Εισαγωγή
Τα φωτοπολυμερή είναι φωτοευαίσθητα υλικά που πολυμερίζονται κατά την έκθεση στο φως, μετατρέποντας υγρά μονομερή ή ολιγομερή σε στερεά, λειτουργικά δίκτυα. Στις διεργασίες προσθετικής κατασκευής (AM), συμπεριλαμβανομένης της πολυφωτονικής λιθογραφίας και της σύντηξης με εκτόξευση (FJ) [1], η συμπεριφορά σκλήρυνσης των ακρυλικών φωτοπολυμερών επηρεάζεται έντονα τόσο από την ένταση του υπεριώδους φωτός όσο και από τη θερμοκρασία. Στην ΑΜ, η σκλήρυνση του υλικού γίνεται στρώμα προς στρώμα με τυπικά πάχη στρώματος γύρω στα 50 έως 100 μm [2,3], όπου το υλικό υφίσταται αυτοθέρμανση λόγω της εξώθερμης αντίδρασης σκλήρυνσης.
Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η διερεύνηση της θερμικής συμπεριφοράς των στρώσεων φωτοπολυμερούς διακρυλικού υπό ποικίλες ισοθερμικές συνθήκες και εντάσεις υπεριώδους φωτός, με τη χρήση της NETZSCH Διηλεκτρικής Ανάλυσης για πειραματική παρακολούθηση μαζί με την Kinetics Neo [5] και το λογισμικό Termica Neo [6] για κινητική ανάλυση, θερμική προσομοίωση και εντοπισμό θερμών σημείων.
Συνθήκες μέτρησης
Οι μετρήσεις DEA πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση οργάνων NETZSCH DEA υπό τις συνθήκες μέτρησης που παρατίθενται στον πίνακα 1. Οι καμπύλες DEA που ελήφθησαν αποτελούν τη βάση για την κινητική ανάλυση.
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται το όργανο διηλεκτρικής ανάλυσης (DEA), το οποίο επιτρέπει την επί τόπου μέτρηση της συμπεριφοράς σκλήρυνσης διαφόρων αντιδρώντων υλικών. Πολλαπλοί αισθητήρες επιτρέπουν την ακριβή μέτρηση της θερμοκρασίας και του ιξώδους των ιόντων, εξασφαλίζοντας τη βέλτιστη απόδοση και ποιότητα.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Όργανο | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| Υλικό | Φωτοπολυμερές διακρυλικές ενώσεις (UV DLP Firm) |
| Ισοθερμική θερμοκρασία/°C | 30, 90 και 150 |
Εντάσεις UV σε 30°C/mW/cm² | 36, 75, 150 και 300 |
| Χρόνος ακτινοβολίας/λεπτό | 10 |
| Αισθητήρας | Αισθητήρας IDEX |
| Συχνότητα/Hz | 10 |
Κινητική ανάλυση
Kinetics Neo χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός ενοποιημένου μοντέλου για διαφορετικές θερμοκρασίες και εντάσεις υπεριώδους φωτός με ένταση I0 = 75 mW/cm². Λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με την κινητική μοντελοποίηση της σκλήρυνσης υπό διαφορετικές εντάσεις υπεριώδους ακτινοβολίας μπορείτε να βρείτε στο μέρος 1[4].
Στο Σχήμα 2 απεικονίζονται οι επιδράσεις της θερμοκρασίας και της έντασης της υπεριώδους ακτινοβολίας στη συμπεριφορά σκλήρυνσης των φωτοπολυμερών διακρυλικών, που μετρήθηκαν με DEA (Διηλεκτρική ανάλυση). Δημιουργήθηκε ένα κοινό κινητικό μοντέλο χρησιμοποιώντας το Kinetics Neo λογισμικού. Τα σύμβολα ρόμβου αντιπροσωπεύουν τα πειραματικά δεδομένα και οι συμπαγείς γραμμές αντιστοιχούν στις προσαρμοσμένες καμπύλες. Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται λεπτομερώς οι παράμετροι κινητικής με βάση τις μετρήσεις DEA.
Πίνακας 2: Κινητικές παράμετροι των φωτοπολυμερών ακρυλικών με βάση τις μετρήσεις DEA
| Στάδιο αντίδρασης | A → B |
|---|---|
| Τύπος αντίδρασης | Cnm |
| Ενέργεια ενεργοποίησης [kJ/mol} | 5.174 |
| Log (προεκθετικός συντελεστής) [Log (1/s)] | -1.793 |
| Τάξη αντίδρασης | 1.724 |
| Log (προεκθετικός παράγοντας Autocat [Log(1/s)] | 1.629 |
| AutcatPower mf | 1.136 |
| nUV Light | 0.619 |
| I0 [mW/cm²] | 75 |
| Συντελεστής προσδιορισμού (R²) | 0.996 |
Cnm: Αντίδραση n-οστής τάξης με αυτοκατάλυση m-δύναμης
Λογισμικό Termica Neo: Neica Termica: Προσομοίωση
Η εξωθερμική διαδικασία σκλήρυνσης προκαλεί αυτοθέρμανση στο εσωτερικό του υλικού, με αποτέλεσμα τη δημιουργία εσωτερικών βαθμίδων θερμοκρασίας. Στην παρούσα εργασία, προσομοιώνουμε τη θερμική συμπεριφορά σκλήρυνσης στρώσεων φωτοπολυμερούς διακρυλικού που μοντελοποιούνται ως άπειρη γεωμετρία πλάκας, με πάχη 100 μm και 300 μm και με ενθαλπία 301 J/g από τις μετρήσεις μας DSC. Στην προσομοίωση των διεργασιών ΑΜ, το αντιδραστικό στρώμα τοποθετείται πάνω από ένα παχύ μπλοκ πολυμερούς 10 cm με ελεγχόμενη θερμοκρασία 25 °C κάτω από το μπλοκ αυτό. Οι περιβάλλουσες θερμοκρασίες στην άνω επιφάνεια αυτού του αντιδραστικού στρώματος είναι 90°C και 150°C υπό έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία με δεδομένη ένταση 75 mW/cm2. Η προσομοίωση δείχνει πώς μεταβάλλεται η θερμοκρασία με την πάροδο του χρόνου στα στρώματα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σκλήρυνσης.
Στα Σχήματα 3 (α) και 3 (β) παρουσιάζεται η προσομοίωση της εξέλιξης της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια τριών λεπτών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σκλήρυνσης για τα στρώματα 100-μm και 300-μm. Και τα δύο στρώματα φθάνουν στις μέγιστες θερμοκρασίες τους περίπου στον ίδιο χρόνο (0,7 λεπτά): 90.4°C για το στρώμα των 100-μm και 92,4°C για το στρώμα των 300-μm για x=100%, το οποίο αντιστοιχεί στο πλήρες πάχος αναφοράς στο ανώτερο επιφανειακό στρώμα. Η υψηλότερη θερμοκρασία στο παχύτερο στρώμα υποδηλώνει μειωμένη απαγωγή θερμότητας. Στα παχιά στρώματα, η εξώθερμη αντίδραση απελευθερώνει περισσότερη συσσωρευμένη ενθαλπία εσωτερικά, οδηγώντας σε αυτοθέρμανση και υψηλότερη θερμοκρασία σε σχέση με τα λεπτά στρώματα.
(α) και 300 μm
(β) στην ίδια θερμοκρασία 90°C και ένταση 75 mW/cm².
Στα Σχήματα 4 (α) και 4 (β) παρουσιάζονται τα προσομοιωμένα προφίλ θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια ενός τρίλεπτου κύκλου σκλήρυνσης για ένα στρώμα 100μm υπό διαφορετικές ισοθερμικές συνθήκες 50°C και 150°C. Και για τα δύο στρώματα, η μέγιστη θερμοκρασία αυξήθηκε κατά περίπου 0,35°C για ένα στρώμα 100-μm. Στις διαφορετικές ισοθερμικές συνθήκες των 50°C και των 150°C, η κύρια διαφορά ήταν στο χρόνο επίτευξης της μέγιστης θερμοκρασίας για x=100%, που αντιστοιχεί στο πλήρες πάχος αναφοράς στο ανώτερο επιφανειακό στρώμα: στους 150°C, αυτό συνέβη γρηγορότερα, σε 0,6 λεπτά, ενώ στους 50°C, χρειάστηκε 1,1 λεπτά.
(α) και 150°C
(β) για το ίδιο πάχος στρώματος 100 μm και ένταση 75 mW/cm².
Στο Σχήμα 5 (α) παρουσιάζεται η προσομοίωση της εξέλιξης της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια τριών λεπτών κατά τη διαδικασία σκλήρυνσης ενός στρώματος 300μm στους 150°C. Η μέγιστη θερμοκρασία αυξήθηκε κατά περίπου 2,6°C για αυτό το στρώμα για x=100%, που αντιστοιχεί στην άνω επιφάνειά του.
Στο Σχήμα 5 (β) παρουσιάζεται ένα τρισδιάστατο επιφανειακό διάγραμμα που απεικονίζει τη θερμοκρασία ως συνάρτηση τόσο του βάθους του στρώματος όσο και του χρόνου. Στο Σχήμα 5 (γ) απεικονίζεται ένας τρισδιάστατος χάρτης θερμότητας που δείχνει τη χωρική μεταβολή της θερμοκρασίας στο στρώμα με την πάροδο του χρόνου. Αυτές οι απεικονίσεις επιτρέπουν τον γρήγορο εντοπισμό θερμικών εστιών.
(α) Προφίλ θερμοκρασίας στο στρώμα για διαφορετικές κατακόρυφες θέσεις κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης
β) τρισδιάστατη επιφανειακή απεικόνιση της εξέλιξης της θερμοκρασίας στο στρώμα ως συνάρτηση των συντεταγμένων και του χρόνου
(γ) τρισδιάστατος χάρτης θερμότητας της εξέλιξης της θερμοκρασίας στο στρώμα.
Συμπέρασμα
Η διηλεκτρική ανάλυση (DEA) είναι ένα αποτελεσματικό εργαλείο για την παρακολούθηση των φωτοπολυμερών UV. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο στο εργαστήριο αλλά και απευθείας στη γραμμή παραγωγής. Όταν συνδυάζεται με το Kinetics Neo λογισμικό, οι μετρήσεις DEA έχουν αποδειχθεί ότι προσδιορίζουν αποτελεσματικά κινητικές παραμέτρους που είναι συνάρτηση τόσο της θερμοκρασίας όσο και της έντασης της υπεριώδους ακτινοβολίας. Το λογισμικό Termica Neo προσθέτει σημαντική αξία προσομοιώνοντας τη θερμική συμπεριφορά των στρώσεων φωτοπολυμερούς, προβλέποντας την εξέλιξη της θερμοκρασίας, εντοπίζοντας πιθανά σημεία θερμότητας και επιτρέποντας τη βελτιστοποίηση του πάχους της στρώσης και των συνθηκών σκλήρυνσης.
Οφέλη της θερμικής προσομοίωσης
Θερμική ασφάλεια και αξιοπιστία: Προσομοίωση της εξέλιξης της θερμοκρασίας σε διαφορετικά πάχη στρώματος για την αποφυγή υπερθέρμανσης ή ανομοιόμορφης σκλήρυνσης.
Αναγνώριση θερμών σημείων: Ανίχνευση θερμικών εστιών με τη χρήση τρισδιάστατων προφίλ θερμοκρασίας και θερμικών χαρτών.
Αποδοτικότητα χρόνου και κόστους: Μειώστε τα πειράματα δοκιμής και λάθους και ελαχιστοποιήστε τη σπατάλη υλικών.
Σημείωμα εφαρμογής: Μέρος 1
Μάθετε περισσότερα για: Κινητική ανάλυση της σκλήρυνσης φωτοπολυμερών υπό μεταβλητές εντάσεις υπεριώδους φωτός με χρήση Kinetics Neo και DEA στο Μέρος 1