Въведение
Фотополимерите са светлочувствителни материали, които полимеризират при излагане на светлина, като превръщат течните мономери или олигомери в твърди, функционални мрежи. В процесите на адитивно производство (АМ), включително мултифотонна литография и фюжън джеттинг (FJ) [1], поведението на акрилатните фотополимери при втвърдяване се влияе силно както от интензитета на ултравиолетовата светлина, така и от температурата. При АМ втвърдяването на материала се извършва слой по слой с типични дебелини на слоя около 50 до 100 μm [2,3], при което материалът изпитва самонагряване поради екзотермичната реакция на втвърдяване.
Целта на това изследване е да се изследва термичното поведение на диакрилатни фотополимерни слоеве при различни изотермични условия и интензитет на UV светлината, като се използва NETZSCH Диелектричен анализ за експериментален мониторинг заедно с Kinetics Neo [5] и Termica Neo [6] софтуер за кинетичен анализ, термична симулация и идентифициране на горещи точки.
Условия за измерване
Измерванията на DEA бяха извършени с помощта на уредите за DEA на NETZSCH при условията на измерване, изброени в таблица 1. Получените DEA криви са основа за кинетичния анализ.
На фигура 1 е показан нашият уред за диелектричен анализ (DEA), който позволява измерване на място на поведението при втвърдяване на различни реактивни материали. Многобройните сензори позволяват прецизно измерване на температурата и вискозитета на йоните, което гарантира оптимална производителност и качество.
Таблица 1: Условия за измерване
| Инструмент | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| Материал | Фотополимерни диакрилати (UV DLP Firm) |
| Изотермична температура/°C | 30, 90 и 150 |
Интензитет на UV лъчите при 30°C/mW/cm² | 36, 75, 150 и 300 |
| Време на облъчване/min | 10 |
| Сензор | Сензор IDEX |
| Честота/Hz | 10 |
Кинетичен анализ
Kinetics Neo софтуер се използва за създаване на унифициран модел за различни температури и интензитети на UV светлина с интензитет I0 = 75 mW/cm². Подробна информация за кинетичното моделиране на втвърдяването при различни интензитети на ултравиолетовата светлина може да се намери в част 1[4].
Фигура 2 илюстрира влиянието на температурата и интензитета на UV светлината върху поведението на фотополимерните диакрилати при втвърдяване, измерено чрез DEA (диелектричен анализ). Беше създаден общ кинетичен модел, като се използва Kinetics Neo софтуер. Ромбовидните символи представляват експерименталните данни, а плътните линии съответстват на напаснатите криви. В таблица 2 са описани подробно параметрите на кинетиката въз основа на измерванията на DEA.
Таблица 2: Кинетични параметри на фотополимерните акрилати въз основа на измерванията на DEA
| Етап на реакция | A → B |
|---|---|
| Вид реакция | Cnm |
| Енергия на активация [kJ/mol} | 5.174 |
| Log (преекспоненциален фактор) [Log (1/s)] | -1.793 |
| Ред на реакцията | 1.724 |
| Log (преекспоненциален фактор на Autocat [Log(1/s)] | 1.629 |
| AutcatPower mf | 1.136 |
| nUV Light | 0.619 |
| I0 [mW/cm²] | 75 |
| Коефициент на определяне (R²) | 0.996 |
Cnm: Реакция от n-ти порядък с автокатализа с m-сила
Софтуер Termica Neo: Симулация
Екзотермичният процес на втвърдяване предизвиква самонагряване в материала, което води до образуване на вътрешни температурни градиенти. В тази работа симулираме поведението на термичното втвърдяване на диакрилатни фотополимерни слоеве, моделирани като безкрайна геометрия на плочи с дебелини 100 μm и 300 μm и с енталпия 301 J/g от нашите DSC измервания. При симулацията на процесите на АМ реактивният слой е поставен над дебел полимерен блок от 10 cm с контролирана температура от 25 °C под този блок. Околните температури на горната повърхност на този реактивен слой са 90°C и 150°C при излагане на UV лъчи с даден интензитет от 75 mW/cm2. Симулацията показва как температурата се променя с течение на времето в слоевете по време на процеса на втвърдяване.
На фигури 3 (а) и 3 (б) е представена симулацията на еволюцията на температурата в продължение на три минути по време на процеса на втвърдяване за слоеве с дебелина 100 μm и 300 μm. И двата слоя достигат максималните си температури приблизително за едно и също време (0,7 минути): 90.4°C за 100-микрометровия слой и 92,4°C за 300-микрометровия слой за x=100%, което съответства на пълната референтна дебелина на горния повърхностен слой. По-високата температура в по-дебелия слой показва намалено разсейване на топлината. В дебелите слоеве екзотермичната реакция освобождава повече натрупана вътрешна енталпия, което води до самонагряване и по-висока температура в сравнение с тънките слоеве.
(а) и 300 μm
(b) при една и съща температура от 90°C и интензитет от 75 mW/cm².
На фигури 4 (а) и 4 (б) са показани симулираните температурни профили за триминутен цикъл на втвърдяване за 100-микрометров слой при различни изотермични условия от 50°C и 150°C. И за двата слоя пиковата температура се увеличава с приблизително 0,35 °C за 100-микрометров слой. При различните изотермични условия от 50°C и 150°C основната разлика е във времето за достигане на пиковата температура за x=100%, което съответства на пълната референтна дебелина на горния повърхностен слой: при 150°C това става по-бързо, за 0,6 минути, докато при 50°C отнема 1,1 минути.
(а) и 150°C
(б) за същата дебелина на слоя от 100 μm и интензитет от 75 mW/cm².
На фигура 5 (а) е показана симулацията на температурното развитие за три минути по време на процеса на втвърдяване на 300-микрометров слой при 150°C. Пиковата температура се увеличава с приблизително 2,6°C за този слой за x=100%, което съответства на горната му повърхност.
На фигура 5 (б) е представена 3D повърхностна диаграма, илюстрираща температурата като функция на дълбочината на слоя и на времето. На фигура 5 (в) е представена 3D топлинна карта, показваща пространственото изменение на температурата в слоя с течение на времето. Тези визуализации дават възможност за бързо идентифициране на топлинни горещи точки.
(а) Температурни профили в слоя за различни вертикални позиции по време на втвърдяването
б) 3D изображение на повърхността на еволюцията на температурата в слоя като функция на координатата и времето
(в) 3D топлинна карта на температурната еволюция в слоя.
Заключение
Диелектричният анализ (DEA) е ефективен инструмент за наблюдение на UV фотополимери. Той може да се използва не само в лабораторията, но и директно на производствената линия. Когато се комбинира с Kinetics Neo софтуер, измерванията с DEA са доказано ефективни за определяне на кинетични параметри, които са функция както на температурата, така и на интензитета на UV лъчите. Софтуерът Termica Neo добавя значителна стойност чрез симулиране на термичното поведение на фотополимерните слоеве, прогнозиране на температурното развитие, идентифициране на потенциални горещи точки и възможност за оптимизиране на дебелината на слоя и условията на втвърдяване.
Предимства на топлинната симулация
Термична безопасност и надеждност: Симулирайте развитието на температурата при различни дебелини на слоя, за да предотвратите прегряване или неравномерно втвърдяване.
Идентифициране на горещи точки: Открийте топлинните точки с помощта на 3D температурни профили и топлинни карти.
Ефективност на времето и разходите: Намалете експериментите "проба-грешка" и сведете до минимум материалните отпадъци.
Бележка за приложение: Част 1
Научете повече за: Кинетичен анализ на втвърдяването на фотополимери при променлива интензивност на ултравиолетовата светлина с помощта на Kinetics Neo и DEA в част 1