Εισαγωγή
Ένα φωτοπολυμερές αποτελείται συνήθως από μονομερή, ολιγομερή και φωτοεκκινητές, τα οποία διασυνδέονται για να σχηματίσουν μια δομή δικτύου όταν εκτίθενται σε φως, συχνά στην υπεριώδη ή ορατή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (βλ. Σχήμα 1). Η φωτοσκλήρυνση είναι μια σχετικά γρήγορη διαδικασία σε σύγκριση με τη θερμική σκλήρυνση και, ως εκ τούτου, η διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σκλήρυνση selective με τη χρήση πηγών φωτός υψηλής ενέργειας, γεγονός που καθιστά τη διαδικασία κατάλληλη για την εκτύπωση πλακετών κυκλωμάτων και την κατασκευή μικροτσίπ. Τα φωτοπολυμερή χρησιμοποιούνται ευρέως στην ιατρική, την τρισδιάστατη εκτύπωση, την επικάλυψη, την κόλλα και τις τεχνολογίες πρωτοαντιστάσεων [1].
Οι ρεολογικές μετρήσεις χρησιμοποιούνται συνήθως για τον χαρακτηρισμό της εξέλιξης των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων των φωτοπολυμερών κατά τη διάρκεια της φωτοσκλήρυνσης. Μετρώντας τη μεταβολή του σύνθετου μέτρου ελαστικότητας (G*), είναι δυνατόν να εκτιμηθεί ο ρυθμός της διασύνδεσης. Επιπλέον, τα φωτοπολυμερή τείνουν να παρουσιάζουν σημαντική συρρίκνωση μετά τη σκλήρυνση ανάλογα με τη συγκέντρωση του μονομερούς. Η δυνατότητα ελέγχου της κανονικής δύναμης στο ρεόμετρο επιτρέπει τη μέτρηση της κατακόρυφης συρρίκνωσης κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης από τη μεταβολή του διακένου υπό σταθερή εφαρμοζόμενη δύναμη. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του ποσοστού συρρίκνωσης μετά τη σκλήρυνση. Η κινητική της διασύνδεσης των φωτοπολυμερών τείνει να έχει πολύ ισχυρή εξάρτηση από την ένταση του υπεριώδους φωτός και τη διάρκεια του χρόνου έκθεσης. Είναι επίσης σημαντικό να ληφθεί υπόψη ότι η ένταση της δέσμης φωτός μειώνεται με την απόσταση από την επιφάνεια ακτινοβόλησης.
Πειραματικό
- Ο ρυθμός διασύνδεσης και η συρρίκνωση μετά τη σκλήρυνση δύο διαφορετικών συγκολλητικών ουσιών που σκληραίνουν με υπεριώδη ακτινοβολία αξιολογήθηκαν και συγκρίθηκαν υπό τις συνιστώμενες συνθήκες διεργασίας.
- Οι μετρήσεις περιστροφικού ρεομέτρου πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του περιστροφικού ρεομέτρου Kinexus με εξάρτημα UV, τα οποία είναι προσαρτημένα σε κυλινδρικό φυσίγγιο. Υγρή κόλλα διανεμήθηκε σε γυάλινη πλάκα χαλαζία μέσω της οποίας ακτινοβολούνταν υπεριώδες φως (βλέπε σχήμα 2). Για τις ρεολογικές μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα μέτρησης παράλληλων πλακών μιας χρήσης.
- Το πάχος του δείγματος ήταν 0,65 mm και πραγματοποιήθηκε ταλαντωτική μέτρηση μιας συχνότητας υπό τάση ελέγχου 0,1% σε 1 Hz.
- Χρησιμοποιήθηκε μια τυποποιημένη ακολουθία φόρτισης για να εξασφαλιστεί ότι και τα δύο δείγματα υποβλήθηκαν σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτισης.
- OmniCure® Χρησιμοποιήθηκε η μονάδα σκλήρυνσης UV/Visible Spot της σειράς 2000 με υγρό φωτοδηγό διαμέτρου 8 mm OmniCure® για τον φωτισμό του δείγματος με υπεριώδες φως. Το μήκος κύματος της πηγής φωτός καλύπτει 320 nm - 500 nm. Η μονάδα σκλήρυνσης χρησιμοποιήθηκε στη λειτουργία calibration και το ραδιόμετρο OmniCure® R2000 χρησιμοποιήθηκε για να calibrate την ένταση εξόδου UV.
- το λογισμικό rSpace έχει ρυθμιστεί ώστε να επικοινωνεί με τη μονάδα σκλήρυνσης OmniCure® S2000 μέσω σύνδεσης RS232 και η ένταση εξόδου μπορεί να ελεγχθεί με την εκτέλεση μιας τυπικής προκαθορισμένης ακολουθίας στο λογισμικό1. Για τις δοκιμές σκλήρυνσης χρησιμοποιήθηκε ένταση UV 0,5 W/cm2.
- Όλες οι ρεολογικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στους 25°C και η απόσταση μεταξύ της γυάλινης πλάκας και του άκρου του φωτοδηγού παρέμεινε η ίδια.
- Στο δείγμα ελεγχόταν μια σταθερή κανονική δύναμη 0 N, ώστε να επιτρέπεται η ελεύθερη μετακίνηση κατά μήκος του κατακόρυφου άξονα λόγω της συρρίκνωσης εντός του δείγματος καθώς προχωρά η διασύνδεση.
- Το OmniCure® S2000 ελεγχόταν μέσω του λογισμικού rSpace, έτσι ώστε οι ρεολογικές παράμετροι ενδιαφέροντος να μπορούν να καταγράφονται μαζί με τα προφίλ έντασης UV.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται ποιοτική σύγκριση της κινητικής διασύνδεσης δύο διαφορετικών τυπικών συγκολλητικών ουσιών UV που χρησιμοποιούνται σε οπτικές εφαρμογές. Λόγω της ταχύτητας της αντίδρασης της υπεριώδους ακτινοβολίας, το σύνθετο μέτρο διάτμησης (G*) αυξάνεται γρήγορα μετά το άνοιγμα του κλείστρου υπεριώδους ακτινοβολίας. Παρόλο που το σύνθετο μέτρο διάτμησης των προ-σκληρυμένων συγκολλητικών είναι παρόμοιο, ο ρυθμός διασύνδεσης διαφέρει σημαντικά. Η κόλλα - Β παρουσιάζει χαμηλότερο μέτρο ελαστικότητας στην περιοχή του πλατώ από την κόλλα - Α, υποδεικνύοντας ότι η πυκνότητα διασταύρωσης και η αντίστοιχη ακαμψία που επιτυγχάνεται στο τέλος της σκλήρυνσης με καθορισμένο επίπεδο ακτινοβολίας 0,5 W/cm2 είναι χαμηλότερη από ό,τι για την κόλλα - Α.
Για πολλές κόλλες υπεριώδους ακτινοβολίας, η συρρίκνωση λόγω διασύνδεσης είναι μία από τις βασικές παραμέτρους, η οποία καθορίζει την αποδοχή της απόδοσης για τις εφαρμογές τελικής χρήσης. Το Σχήμα 4 παρουσιάζει δεδομένα συρρίκνωσης για το συγκολλητικό Α που μετρήθηκαν υπό σταθερή κανονική δύναμη. Το λογισμικό rSpace έχει σχεδιαστεί για να χειρίζεται αυτή τη συρρίκνωση, επιτρέποντας στο χρήστη να επιλέξει τον έλεγχο του διακένου σε λειτουργία αυτόματης τάσης σε μια προκαθορισμένηselectκανονική δύναμη. Η λειτουργία ρύθμισης του διακένου χρησιμοποιήθηκε για τη φόρτιση του δείγματος- ωστόσο, κατά τη διάρκεια της δοκιμής σκλήρυνσης εφαρμόστηκε μηδενική κανονική δύναμη, επιτρέποντας την ελεύθερη κίνηση της πλάκας καθώς το δείγμα συστέλλεται. Με βάση τα αποτελέσματα στο Σχήμα 4, η κόλλα - Α παρουσιάζει συρρίκνωση 8% προς το τέλος της ωρίμανσης.
Συμπέρασμα
Αυτό το σημείωμα εφαρμογής δείχνει πώς μπορεί να γίνει επιτόπου χαρακτηρισμός των ρεολογικών ιδιοτήτων των υλικών που σκληραίνονται με υπεριώδη ακτινοβολία σε ένα ρευματογράφο περιστροφής Kinexus με εξάρτημα σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία. Από τις μετρήσεις αυτές μπορεί να παρακολουθηθεί ο ρυθμός διασύνδεσης και η συρρίκνωση μετά τη σκλήρυνση.