Въведение
Системата от смоли, разработена от Европейския център за дисперсионни технологии (EZD), е внимателно проектирана за използване в различни приложения, включително мастила, покрития и адитивно производство. Централно място в нейното представяне заема разбирането на поведението ѝ при втвърдяване, което е анализирано чрез кинетични изследвания на модула на съхранение. UV-втвърдяването, включващо реакции на омрежване, които създават ковалентни връзки и формират триизмерни мрежи, е ключова характеристика на тази смола. Модулът на съхранение, мярка за твърдостта на материала по време на втвърдяване, осигурява критична представа за кинетиката на втвърдяване и помага да се предвиди поведението на смолата при различни условия. Чрез комбиниране на UV-втвърдяване с термично последващо втвърдяване системата от смоли постига оптимални свойства на материала, като твърдост, еластичност и химическа устойчивост. Този подход не само осигурява бързо и ефективно втвърдяване, но и подобрява експлоатационните характеристики в приложения в различни отрасли като печатарство, дървообработване, автомобилостроене, електроника, медицинска техника, оптика, космическа индустрия и опаковане на храни. Кинетичният анализ на модула на съхранение дава възможност за прецизно прогнозиране на поведението на смолата при втвърдяване.
Условия за измерване
Образците са произведени чрез 3D принтиране в SKZKFE gGmbH и са анализирани с NETZSCH DMA 303 Eplexor® (фигура 1). Най-важните параметри на измерването са обобщени в таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване на DMA 303 Eplexor®
| Държач на образеца | 3-точково огъване, 30-милиметрови гъвкави опори |
|---|---|
| Дебелина на образеца | Приблизително 2 mm |
| Ширина на образеца | Приблизително 10 mm |
| Максимална динамична сила | 10 N |
| Динамична амплитуда | 50 μm |
| Честота | 1 Hz |
| Скорост на нагряване | 5 K/min |
| Целева температура | 180°C, 200°C., 210°C и 220°C |
| Изотермичен сегмент | 5 часа, всеки при целева температура |
Резултати от измерванията и обсъждане
За да се определи идеалната температура на втвърдяване за новата система от смоли, пробите бяха нагрявани със скорост 5 K/min от стайна температура до целеви температури съответно 180°C, 200°C, 210°C и 220°C и задържани изотермично в продължение на 5 часа след достигане на температурата, за да се анализира възможното увеличение на модула на съхранение по време на задържането; вж. фигура 2.
Може да се види, че с увеличаване на температурата на втвърдяване (изотермични сегменти) могат да се постигнат по-високи стойности на модула, както и че увеличението се извършва по-бързо при по-високи температури. Само при 220°C (синята крива) се появява отрицателен ефект. След първоначалното увеличаване на стойността на модула, тя започва да намалява след около 80 минути от общото време на измерване, което е показател за крехкост на материала. По този начин може да се предположи, че при 220 °C вече настъпва увреждане на материала.
Постижимите стойности на модула след 300 минути показват значително нарастване с температурата. Тази разлика обаче не е толкова значителна между 200°C (червената крива) и 210°C (зелената крива).
Кинетичен анализ на реакцията след втвърдяване
Софтуерът Kinetics Neo позволява определянето на кинетичните параметри на химична реакция. Той позволява също така да се предскаже модулът на съхранение от механичните свойства с помощта на динамичен механичен анализ (DMA). Измерванията за кинетичния анализ са извършени при различни изотермични температури и са показани на фигура 2.
С помощта на тези измервания Kinetics Neo може да определи броя на стъпките, описващи реакцията на втвърдяване. За всяка от тези стъпки софтуерът изчислява и кинетичните параметри, т.е. вида на реакцията, енергията на активация и реда на реакцията.
На фигура 3 са представени измерванията, извършени при различни изотермични температури след отстраняване на базовата линия. Използва се хоризонтална базова линия, започваща от точката с минимална E'. Тъй като механичните измервания вече показват едностъпална реакция, за кинетичния анализ е избран модел с автокатализа от Cn, n-ти ред.
На фигура 3 са показани измерените криви като символи и подходящият модел като плътни линии.
Прилягането на модела се изчислява за температурата, използвана в експеримента, с помощта на софтуера Kinetics Neo. В таблица 2 са представени оптималните кинетични параметри, използвани за изчислението. Отклонението между измерените и изчислените криви показва разликите в подготовката на пробите. Въпреки това високият коефициент на детерминация R2 = 0,995 показва силно съответствие между модела и експерименталните данни.
Таблица 2: Кинетични параметри, изчислени чрез Kinetics Neo
| Стъпка 1 (единици) | |
| Енергия на активация | 50.319 (kJ/mol) |
| Log(PreExp) | 2.591 log (s-1) |
| ReactOrder n | 2.591 |
| Log (AutocatPreexp) | 0.01 log (s-1) |
| Принос | 1 |
Симулация на втвърдяване при специфични за потребителя условия
Въз основа на определените параметри на кинетиката Kinetics Neo е в състояние да изчисли поведението на пробата за всякакви условия на време/температура, близки до експерименталните температури.
Като пример, фигури 4 и 5 изобразяват степента на втвърдяване на смолата при различни изотермични температури от 180°C до 215°C за съответно 5 часа и 10 часа. Както се очаква, втвърдяването настъпва по-бързо при по-високи температури.
Необходим е по-дълъг период, за да се осигури пълно втвърдяване. Например, след 5 часа степента на втвърдяване достига 0,940, а за 16 часа - 0,972. Пълното втвърдяване може да отнеме няколко часа или дни, в зависимост от температурата.
Заключение
Механичните свойства на системата от UV-втвърдени смоли след термично втвърдяване бяха оценени с помощта на динамичен механичен анализ (DMA). Изотермичните измервания бяха извършени при различни температури: 180°C, 200°C, 210°C и 220°C. Данните бяха анализирани с помощта на софтуера Kinetics Neo и беше разработен кинетичен модел за прогнозиране на степента на втвърдяване. Този модел може да се прилага не само за измерените температури и продължителност, но и за условия, които не са били експериментално тествани. В резултат на това той дава възможност за идентифициране на параметри, които постигат определена степен на втвърдяване за най-кратко време или при най-ниска температура, в зависимост от целта на оптимизацията. Този подход намалява броя на необходимите физически изпитвания, като спестява време и разходи, а същевременно ускорява цялостния процес за потребителите.
Предимства на кинетичния анализ
По-ниски разходи за експериментиране
Kinetics Neo софтуерът намалява необходимостта от многобройни и скъпи физически опити, като оптимизира броя на необходимите тестове. Това позволява на клиентите да спестят време и пари, като същевременно ускоряват цялостния си процес.
Оптимизиране на циклите на втвърдяване
Софтуерът помага на Identify да избере оптималната температура и време за последващо втвърдяване, за да постигне най-добро преобразуване на материала. Това осигурява ефективност на производството, като предотвратява проблеми като прекомерно или недостатъчно последващо втвърдяване.
Персонализация и гъвкавост
Клиентите могат да настройват процеса на втвърдяване, за да отговорят на специфичните изисквания на приложението, независимо дали се нуждаят от по-гъвкави или по-твърди материали. Тази гъвкавост гарантира, че крайният продукт съответства напълно на техните нужди, като намалява необходимостта от допълнителни изпитания.