Introduktion
Fotopolymerer er lysfølsomme materialer, der polymeriserer, når de udsættes for lys, og omdanner flydende monomerer eller oligomerer til faste, funktionelle netværk. I additive fremstillingsprocesser (AM), herunder multifotonlitografi og fusion jetting (FJ) [1], er hærdningen af akrylatfotopolymerer stærkt påvirket af både UV-lysintensitet og temperatur. I AM hærdes materialet lag for lag med typiske lagtykkelser på omkring 50 til 100 μm [2,3], hvor materialet oplever selvopvarmning på grund af den eksotermiske hærdningsreaktion.
Formålet med dette studie er at undersøge den termiske opførsel af diacrylatfotopolymerlag under varierende isotermiske forhold og UV-lysintensiteter ved hjælp af NETZSCH dielektrisk analyse til eksperimentel overvågning sammen med Kinetics Neo [5] og Termica Neo [6] software til kinetisk analyse, termisk simulering og identifikation af hotspots.
Målebetingelser
DEA-målinger blev udført ved hjælp af NETZSCH DEA-instrumentering under de målebetingelser, der er anført i tabel 1. De opnåede DEA-kurver er grundlaget for den kinetiske analyse.
Figur 1 viser vores instrument til dielektrisk analyse (DEA), som muliggør in-situ-måling af forskellige reaktive materialers hærdningsadfærd. Flere sensorer giver mulighed for præcis måling af temperatur og Ion-viskositetIonviskositet er den reciprokke værdi af ionledningsevnen, som beregnes ud fra den dielektriske tabsfaktor.ionviskositet, hvilket sikrer optimal ydeevne og kvalitet.
Tabel 1: Målebetingelser
| Instrument | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| Materiale | Fotopolymer diacrylater (UV DLP-firma) |
| IsotermiskTest ved kontrolleret og konstant temperatur kaldes isotermiske.Isotermisk temperatur/°C | 30, 90 og 150 |
UV-intensiteter ved 30°C/mW/cm² | 36, 75, 150 og 300 |
| Bestrålingstid/min | 10 |
| Sensor | IDEX-sensor |
| Frekvens/Hz | 10 |
Kinetisk analyse
Kinetics Neo software bruges til at skabe en samlet model for forskellige temperaturer og intensiteter af UV-lys med en intensitet på I0 = 75 mW/cm². Detaljerede oplysninger om den kinetiske modellering af Hærdning (tværbindingsreaktioner)Bogstaveligt oversat betyder udtrykket "crosslinking" "krydsnetværk". I kemisk sammenhæng bruges det om reaktioner, hvor molekyler knyttes sammen ved at indføre kovalente bindinger og danne tredimensionelle netværk.hærdning under forskellige UV-intensiteter kan findes i del 1[4].
Figur 2 illustrerer virkningerne af temperatur og UV-intensitet på hærdningsadfærden for fotopolymerdiacrylater, målt ved DEA (dielektrisk analyse). En fælles kinetisk model blev oprettet ved hjælp af Kinetics Neo software. Rhombussymboler repræsenterer de eksperimentelle data, og de fuldt optrukne linjer svarer til de tilpassede kurver. Tabel 2 viser de kinetiske parametre baseret på DEA-målingerne.
Tabel 2: Kinetiske parametre for fotopolymeracrylater baseret på DEA-målinger
| Reaktionstrin | A → B |
|---|---|
| Reaktionstype | Cnm |
| Aktiveringsenergi [kJ/mol} | 5.174 |
| Log (præeksponentiel faktor) [Log (1/s)] | -1.793 |
| Reaktionsorden | 1.724 |
| Log (Autocat præeksponentiel faktor [Log(1/s)]) | 1.629 |
| AutcatPower mf | 1.136 |
| nUV Light | 0.619 |
| I0 [mW/cm²] | 75 |
| Bestemmelseskoefficient (R²) | 0.996 |
Cnm: Reaktion af n 'te orden med m-power autokatalyse
Termica Neo Software: Simulation
Den eksoterme hærdningsproces fremkalder selvopvarmning i materialet, hvilket resulterer i dannelsen af interne temperaturgradienter. I dette arbejde simulerer vi den termiske Hærdning (tværbindingsreaktioner)Bogstaveligt oversat betyder udtrykket "crosslinking" "krydsnetværk". I kemisk sammenhæng bruges det om reaktioner, hvor molekyler knyttes sammen ved at indføre kovalente bindinger og danne tredimensionelle netværk.hærdning af diacrylatfotopolymerlag, der er modelleret som en uendelig pladegeometri med tykkelser på 100 μm og 300 μm og med en entalpi på 301 J/g fra vores DSC-målinger. I simuleringen af AM-processer placeres det reaktive lag over en tyk polymerblok på 10 cm med en kontrolleret temperatur på 25 °C under denne blok. De omgivende temperaturer på den øverste overflade af det reaktive lag er 90 °C og 150 °C under UV-eksponering med en given intensitet på 75 mW/cm2. Simuleringen viser, hvordan temperaturen ændrer sig over tid i lagene under hærdningsprocessen.
Figur 3 (a) og 3 (b) viser simuleringen af temperaturudviklingen over tre minutter under hærdningsprocessen for lag på 100 μm og 300 μm. Begge lag når deres maksimale temperaturer på omtrent samme tid (0,7 minutter): 90.4°C for 100-μm-laget og 92,4°C for 300-μm-laget for x=100%, hvilket svarer til den fulde referencetykkelse på det øverste overfladelag. Den højere temperatur i det tykkere lag indikerer reduceret varmeafledning. I tykke lag frigiver den eksoterme reaktion mere akkumuleret entalpi internt, hvilket fører til selvopvarmning og en højere temperatur end i tynde lag.
(a) og 300 μm
(b) ved samme temperatur på 90 °C og en intensitet på 75 mW/cm².
Figur 4 (a) og 4 (b) viser de simulerede temperaturprofiler i løbet af en tre minutters hærdningscyklus for et lag på 100 μm under forskellige isotermiske forhold på 50 °C og 150 °C. For begge lag steg spidstemperaturen med ca. 0,35 °C for et lag på 100 μm. Ved de forskellige isotermiske forhold på 50 °C og 150 °C var den største forskel i tiden til at nå toptemperaturen for x = 100 %, hvilket svarer til den fulde referencetykkelse på det øverste overfladelag: ved 150 °C skete det hurtigere, på 0,6 minutter, mens det ved 50 °C tog 1,1 minutter.
(a) og 150 °C
(b) for den samme lagtykkelse på 100 μm og en intensitet på 75 mW/cm².
Figur 5 (a) viser simuleringen af temperaturudviklingen i løbet af tre minutter under hærdningsprocessen af et 300 μm lag ved 150 °C. Den højeste temperatur steg med ca. 2,6 °C for dette lag for x = 100 %, hvilket svarer til dets øverste overflade.
Figur 5 (b) viser et 3D-overfladeplot, der illustrerer temperaturen som en funktion af både lagdybde og tid. Figur 5 (c) viser et 3D-varmekort, der viser den rumlige temperaturvariation på tværs af laget over tid. Disse visualiseringer muliggør hurtig identifikation af termiske hotspots.
(a) Temperaturprofiler i laget for forskellige lodrette positioner under hærdningen
(b) 3D-overfladeskildring af temperaturudviklingen i laget som en funktion af koordinat og tid
(c) 3D-varmekort over temperaturudviklingen i laget.
Konklusion
Dielektrisk analyse (DEA) er et effektivt værktøj til overvågning af UV-fotopolymerer. Det kan ikke kun bruges i laboratoriet, men også direkte på produktionslinjen. Når det kombineres med Kinetics Neo software har DEA-målinger vist sig effektivt at kunne bestemme kinetiske parametre, der er en funktion af både temperatur og UV-intensitet. Termica Neo-softwaren tilføjer betydelig værdi ved at simulere den termiske opførsel af fotopolymerlag, forudsige temperaturudviklingen, identificere potentielle hotspots og muliggøre optimering af lagtykkelse og hærdningsbetingelser.
Fordele ved termisk simulering
Termisk sikkerhed og pålidelighed: Simuler temperaturudviklingen i forskellige lagtykkelser for at forhindre overophedning eller ujævn Hærdning (tværbindingsreaktioner)Bogstaveligt oversat betyder udtrykket "crosslinking" "krydsnetværk". I kemisk sammenhæng bruges det om reaktioner, hvor molekyler knyttes sammen ved at indføre kovalente bindinger og danne tredimensionelle netværk.hærdning.
Identifikation af hotspots: Opdag termiske hotspots ved hjælp af 3D-temperaturprofiler og varmekort.
Tids- og omkostningseffektivitet: Reducer antallet af eksperimenter med forsøg og fejl, og minimer materialespild.
Applikationsnote: Del 1
Find ud af mere om: Kinetisk analyse af fotopolymerhærdning under variable UV-lysintensiteter ved hjælp af Kinetics Neo og DEA i del 1