Úvod
Systém pryskyřic vyvinutý Evropským centrem pro disperzní technologie (EZD) byl pečlivě navržen pro použití v různých aplikacích, včetně inkoustů, nátěrů a aditivní výroby. Ústřední roli v jeho výkonnosti hraje pochopení jeho chování při vytvrzování, které je analyzováno prostřednictvím kinetických studií modulu skladovatelnosti. Klíčovou vlastností této pryskyřice je vytvrzování UV zářením, zahrnující Vytvrzování (síťovací reakce)V doslovném překladu termín "crosslinking" znamená "křížové propojení". V chemickém kontextu se používá pro reakce, při nichž se molekuly spojují kovalentními vazbami a vytvářejí trojrozměrné sítě.síťovací reakce, které vytvářejí kovalentní vazby a trojrozměrné sítě. Akumulační modul, měřítko tuhosti materiálu během vytvrzování, poskytuje zásadní poznatky o kinetice vytvrzování a pomáhá předvídat chování pryskyřice za různých podmínek. Kombinací UV vytvrzování s tepelným dotvrzováním dosahuje systém pryskyřice optimálních vlastností materiálu, jako je tvrdost, pružnost a chemická odolnost. Tento přístup zajišťuje nejen rychlé a efektivní vytvrzení, ale také zvyšuje výkonnost v aplikacích napříč průmyslovými odvětvími, jako je tisk, zpracování dřeva, automobilový průmysl, elektronika, zdravotnická technika, optika, letecký průmysl a balení potravin. Kinetická analýza modulu skladovatelnosti umožňuje přesně předpovědět chování pryskyřice při vytvrzování.
Podmínky měření
Vzorky byly vyrobeny pomocí 3D tisku ve společnosti SKZKFE gGmbH a analyzovány pomocí přístroje NETZSCH DMA 303 Eplexor® (obr. 1). Nejdůležitější parametry měření jsou shrnuty v tabulce 1.
Tabulka 1: Podmínky měření přístroje DMA 303 Eplexor®
| Držák vzorku | tříbodový ohyb, 30mm pružné podpěry |
|---|---|
| Tloušťka vzorku | Přibližně 2 mm |
| Šířka vzorku | Přibližně 10 mm |
| Maximální dynamická síla | 10 N |
| Dynamická amplituda | 50 μm |
| Frekvence | 1 Hz |
| Rychlost zahřívání | 5 K/min |
| Cílová teplota | 180 °C, 200 °C, 210 °C a 220 °C |
| Izotermický segment | 5 h, každý při cílové teplotě |
Výsledky měření a diskuse
Pro určení ideální teploty vytvrzování pro nový systém pryskyřic byly vzorky zahřívány rychlostí 5 K/min z pokojové teploty na cílové teploty 180 °C, 200 °C, 210 °C a 220 °C a po dosažení teploty byly izotermicky udržovány po dobu 5 hodin, aby bylo možné analyzovat případný nárůst modulu skladovatelnosti během doby udržování; viz obrázek 2.
Je vidět, že se zvyšující se teplotou vytvrzování (izotermické úseky) lze dosáhnout vyšších hodnot modulu a že při vyšších teplotách dochází také k rychlejšímu nárůstu. Pouze při teplotě 220 °C (modrá křivka) se projevuje negativní vliv. Po počátečním nárůstu hodnoty modulu začíná po přibližně 80 minutách celkové doby měření klesat, což je indikátorem křehnutí materiálu. Lze tedy předpokládat, že při 220 °C již dochází k poškození materiálu.
Dosažené hodnoty modulu po 300 minutách vykazují značný nárůst s teplotou. Tento rozdíl však není tak výrazný mezi teplotami 200 °C (červená křivka) a 210 °C (zelená křivka).
Kinetická analýza reakce po vytvrzení
Software Kinetics Neo umožňuje stanovit kinetické parametry chemické reakce. Umožňuje také předpovídat Pružnost a modul pružnostiPružnost pryže nebo entropická pružnost popisuje odolnost jakéhokoli pryžového nebo elastomerového systému proti vnější deformaci nebo deformaci. modul skladovatelnosti z mechanických vlastností pomocí dynamické mechanické analýzy (DMA). Měření pro kinetickou analýzu se provádějí při různých IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermických teplotách a jsou znázorněna na obrázku 2.
Na základě těchto měření je Kinetics Neo schopen určit počet kroků popisujících vytvrzovací reakci. Pro každý z těchto kroků software rovněž vypočítá kinetické parametry, tj. typ reakce, aktivační energii a pořadí reakce.
Obrázek 3 znázorňuje měření provedená při různých IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermických teplotách po odstranění základní linie. Je použita horizontální základní linie začínající v bodě s minimální E'. Protože mechanická měření již naznačují jednostupňovou reakci, byl pro kinetickou analýzu zvolen model s autokatalýzou Cn, n-tého řádu.
Na obrázku 3 jsou naměřené křivky zobrazeny jako symboly a fit modelu jako plné čáry.
Modelová shoda je vypočtena pro teplotu použitou v experimentu pomocí softwaru Kinetics Neo. Tabulka 2 znázorňuje optimální kinetické parametry použité pro výpočet. Odchylky mezi naměřenými a vypočtenými křivkami ukazují rozdíly v přípravě vzorků. Vysoký koeficient determinace R2 = 0,995 však ukazuje na silnou shodu mezi modelem a experimentálními daty.
Tabulka 2: Kinetické parametry vypočtené pomocí Kinetics Neo
| Krok 1 (jednotky) | |
| Aktivační energie | 50.319 (kJ/mol) |
| Log(PreExp) | 2.591 log (s-1) |
| ReactOrder n | 2.591 |
| Log (AutocatPreexp) | 0.01 log (s-1) |
| Příspěvek | 1 |
Simulace vytvrzování pro specifické podmínky uživatele
Na základě stanovených kinetických parametrů je Kinetics Neo schopen vypočítat chování vzorku pro libovolné časové/teplotní podmínky blízké experimentálním teplotám.
Jako příklad jsou na obrázcích 4 a 5 znázorněny stupně vytvrzení pryskyřice při různých IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermických teplotách od 180 °C do 215 °C po dobu 5 hodin, resp. 10 hodin. Podle očekávání dochází k rychlejšímu vytvrzování při vyšších teplotách.
K zajištění úplného vytvrzení je nutná delší doba. Například po 5 hodinách dosáhne stupeň vytvrzení hodnoty 0,940 a po více než 16 hodinách 0,972. Úplné vytvrzení může v závislosti na teplotě trvat několik hodin nebo dní.
Závěr
Mechanické vlastnosti systému pryskyřic vytvrzených UV zářením po tepelném vytvrzení byly hodnoceny pomocí dynamické mechanické analýzy (DMA). Izotermická měření byla prováděna při různých teplotách: 180 °C, 200 °C, 210 °C a 220 °C. Data byla analyzována pomocí softwaru Kinetics Neo a byl vyvinut kinetický model pro předpověď stupně vytvrzení. Tento model lze aplikovat nejen na naměřené teploty a doby trvání, ale také na podmínky, které nebyly experimentálně testovány. V důsledku toho umožňuje identifikovat parametry, kterými se dosáhne určitého stupně vytvrzení v nejkratším čase nebo při nejnižší teplotě, v závislosti na cíli optimalizace. Tento přístup snižuje počet potřebných fyzikálních testů, čímž šetří čas i náklady a zároveň urychluje celkový proces pro uživatele.
Výhody kinetické analýzy
Nižší náklady na experimenty
Kinetics Neo software snižuje potřebu četných a nákladných fyzických pokusů tím, že optimalizuje počet potřebných testů. To umožňuje zákazníkům ušetřit čas i peníze a zároveň urychlit celkový proces.
Optimalizace cyklů vytvrzování
Software pomáhá Identify zvolit optimální teplotu a čas po vytvrzení, aby bylo dosaženo nejlepší konverze materiálu. Tím je zajištěna efektivita výroby a předchází se problémům, jako je nadměrné nebo nedostatečné následné vytvrzování.
Přizpůsobení a flexibilita
Zákazníci mohou přizpůsobit proces vytvrzování tak, aby vyhovoval specifickým požadavkům aplikace, ať už potřebují, aby materiály byly pružnější nebo tužší. Tato flexibilita zajišťuje, že výsledný produkt dokonale odpovídá jejich potřebám, a snižuje tak potřebu dalších zkoušek.