البالغة 300 ميجاوات/سم2، وتتوافق أبطأ كثافة لضوء الأشعة فوق البنفسجية البالغة 75 ميجاوات/سم2 مع أبطأ معدل علاج.
التحليل الحركي
Kinetics Neo يُستخدم البرنامج لإنشاء نموذج موحد لدرجات الحرارة وشدة الأشعة فوق البنفسجية المختلفة.
درجة التحويل
يتم حساب درجة التحويل، α، بواسطة برنامج Kinetics Neo من قياس DEA، حيث تتراوح α من 0 إلى 1. في التحليل الحراري للقياسات المتساوية الحرارة، يتم تعريف التحويل عمليًا على أنه التأثير الحراري التحليلي الملاحظ في الوقت t، مقسومًا على التأثير الحراري التحليلي الكلي. بالنسبة للتحليل الحراري المتساوي الحرارة، يكون تعريف التحويل الحراري التحليلي كما يلي:
ν0 هي اللزوجة الأيونية الأولية عند النقطة الزمنية التي يتم فيها تشغيل ضوء الأشعة فوق البنفسجية
νfinal هي اللزوجة الأيونية النهائية للمادة المعالجة
ν(t) هي اللزوجة الأيونية الحالية عند النقطة الزمنية، t
ويعتمد معدل التفاعل على درجة الحرارة، T، وشدة الأشعة فوق البنفسجية، I، ونوع التفاعل، f(α):
نموذج التفاعل المشترك بين الرتبة التاسعة والتفاعل التحفيزي الذاتي
حيث يمثل عامل الوزن، Kcat الأس المسبق للتفاعل التحفيزي التلقائي، وn وm هما رتبتا التفاعل للتفاعل من الرتبة n والتفاعل التحفيزي التلقائي على التوالي [6].
تأثير شدة الأشعة فوق البنفسجية على معدل التفاعل
تم تقييم تأثير كثافة الأشعة فوق البنفسجية على حركية التفاعل باستخدام اعتماد ثابت المعدل على كثافة الضوء [4،5]. يمكن التعبير عن ثابت المعدل، k، على النحو التالي (المعادلة 4):
حيث k0(T) هو الثابت الحركي المعتمد على درجة الحرارة، وI/I0 هو الكثافة النسبية للأشعة فوق البنفسجية حيث تتوافق الكثافة النسبية 1 في هذه الحالة مع I0 = 75 ميجاوات/سم2،وnUV هو معامل تركيب يعكس حساسية معدل التفاعل لشدة الأشعة فوق البنفسجية.
يوضح الشكل 5 تأثيرات درجة الحرارة وكثافة الأشعة فوق البنفسجية على سلوك المعالجة لثنائي أكريلات البوليمر الضوئي، المقاسة بواسطة تحليل العزل الكهربائي (DEA). تم إنشاء نموذج حركي مشترك باستخدام برنامج Kinetics Neo البرنامج. تمثل رموز المعين البيانات التجريبية، وتتوافق الخطوط الصلبة مع المنحنيات المجهزة. في الشكل، الأشعة فوق البنفسجية = 1 تقابل 75 ميجاوات/سم². معلمة الحركية مفصلة في الجدول 2.
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 |
جـ تفاعل من الرتبة ن مع الحفز الذاتي بقوة م
يمكن الآن تطبيق النموذج الحركي للتنبؤ بالنتائج كدالة للوقت ودرجة الحرارة والشدة النسبية.
ويعرض الشكلان 6 (أ) و6 (ب) درجة التحويل المتوقعة للبوليمرات الضوئية ثنائية الأكريلات في ظروف متساوية الحرارة (20 إلى 120 درجة مئوية) عند شدة ضوئية تبلغ 20 ميجاوات/سم² و100 ميجاوات/سم².
عند شدة أشعة فوق بنفسجية تبلغ 100 ميجاوات/سم²، تتراوح درجة التحويل النهائية بعد 5 دقائق من 0.98 إلى 0.99. في المقابل، عند كثافة الأشعة فوق البنفسجية التي تبلغ 20 ميجاوات/سم²، تنخفض درجة التحويل النهائية بعد 5 دقائق، لتصل إلى قيم تتراوح بين 0.88 و0.96.
(أ) الشدة (20 ميجاوات/سم²) و(ب) الشدة (100 ميجاوات/سم²).
(ب) الشدة (100 ميجاوات/سم²).
التنبؤ متعدد الخطوات (تسلسل الأجزاء الديناميكية والمتساوية الحرارة)
يوضح الشكل 7 التنبؤ المتدرج لدرجة التحويل للبوليمرات الضوئية ثنائية الأكريلات عند شدة 20 ميجاوات/سم² في ظل ظروف متعددة الخطوات (مقاطع ديناميكية ومتساوية الحرارة). وباستخدام برنامج درجة الحرارة هذا، الموضح في الجدول 3، يمكن تحسين العملية لتحقيق درجة التحويل المطلوبة بكفاءة أكبر.
الجدول 3: التنبؤات متعددة الخطوات
| بداية درجة الحرارة/درجة مئوية | نهاية درجة الحرارة/درجة مئوية | H.R./ كلفن/دقيقة | الوقت/الدقيقة |
|---|---|---|---|
| 20 | 20 | 0 | 2 |
| 20 | 100 | 100 | 0.8 |
| 100 | 100 | 0 | 2 |
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 التحليل الحركي والمحاكاة الحرارية
المعالجة المحسّنة ومراقبة الجودة: التنبؤ بدرجة المعالجة المطلوبة وتحقيقها، مما يضمن اتساق خصائص المواد وتقليل العيوب في المنتجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد أو المغلفة.
تطوير أسرع وكفاءة عملية أسرع: استخدام النماذج الحركية وعمليات المحاكاة لتقصير التجارب التجريبية والخطأ، وتسريع البحث والتطوير وإعداد الإنتاج لتركيبات البوليمر الضوئي الجديدة أو عمليات التصنيع الإضافي.
ملاحظة تطبيق: الجزء 2
اكتشف المزيد عن: المحاكاة الحرارية وتحديد النقاط الساخنة في طبقات البوليمر الضوئي باستخدام برنامج Termica Neo في الجزء 2 من مذكرة التطبيق الخاصة بنا