Introducción
El sistema de resinas desarrollado por el Centro Europeo de Tecnologías de Dispersión (EZD) se ha diseñado meticulosamente para su uso en diversas aplicaciones, como tintas, revestimientos y fabricación aditiva. Un aspecto central de su rendimiento es la comprensión de su comportamiento de curado, que se analiza mediante estudios cinéticos del módulo de almacenamiento. El curado UV, que implica reacciones de reticulación que crean enlaces covalentes y forman redes tridimensionales, es una característica clave de esta resina. El módulo de almacenamiento, una medida de la rigidez de un material durante el curado, proporciona información crítica sobre la cinética de curado y ayuda a predecir el comportamiento de la resina en diferentes condiciones. Combinando el curado UV con el postcurado térmico, el sistema de resina consigue unas propiedades óptimas del material, como dureza, elasticidad y resistencia química. Este enfoque no sólo garantiza un curado rápido y eficaz, sino que también mejora el rendimiento en aplicaciones de sectores como la impresión, el tratamiento de la madera, la automoción, la electrónica, la tecnología médica, la óptica, la industria aeroespacial y el envasado de alimentos. El análisis cinético del módulo de almacenamiento permite predecir con precisión el comportamiento de curado de la resina.
Condiciones de medición
Las muestras se fabricaron mediante impresión 3D en SKZKFE gGmbH y se analizaron con un NETZSCH DMA 303 Eplexor® (figura 1). Los parámetros de medición más importantes se resumen en la tabla 1.
Tabla 1: Condiciones de medición de la medición DMA 303 Eplexor®
| Soporte de la muestra | flexión en 3 puntos, soportes flexibles de 30 mm |
|---|---|
| Grosor de la muestra | Aprox. 2 mm |
| Anchura de la muestra | Aprox. 10 mm |
| Fuerza dinámica máxima | 10 N |
| Amplitud dinámica | 50 μm |
| Frecuencia | 1 Hz |
| Velocidad de calentamiento | 5 K/min |
| Temperatura objetivo | 180°C, 200°C., 210°C y 220°C |
| Segmento isotérmico | 5 h, cada uno a la temperatura objetivo |
Resultados de las mediciones y debate
Para determinar la temperatura de curado ideal para el nuevo sistema de resina, las muestras se calentaron a 5 K/min desde la temperatura ambiente hasta las temperaturas objetivo de 180°C, 200°C, 210°C y 220°C, respectivamente, y se mantuvieron isotérmicamente durante 5 h tras alcanzar la temperatura, con el fin de analizar el posible aumento del módulo de almacenamiento durante el tiempo de mantenimiento; véase la figura 2.
Puede observarse que con el aumento de la temperatura de curado (segmentos isotérmicos) pueden alcanzarse valores de módulo más elevados, y que el aumento también se produce más rápidamente a temperaturas más elevadas. Sólo a 220°C (curva azul) aparece un efecto negativo. Tras un aumento inicial del valor del módulo, éste comienza a disminuir después de aproximadamente 80 minutos del tiempo total de medición, lo que es un indicador de fragilización del material. Así pues, cabe suponer que a 220 °C ya se producen daños en el material.
Los valores del módulo alcanzables después de 300 minutos muestran un aumento considerable con la temperatura. Sin embargo, esta diferencia no es tan significativa entre 200°C (curva roja) y 210°C (curva verde).
Análisis cinético de la reacción de postcurado
El software Kinetics Neo permite determinar los parámetros cinéticos de una reacción química. También permite predecir el módulo de almacenamiento a partir de las propiedades mecánicas mediante el análisis mecánico dinámico (AMD). Las mediciones para el análisis cinético se realizan a diferentes temperaturas isotérmicas y se muestran en la figura 2.
Utilizando estas mediciones, Kinetics Neo es capaz de determinar el número de pasos que describen la reacción de curado. Para cada uno de esos pasos, el programa calcula también los parámetros cinéticos, es decir, el tipo de reacción, la energía de activación y el orden de reacción.
La figura 3 muestra las mediciones realizadas a diferentes temperaturas isotérmicas tras la eliminación de la línea de base. Se utiliza una línea de base horizontal que parte del punto con E' mínima. Dado que las mediciones mecánicas ya indican una reacción de un solo paso, se selecciona para el análisis cinético un modelo con autocatálisis de orden Cn, enésimo.
La figura 3 muestra las curvas medidas como símbolos y el ajuste del modelo como líneas continuas.
El ajuste del modelo se calcula para la temperatura utilizada en el experimento mediante el software Kinetics Neo. La Tabla 2 muestra los parámetros cinéticos óptimos utilizados para el cálculo. La desviación entre las curvas medidas y calculadas muestra las diferencias en la preparación de las muestras. Sin embargo, el elevado coeficiente de determinación R2 = 0,995 indica una fuerte concordancia entre el modelo y los datos experimentales.
Tabla 2: Parámetros cinéticos, calculados por Kinetics Neo
| Paso 1 (Unidades) | |
| Energía de activación | 50.319 (kJ/mol) |
| Log(PreExp) | 2.591 log (s-1) |
| ReactOrder n | 2.591 |
| Log (AutocatPreexp) | 0.01 log (s-1) |
| Contribución | 1 |
Simulación del curado para condiciones específicas del usuario
Basándose en los parámetros cinéticos determinados, Kinetics Neo es capaz de calcular el comportamiento de la muestra para cualquier condición de tiempo/temperatura, cercana a las temperaturas experimentales.
A modo de ejemplo, las figuras 4 y 5 representan el Grado de curadoThe degree of curing describes the conversion achieved during crosslinking reactions (curing). grado de curado de la resina a diferentes temperaturas isotérmicas de 180°C a 215°C durante 5 horas y 10 horas, respectivamente. Como era de esperar, el curado se produce más rápidamente a temperaturas más altas.
Se necesita un periodo más largo para garantizar un curado completo. Por ejemplo, al cabo de 5 horas, el grado de curado alcanza 0,940, y al cabo de 16 horas, 0,972. El curado completo puede tardar varias horas o días, dependiendo de la temperatura.
Conclusión
Las propiedades mecánicas de un sistema de resina de curado UV tras el curado térmico se evaluaron mediante Análisis Mecánico Dinámico (AMD). Se realizaron mediciones isotérmicas a diferentes temperaturas: 180°C, 200°C, 210°C y 220°C. Los datos se analizaron utilizando el software Kinetics Neo, y se desarrolló un modelo cinético para predecir el grado de curado. Este modelo puede aplicarse no sólo a las temperaturas y duraciones medidas, sino también a condiciones que no se probaron experimentalmente. Como resultado, permite identificar los parámetros que consiguen un grado específico de curado en el menor tiempo o a la menor temperatura, dependiendo del objetivo de optimización. Este enfoque reduce el número de pruebas físicas necesarias, ahorrando tiempo y costes, al tiempo que acelera el proceso global para los usuarios.
Ventajas del análisis cinético
Menores costes experimentales
Kinetics Neo el software reduce la necesidad de realizar numerosos y costosos ensayos físicos al optimizar el número de pruebas necesarias. Esto permite a los clientes ahorrar tiempo y dinero a la vez que aceleran su proceso global.
Optimización de los ciclos de curado
El software ayuda a Identify a determinar la temperatura y el tiempo óptimos de poscurado para lograr la mejor conversión del material. Esto garantiza la eficiencia de la producción, evitando problemas como el exceso o la falta de postcurado.
Personalización y flexibilidad
Los clientes pueden ajustar el proceso de curado para satisfacer requisitos de aplicación específicos, tanto si necesitan que los materiales sean más flexibles como más rígidos. Esta flexibilidad garantiza que el producto final se ajuste perfectamente a sus necesidades, reduciendo la necesidad de pruebas adicionales.