Bevezetés
Az Európai Diszperziós Technológiák Központja (EZD) által kifejlesztett gyantarendszert aprólékosan megtervezték a legkülönbözőbb alkalmazásokban való felhasználásra, beleértve a festékeket, bevonatokat és az additív gyártást. Teljesítményének központi eleme a keményedési viselkedés megértése, amelyet a tárolási modulus kinetikai vizsgálatain keresztül elemeztek. Az UV-keményedés, amely kovalens kötéseket létrehozó és háromdimenziós hálózatokat alkotó térhálósodási reakciókkal jár, e gyanta kulcsfontosságú jellemzője. A tárolási modulus, amely az anyag keményedés alatti merevségének mérőszáma, kritikus betekintést nyújt a keményedés kinetikájába, és segít megjósolni a gyanta viselkedését különböző körülmények között. Az UV-keményítés és a termikus utókeményítés kombinálásával a gyantarendszer olyan optimális anyagtulajdonságokat ér el, mint a keménység, a rugalmasság és a kémiai ellenállás. Ez a megközelítés nem csak gyors és hatékony keményedést biztosít, hanem növeli a teljesítményt az olyan iparágak alkalmazásaiban, mint a nyomtatás, a fafeldolgozás, az autóipar, az elektronika, az orvostechnológia, az optika, a repülőgépipar és az élelmiszercsomagolás. A tárolási modulus kinetikai elemzése lehetővé teszi a gyanta keményedési viselkedésének pontos előrejelzését.
Mérési feltételek
A mintákat az SKZKFE gGmbH-nál 3D-nyomtatással állították elő, és a NETZSCH DMA 303 Eplexor® készülékkel elemezték (1. ábra). A legfontosabb mérési paramétereket az 1. táblázat foglalja össze.
Táblázat: A DMA 303 mérési feltételei Eplexor® mérés
| Mintatartó | 3 ponton hajlítás, 30 mm-es hajlékony tartókkal |
|---|---|
| A minta vastagsága | Kb. 2 mm |
| A minta szélessége | Kb. 10 mm |
| Maximális dinamikus erő | 10 N |
| Dinamikus amplitúdó | 50 μm |
| Frekvencia | 1 Hz |
| Fűtési sebesség | 5 K/min |
| Célhőmérséklet | 180 °C, 200 °C, 210 °C és 220 °C |
| IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.Izotermikus szegmens | 5 óra, mindegyik célhőmérsékleten |
Mérési eredmények és megbeszélés
Az új gyantarendszer ideális kikeményedési hőmérsékletének meghatározásához a mintákat 5 K/perc sebességgel szobahőmérsékletről 180°C, 200°C, 210°C és 220°C célhőmérsékletre melegítettük, majd a hőmérséklet elérését követően 5 órán át izotermikusan tartottuk, hogy elemezzük a tárolási modulus esetleges növekedését a tartási idő alatt; lásd a 2. ábrát.
Látható, hogy a keményítési hőmérséklet növelésével (IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus szakaszok) magasabb modulusértékek érhetők el, és hogy a növekedés magasabb hőmérsékleten gyorsabban is végbemegy. Csak 220°C-on (kék görbe) jelentkezik negatív hatás. A modulusérték kezdeti növekedése után a teljes mérési idő kb. 80 perce után csökkenni kezd, ami az anyag ridegségét jelzi. Így feltételezhető, hogy 220°C-on már bekövetkezik az anyag károsodása.
A 300 perc után elérhető modulusértékek a hőmérséklettel való jelentős növekedést mutatják. Ez a különbség azonban nem olyan jelentős 200°C (piros görbe) és 210°C (zöld görbe) között.
A kikeményedés utáni reakció kinetikai elemzése
A Kinetics Neo szoftver lehetővé teszi a kémiai reakció kinetikai paramétereinek meghatározását. Lehetővé teszi továbbá a tárolási modulus előrejelzését a mechanikai tulajdonságokból dinamikus mechanikai analízis (DMA) segítségével. A kinetikai elemzéshez szükséges méréseket különböző IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus hőmérsékleteken végezzük, és a 2. ábra mutatja.
E mérések segítségével a Kinetics Neo képes meghatározni a keményedési reakciót leíró lépések számát. A szoftver minden egyes lépéshez kiszámítja a kinetikai paramétereket is, azaz a reakció típusát, az aktiválási energiát és a reakció sorrendjét.
A 3. ábra a különböző IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus hőmérsékleteken végzett méréseket mutatja be az alapvonal eltávolítása után. A vízszintes alapvonalat a legkisebb E' értékű ponttól kezdve használjuk. Mivel a mechanikai mérések már egylépéses reakcióra utalnak, a kinetikai elemzéshez egy Cn, n-edik rendű autokatalízis modelljét választottuk.
A 3. ábrán a mért görbék szimbólumként, a modell illesztése pedig folytonos vonalként látható.
A modell illeszkedését a kísérletben használt hőmérsékletre a Kinetics Neo szoftver számítja ki. A 2. táblázat a számításhoz használt optimális kinetikai paramétereket mutatja be. A mért és a számított görbék közötti eltérés a minta előkészítésében mutatkozó különbségeket mutatja. A magas R2 = 0,995 meghatározási együttható azonban erős egyezést jelez a modell és a kísérleti adatok között.
2. táblázat: Kinetikai paraméterek, kiszámítva Kinetics Neo
| 1. lépés (egységek) | |
| Aktiválási energia | 50.319 (kJ/mol) |
| Log(PreExp) | 2.591 log (s-1) |
| ReactOrder n | 2.591 |
| Log (AutocatPreexp) | 0.01 log (s-1) |
| Hozzájárulás | 1 |
A gyógyítás szimulációja a felhasználó-specifikus feltételekhez
A meghatározott kinetikai paraméterek alapján a Kinetics Neo képes kiszámítani a minta viselkedését bármilyen idő/hőmérséklet viszonylatban, közel a kísérleti hőmérséklethez.
Példaként a 4. és 5. ábra a gyanta keményedési fokát mutatja be különböző IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus hőmérsékleteken 180°C és 215°C között 5 órán, illetve 10 órán keresztül. Ahogyan az várható volt, a magasabb hőmérsékleten a keményedés gyorsabban megy végbe.
A teljes kikeményedéshez hosszabb időre van szükség. Például 5 óra elteltével a keményedés mértéke eléri a 0,940-et, 16 óra elteltével pedig a 0,972-t. A teljes kikeményedés a hőmérséklettől függően több órát vagy napot is igénybe vehet.
Következtetés
Az UV-keményített gyantarendszer mechanikai tulajdonságait a termikus keményítés után dinamikus mechanikai analízissel (DMA) értékelték. Az IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus méréseket különböző hőmérsékleteken végeztük: 180°C, 200°C, 210°C és 220°C. Az adatokat a Kinetics Neo szoftver segítségével elemeztük, és kinetikai modellt dolgoztunk ki a keményedés mértékének előrejelzésére. Ez a modell nemcsak a mért hőmérsékletekre és időtartamokra alkalmazható, hanem olyan körülményekre is, amelyeket kísérletileg nem vizsgáltak. Ennek eredményeképpen lehetővé teszi azon paraméterek azonosítását, amelyek az optimalizálási céltól függően a legrövidebb idő alatt vagy a legalacsonyabb hőmérsékleten érnek el egy adott keményedési fokot. Ez a megközelítés csökkenti a szükséges fizikai tesztek számát, így időt és költséget takarít meg, miközben a felhasználók számára felgyorsítja a teljes folyamatot.
Kinetikai elemzés Előnyök
Alacsonyabb kísérleti költségek
Kinetics Neo a szoftver a szükséges vizsgálatok számának optimalizálásával csökkenti a számos és költséges fizikai kísérlet szükségességét. Ez lehetővé teszi az ügyfelek számára, hogy időt és pénzt takarítsanak meg, miközben felgyorsítják a teljes folyamatot.
A keményítési ciklusok optimalizálása
A szoftver segít a Identify oldalon az optimális utó-keményítési hőmérséklet és idő meghatározásában a legjobb anyagátalakítás elérése érdekében. Ez biztosítja a gyártás hatékonyságát, megelőzve az olyan problémákat, mint a túl- vagy alul-utóérlelés.
Testreszabhatóság és rugalmasság
Az ügyfelek a keményítési folyamatot az egyedi alkalmazási követelményekhez igazíthatják, akár rugalmasabb, akár merevebb anyagokra van szükségük. Ez a rugalmasság biztosítja, hogy a végtermék tökéletesen megfeleljen az igényeiknek, csökkentve a további kísérletek szükségességét.