Γενικά
Τα συστήματα σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία έχουν βρει θέση σε διάφορες βιομηχανίες και εφαρμογές λόγω της γρήγορης επεξεργασιμότητας, της ακρίβειας στην εφαρμογή και της ευελιξίας τους. Ορισμένες από τις σημαντικότερες εφαρμογές μέχρι σήμερα είναι:
- Βιομηχανία εκτυπώσεων: Χρησιμοποιούνται ευρέως στην εκτυπωτική βιομηχανία. Επιτρέπουν τη γρήγορη ξήρανση και σκλήρυνση των μελανιών σε χαρτί, χαρτόνια, πλαστικά και άλλα υποστρώματα εκτύπωσης, γεγονός που αυξάνει την ταχύτητα παραγωγής.
- Επεξεργασία ξύλου: Οι επικαλύψεις σκλήρυνσης UV χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία ξύλου, ιδίως για έπιπλα, δάπεδα, επιφάνειες και τελειώματα επίπλων και διακοσμητικά ξύλου. Παρέχουν γρήγορη σκλήρυνση και υψηλή ποιότητα επιφάνειας.
- Αυτοκινητοβιομηχανία: Τα χρώματα και οι επιστρώσεις σκλήρυνσης UV χρησιμοποιούνται στην αυτοκινητοβιομηχανία για τη βαφή πλαστικών εξαρτημάτων, εσωτερικών εξαρτημάτων και ταμπλό. Προσφέρουν γρήγορη σκλήρυνση και υψηλή ποιότητα επιφάνειας.
- Ηλεκτρονική: Τα υλικά σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρονική βιομηχανία για την παραγωγή πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων, οθονών, περιβλημάτων, διακοπτών και άλλων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Προσφέρουν ακριβή δοσολογία και εφαρμογή και επιτρέπουν τη γρήγορη παραγωγή.
- Ιατρική τεχνολογία: Τα υλικά σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία χρησιμοποιούνται στην παραγωγή ιατρικών συσκευών, οδοντιατρικών προϊόντων, ορθοπεδικών συσκευών και άλλων ιατρικών εφαρμογών. Προσφέρουν υψηλή ακρίβεια και βιοσυμβατές ιδιότητες.
- Οπτική και γυαλιά: Τα υλικά σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία χρησιμοποιούνται για φακούς γυαλιών, φακούς επαφής και οπτικές επιστρώσεις. Προσφέρουν γρήγορη σκλήρυνση, υψηλή διαφάνεια και αντοχή στις γρατζουνιές.
- Αεροδιαστημική: Οι επικαλύψεις σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία εφαρμόζονται στην αεροδιαστημική βιομηχανία για εξαρτήματα, περιβλήματα και επιφανειακές εφαρμογές. Προσφέρουν μικρό βάρος, ανθεκτικότητα και γρήγορη σκλήρυνση.
- Συσκευασία τροφίμων: Οι επικαλύψεις σκλήρυνσης UV χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία συσκευασίας τροφίμων για την προστασία των υλικών συσκευασίας, τη βελτίωση της ανθεκτικότητας και τη μείωση της διείσδυσης της υγρασίας.
Εκτός από αυτούς τους παραδοσιακούς τομείς, χρησιμοποιούνται ευρέως στην Προσθετική Κατασκευή εδώ και αρκετά χρόνια. Οι ρητίνες σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία αποτελούν τη βάση για τις διαδικασίες Vat Photopolymerization και Material Jetting και χρησιμοποιούνται επίσης στο Binder Jetting. Και εδώ, οι ιδιότητες της γρήγορης σκλήρυνσης είναι σχετικές με την ταχύτητα τρισδιάστατης εκτύπωσης- η ακρίβεια και η λεπτότητα είναι σχετικές με την ανάλυση και το επιτεύξιμο πάχος στρώματος- και το ευρύ φάσμα συνθέσεων επιτρέπει έναν σχεδόν άπειρο συνδυασμό ιδιοτήτων υλικών και υλικών.
Σε ορισμένες εφαρμογές, οι ιδιότητες των μελανιών, των επικαλύψεων και των τρισδιάστατα εκτυπωμένων εξαρτημάτων μπορούν ακόμη και να βελτιωθούν περαιτέρω με τη σκλήρυνση σε υψηλές θερμοκρασίες μετά τη σκλήρυνση με υπεριώδη ακτινοβολία. Αυτό είναι μερικές φορές χρήσιμο για τον έλεγχο του βάθους σκλήρυνσης ή τη βελτίωση των ιδιοτήτων:
- Πάχος της επίστρωσης ή του φιλμ εκτύπωσης: Για παχιά στρώματα υλικών σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία, το υπεριώδες φως ενδέχεται να μην διεισδύσει επαρκώς για να διασφαλίσει την πλήρη σκλήρυνση. Απαιτείται θερμική μετα-σκλήρυνση για να επιτευχθεί πλήρης σκλήρυνση σε όλο το πάχος.
- Σύνθεση υλικού και βαθμός διασύνδεσης: Ορισμένα υλικά απαιτούν θερμική μετασκλήρυνση για να επιτευχθεί επαρκής διασύνδεση και πολυμερισμός. Η μετασκλήρυνση βοηθά στην ολοκλήρωση των ατελών αντιδράσεων και στη βελτίωση της σταθερότητας του υλικού.
- Βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του υλικού. Ο συνδυασμός της σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία και της θερμικής μετασκλήρυνσης επιτρέπει τη βελτιστοποίηση συγκεκριμένων ιδιοτήτων του υλικού, όπως η σκληρότητα, η ελαστικότητα, η αντοχή στην κρούση και η χημική αντοχή.
Μια καλή μέθοδος για τη βελτιστοποίηση της θερμικής μετα-σκλήρυνσης όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες είναι η δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA). Η DMA αναλύει τη συμπεριφορά των υλικών σε διαφορετικές θερμοκρασίες, συχνότητες και τάσεις. Στο ακόλουθο παράδειγμα, χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ιδανικής θερμοκρασίας μετά τη σκλήρυνση από άποψη χρόνου, κόστους και απόδοσης.
Παράμετρος μέτρησης και αποτελέσματα μέτρησης
Το σύστημα ρητίνης αναπτύχθηκε από την EZD για χρήση ως μελάνι ή επίστρωση ή σε προσθετική κατασκευή. Τα δείγματα παρήχθησαν με τρισδιάστατη εκτύπωση στην EZD-SKZ και αναλύθηκαν με DMA 303 Eplexor®. Οι σημαντικότερες παράμετροι συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα.
Πίνακας 1: Παράμετροι του δείγματος που ερευνήθηκε
| Δοχείο δείγματος | βάση 3 σημείων, εύκαμπτο στήριγμα 30 mm |
|---|---|
| Πάχος δείγματος | Περίπου 2 mm |
| Πλάτος δείγματος | Περίπου 10 mm |
| Μέγιστη δυναμική δύναμη | 10 N |
| Δυναμικό πλάτος | 50 μm |
| Συχνότητα | 1 Hz |
Για μια αρχική αξιολόγηση της συμπεριφοράς σκλήρυνσης και της μηχανικής συμπεριφοράς υπό την επίδραση της θερμοκρασίας, πραγματοποιήθηκε μέτρηση DMA από 100°C έως 200°C με ρυθμό θέρμανσης 2 K/min. Μετά την ψύξη, ο κύκλος αυτός επαναλήφθηκε άλλες 2 φορές στο ίδιο δείγμα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο σχήμα 1. Φαίνεται ότι εμφανίζεται διαφορά στο μέτρο αποθήκευσης σε θερμοκρασίες άνω της θερμοκρασίας δωματίου. Η δυσκαμψία αυξάνεται με την αύξηση της θέρμανσης. Επιπλέον, η υαλώδης μετάβαση μετατοπίζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Για τον προσδιορισμό της ιδανικής θερμοκρασίας σκλήρυνσης για το νέο σύστημα ρητίνης, τα δείγματα θερμάνθηκαν με ταχύτητα 5 K/min από τη θερμοκρασία δωματίου σε θερμοκρασίες-στόχους 180°C, 200°C, 210°C και 220°C και διατηρήθηκαν ισοθερμικά για 5 ώρες μετά την επίτευξη της θερμοκρασίας για να αναλυθεί η πιθανή αύξηση του μέτρου αποθήκευσης κατά τη διάρκεια του χρόνου διατήρησης, βλέπε σχήμα 2.
Μπορεί να διαπιστωθεί ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας επιτυγχάνονται όλο και υψηλότερες τιμές του μέτρου ελαστικότητας και ότι η αύξηση πραγματοποιείται ταχύτερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Μόνο στους 220°C εμφανίζεται αρνητική επίδραση. Μετά από μια αρχική αύξηση της τιμής του μέτρου ελαστικότητας, αυτή αρχίζει να μειώνεται μετά από περίπου 80 λεπτά συνολικού χρόνου μέτρησης, γεγονός που αποτελεί ένδειξη ευθραυστότητας του υλικού. Έτσι, στους 220°C, εμφανίζεται ήδη βλάβη του υλικού.
Οι επιτεύξιμες τιμές του μέτρου ελαστικότητας μετά από 300 λεπτά δείχνουν τη σημαντική αύξηση με τη θερμοκρασία. Ωστόσο, η διαφορά αυτή δεν είναι πλέον τόσο large μεταξύ 200°C και 210°C.
Για να εκτιμηθεί η επίδραση στη υαλώδη μετάβαση, όλα τα ισόθερμα κρατούμενα δείγματα θερμαίνονται στη συνέχεια δυναμικά από τους -100°C στους 200°C με ρυθμό θέρμανσης 2 K/min (σχήμα 3).
Για να είναι δυνατή η αξιολόγηση της επίδρασης στη υαλώδη μετάβαση, όλα τα δείγματα που διατηρούνται ισοθερμικά θερμαίνονται στη συνέχεια δυναμικά από τους -100°C στους 200°C με ρυθμό θέρμανσης 2 K/min. Η διαφορά στις τιμές του μέτρου ελαστικότητας μπορεί πλέον να αναγνωριστεί ήδη από την αρχή της μέτρησης στους -100°C. Μπορεί επίσης να φανεί καθαρά ότι η τιμή του μέτρου ελαστικότητας του δείγματος που υπέστη βλάβη στους 220°C δεν διαφέρει από το δείγμα μετά τη σκλήρυνση στους 180°C. Η κορυφή του tan d, η οποία αντιστοιχεί στη υαλώδη μετάβαση (Tg) του υλικού, μετατοπίζεται σε υψηλότερες τιμές καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία διατήρησης. Ωστόσο, παρατηρείται επίσης ότι οι διαφορές αυξάνονται λιγότερο απότομα μετά τη μετασκλήρυνση στους 200°C.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η υψηλότερη τιμή μέτρου ελαστικότητας και Tg μπορεί να επιτευχθεί σε θερμοκρασία σκλήρυνσης 210°C.
Ανάλογα με τις συνθήκες του πλαισίου, μπορούν τώρα να προκύψουν διαφορετικές αποφάσεις βελτιστοποίησης:
- Για να επιτευχθεί το μέγιστο μέτρο ελαστικότητας 201 MPa, η σκλήρυνση πρέπει να πραγματοποιηθεί στους 210°C για 300°C.
- Εάν, για παράδειγμα, αρκεί μια τιμή μέτρου ελαστικότητας 150 MPa, αυτή θα επιτευχθεί στους 200°C μετά από 160 λεπτά και στους 210°C μετά από 70 λεπτά. Ανάλογα με την τεχνολογία του κλιβάνου, μπορεί να υποτεθεί ότι είναι ενεργειακά αποδοτικότερο (+ χρόνος και κόστος) να επιτευχθούν τα ίδια αποτελέσματα σε 90 λεπτά λιγότερο στους 210°C.
- Εάν απαιτείται μια ορισμένη τιμή υαλώδους μετάπτωσης, π.χ. > 150°C, μια θερμοκρασία σκλήρυνσης 200°C μπορεί να είναι ήδη επαρκής. Θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν περαιτέρω ισοθερμικοί χρόνοι αναμονής για να ελεγχθεί εάν η ίδια Tg μπορεί επίσης να επιτευχθεί ταχύτερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες
Περίληψη
Το παράδειγμα αυτό έχει ως στόχο να δείξει ότι ανάλογα με την τιμή-στόχο της απόδοσης (modulus ή Tg), του χρόνου, του κόστους ή της ενεργειακής απόδοσης, μερικές μετρήσεις DMA είναι συνήθως αρκετές για να περιοριστεί ο χώρος των αποτελεσμάτων και στη συνέχεια να επαληθευτεί η επίτευξη των τιμών-στόχων με μία έως δύο μετρήσεις επιβεβαίωσης.
Ως εκ τούτου, η DMA μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτιστοποίηση της θερμικής σκλήρυνσης μελανιών σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία, επικαλύψεων και ρητινών τρισδιάστατης εκτύπωσης. Ανάλογα με την τιμή-στόχο, για τη βελτιστοποίηση της σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλες μέθοδοι, όπως η UV-DSC, η σύζευξη υπεριώδους ακτινοβολίας στο περιστροφικό ρεόμετρο Kinexus ή η UV-DEA.