Εισαγωγή
Το σύστημα ρητίνης που αναπτύχθηκε από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Τεχνολογιών Διασποράς (EZD) έχει σχεδιαστεί σχολαστικά για χρήση σε διάφορες εφαρμογές, όπως μελάνια, επιστρώσεις και πρόσθετη κατασκευή. Κεντρικό ρόλο στην απόδοσή του παίζει η κατανόηση της συμπεριφοράς σκλήρυνσής του, η οποία αναλύεται μέσω κινητικών μελετών του μέτρου αποθήκευσης. Η σκλήρυνση με υπεριώδη ακτινοβολία, η οποία περιλαμβάνει αντιδράσεις διασύνδεσης που δημιουργούν ομοιοπολικούς δεσμούς και σχηματίζουν τρισδιάστατα δίκτυα, αποτελεί βασικό χαρακτηριστικό αυτής της ρητίνης. Το μέτρο αποθήκευσης, ένα μέτρο της ακαμψίας ενός υλικού κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης, παρέχει κρίσιμες πληροφορίες για την κινητική της σκλήρυνσης και βοηθά στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς της ρητίνης υπό διαφορετικές συνθήκες. Συνδυάζοντας τη σκλήρυνση με υπεριώδη ακτινοβολία με θερμική μετασκλήρυνση, το σύστημα ρητίνης επιτυγχάνει βέλτιστες ιδιότητες υλικού, όπως σκληρότητα, ελαστικότητα και χημική αντοχή. Αυτή η προσέγγιση όχι μόνο εξασφαλίζει γρήγορη και αποτελεσματική σκλήρυνση, αλλά και βελτιώνει την απόδοση σε εφαρμογές σε διάφορους κλάδους όπως η εκτύπωση, η επεξεργασία ξύλου, η αυτοκινητοβιομηχανία, η ηλεκτρονική, η ιατρική τεχνολογία, τα οπτικά, η αεροδιαστημική και η συσκευασία τροφίμων. Η κινητική ανάλυση του μέτρου αποθήκευσης επιτρέπει ακριβείς προβλέψεις της συμπεριφοράς σκλήρυνσης της ρητίνης.
Συνθήκες μέτρησης
Τα δείγματα κατασκευάστηκαν με τρισδιάστατη εκτύπωση στην SKZKFE gGmbH και αναλύθηκαν με το NETZSCH DMA 303 Eplexor® (εικόνα 1). Οι σημαντικότερες παράμετροι μέτρησης συνοψίζονται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης της μέτρησης DMA 303 Eplexor®
| Δοχείο δείγματος | κάμψη 3 σημείων, εύκαμπτα στηρίγματα 30 mm |
|---|---|
| Πάχος δείγματος | Περίπου 2 mm |
| Πλάτος δείγματος | Περίπου 10 mm |
| Μέγιστη δυναμική δύναμη | 10 N |
| Δυναμικό εύρος | 50 μm |
| Συχνότητα | 1 Hz |
| Ρυθμός θέρμανσης | 5 K/min |
| Θερμοκρασία στόχου | 180°C, 200°C, 210°C και 220°C |
| Ισόθερμο τμήμα | 5 ώρες, το καθένα σε θερμοκρασία στόχο |
Αποτελέσματα μετρήσεων και συζήτηση
Για τον προσδιορισμό της ιδανικής θερμοκρασίας σκλήρυνσης για το νέο σύστημα ρητίνης, τα δείγματα θερμάνθηκαν με 5 K/min από τη θερμοκρασία δωματίου σε θερμοκρασίες-στόχους 180°C, 200°C, 210°C και 220°C, αντίστοιχα, και διατηρήθηκαν ισοθερμικά για 5 ώρες μετά την επίτευξη της θερμοκρασίας, προκειμένου να αναλυθεί η πιθανή αύξηση του μέτρου αποθήκευσης κατά τη διάρκεια του χρόνου διατήρησης, βλέπε σχήμα 2.
Παρατηρείται ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας σκλήρυνσης (ισοθερμικά τμήματα) μπορούν να επιτευχθούν υψηλότερες τιμές μέτρου αποθήκευσης και ότι η αύξηση πραγματοποιείται επίσης ταχύτερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Μόνο στους 220°C (μπλε καμπύλη) εμφανίζεται αρνητική επίδραση. Μετά από μια αρχική αύξηση της τιμής του μέτρου ελαστικότητας, αυτή αρχίζει να μειώνεται μετά από περίπου 80 λεπτά του συνολικού χρόνου μέτρησης, γεγονός που αποτελεί ένδειξη ευθραυστότητας του υλικού. Έτσι, μπορεί να υποτεθεί ότι στους 220°C, η βλάβη του υλικού έχει ήδη επέλθει.
Οι επιτεύξιμες τιμές του μέτρου ελαστικότητας μετά από 300 λεπτά δείχνουν τη σημαντική αύξηση με τη θερμοκρασία. Ωστόσο, η διαφορά αυτή δεν είναι τόσο σημαντική μεταξύ 200°C (κόκκινη καμπύλη) και 210°C (πράσινη καμπύλη).
Κινητική ανάλυση της αντίδρασης μετά τη σκλήρυνση
Το λογισμικό Kinetics Neo επιτρέπει τον προσδιορισμό των κινητικών παραμέτρων μιας χημικής αντίδρασης. Επιτρέπει επίσης την πρόβλεψη του μέτρου αποθήκευσης από τις μηχανικές ιδιότητες με τη χρήση δυναμικής μηχανικής ανάλυσης (DMA). Οι μετρήσεις για την κινητική ανάλυση πραγματοποιούνται σε διάφορες ισοθερμοκρασίες και παρουσιάζονται στο σχήμα 2.
Χρησιμοποιώντας αυτές τις μετρήσεις, το Kinetics Neo είναι σε θέση να προσδιορίσει τον αριθμό των βημάτων που περιγράφουν την αντίδραση σκλήρυνσης. Για κάθε ένα από αυτά τα βήματα, το λογισμικό υπολογίζει επίσης τις κινητικές παραμέτρους, δηλαδή τον τύπο της αντίδρασης, την ενέργεια ενεργοποίησης και τη σειρά της αντίδρασης.
Στο σχήμα 3 απεικονίζονται οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε διάφορες ισοθερμοκρασίες μετά την αφαίρεση της γραμμής βάσης. Χρησιμοποιείται οριζόντια γραμμή βάσης που ξεκινά από το σημείο με το ελάχιστο E'. Επειδή οι μηχανικές μετρήσεις υποδηλώνουν ήδη αντίδραση ενός σταδίου, επιλέγεται για την κινητική ανάλυση ένα μοντέλο με αυτοκατάλυση Cn, nης τάξης.
Στο Σχήμα 3 εμφανίζονται οι μετρούμενες καμπύλες ως σύμβολα και η προσαρμογή του μοντέλου ως συνεχείς γραμμές.
Η προσαρμογή του μοντέλου υπολογίζεται για τη θερμοκρασία που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα με το λογισμικό Kinetics Neo. Ο πίνακας 2 απεικονίζει τις βέλτιστες κινητικές παραμέτρους που χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό. Η απόκλιση μεταξύ των μετρούμενων και των υπολογιζόμενων καμπυλών δείχνει τις διαφορές στην προετοιμασία του δείγματος. Ωστόσο, ο υψηλός συντελεστής προσδιορισμού R2 = 0,995 υποδεικνύει ισχυρή συμφωνία μεταξύ του μοντέλου και των πειραματικών δεδομένων.
Πίνακας 2: Κινητικές παράμετροι, υπολογισμένες με Kinetics Neo
| Βήμα 1 (μονάδες) | |
| Ενέργεια ενεργοποίησης | 50.319 (kJ/mol) |
| Log(PreExp) | 2.591 log (s-1) |
| ReactOrder n | 2.591 |
| Log (AutocatPreexp) | 0.01 log (s-1) |
| Συνεισφορά | 1 |
Προσομοίωση της σκλήρυνσης για συγκεκριμένες συνθήκες χρήστη
Με βάση τις καθορισμένες κινητικές παραμέτρους, το Kinetics Neo είναι σε θέση να υπολογίσει τη συμπεριφορά του δείγματος για οποιαδήποτε χρονική/θερμοκρασιακή συνθήκη, κοντά στις πειραματικές θερμοκρασίες.
Ως παράδειγμα, τα σχήματα 4 και 5 απεικονίζουν το βαθμό σκλήρυνσης της ρητίνης σε διαφορετικές ισοθερμοκρασίες από 180°C έως 215°C για 5 ώρες και 10 ώρες, αντίστοιχα. Όπως ήταν αναμενόμενο, η σκλήρυνση πραγματοποιείται ταχύτερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Απαιτείται μεγαλύτερο χρονικό διάστημα για να εξασφαλιστεί η πλήρης σκλήρυνση. Για παράδειγμα, μετά από 5 ώρες, ο βαθμός σκλήρυνσης φτάνει το 0,940 και σε διάστημα 16 ωρών φτάνει το 0,972. Η πλήρης σκλήρυνση μπορεί να διαρκέσει αρκετές ώρες ή ημέρες, ανάλογα με τη θερμοκρασία.
Συμπέρασμα
Οι μηχανικές ιδιότητες ενός συστήματος ρητίνης που έχει σκληρυνθεί με υπεριώδη ακτινοβολία μετά τη θερμική σκλήρυνση αξιολογήθηκαν με τη χρήση δυναμικής μηχανικής ανάλυσης (DMA). Πραγματοποιήθηκαν ισοθερμικές μετρήσεις σε διαφορετικές θερμοκρασίες: 180°C, 200°C, 210°C και 220°C. Τα δεδομένα αναλύθηκαν με τη χρήση του λογισμικού Kinetics Neo και αναπτύχθηκε ένα μοντέλο κινητικής για την πρόβλεψη του βαθμού σκλήρυνσης. Το μοντέλο αυτό μπορεί να εφαρμοστεί όχι μόνο στις μετρούμενες θερμοκρασίες και διάρκειες αλλά και σε συνθήκες που δεν δοκιμάστηκαν πειραματικά. Ως αποτέλεσμα, επιτρέπει τον προσδιορισμό των παραμέτρων που επιτυγχάνουν ένα συγκεκριμένο βαθμό σκλήρυνσης στον συντομότερο χρόνο ή στη χαμηλότερη θερμοκρασία, ανάλογα με τον στόχο βελτιστοποίησης. Η προσέγγιση αυτή μειώνει τον αριθμό των απαιτούμενων φυσικών δοκιμών, εξοικονομώντας χρόνο και κόστος, ενώ παράλληλα επιταχύνει τη συνολική διαδικασία για τους χρήστες.
Οφέλη κινητικής ανάλυσης
Χαμηλότερο πειραματικό κόστος
Kinetics Neo το λογισμικό μειώνει την ανάγκη για πολυάριθμες και δαπανηρές φυσικές δοκιμές βελτιστοποιώντας τον αριθμό των απαιτούμενων δοκιμών. Αυτό επιτρέπει στους πελάτες να εξοικονομούν χρόνο και χρήμα, ενώ παράλληλα επιταχύνει τη συνολική διαδικασία.
Βελτιστοποίηση των κύκλων σκλήρυνσης
Το λογισμικό βοηθά το Identify στη βέλτιστη θερμοκρασία και χρόνο μετά τη σκλήρυνση για την επίτευξη της καλύτερης μετατροπής του υλικού. Αυτό διασφαλίζει την αποδοτικότητα της παραγωγής, αποτρέποντας ζητήματα όπως η υπερβολική ή η υπο-μετά-σκλήρυνση.
Προσαρμογή και ευελιξία
Οι πελάτες μπορούν να προσαρμόσουν τη διαδικασία σκλήρυνσης ώστε να ικανοποιούν συγκεκριμένες απαιτήσεις εφαρμογών, είτε χρειάζονται τα υλικά να είναι πιο εύκαμπτα είτε πιο άκαμπτα. Αυτή η ευελιξία διασφαλίζει ότι το τελικό προϊόν ευθυγραμμίζεται απόλυτα με τις ανάγκες τους, μειώνοντας την ανάγκη για πρόσθετες δοκιμές.