Analisis Kinetik Pengawetan Fotopolimer di Bawah Intensitas Sinar UV yang Bervariasi Menggunakan Kinetics Neo dan DEA, Bagian 1

Pendahuluan

Fotopolimer adalah bahan peka cahaya yang berpolimerisasi setelah terpapar cahaya, mengubah monomer atau oligomer cair menjadi jaringan fungsional yang padat. Proses Pengawetan (Reaksi Pengikatan Silang)Secara harfiah diterjemahkan, istilah "crosslinking" berarti "jaringan silang". Dalam konteks kimia, istilah ini digunakan untuk reaksi di mana molekul dihubungkan bersama dengan memperkenalkan ikatan kovalen dan membentuk jaringan tiga dimensi. pengawetan yang cepat dan terkendali membuatnya cocok untuk aplikasi seperti tinta, pelapis, perekat, dan pencetakan 3D.

Proses manufaktur aditif (AM) generasi berikutnya, termasuk litografi multiphoton dan pengaliran fusi (FJ), mengeksploitasi bahan-bahan ini untuk menghasilkan resolusi tinggi, geometri kompleks, dan bagian multi-material [1]. Dalam proses ini, perilaku Pengawetan (Reaksi Pengikatan Silang)Secara harfiah diterjemahkan, istilah "crosslinking" berarti "jaringan silang". Dalam konteks kimia, istilah ini digunakan untuk reaksi di mana molekul dihubungkan bersama dengan memperkenalkan ikatan kovalen dan membentuk jaringan tiga dimensi. pengawetan fotopolimer akrilat sangat dipengaruhi oleh intensitas sinar UV dan suhu, yang secara signifikan memengaruhi laju Pengawetan (Reaksi Pengikatan Silang)Secara harfiah diterjemahkan, istilah "crosslinking" berarti "jaringan silang". Dalam konteks kimia, istilah ini digunakan untuk reaksi di mana molekul dihubungkan bersama dengan memperkenalkan ikatan kovalen dan membentuk jaringan tiga dimensi. pengawetan dan sifat material akhir. Dalam proses AM, Pengawetan (Reaksi Pengikatan Silang)Secara harfiah diterjemahkan, istilah "crosslinking" berarti "jaringan silang". Dalam konteks kimia, istilah ini digunakan untuk reaksi di mana molekul dihubungkan bersama dengan memperkenalkan ikatan kovalen dan membentuk jaringan tiga dimensi. pengawetan material dilakukan lapis demi lapis dengan ketebalan lapisan tipikal sekitar 50 hingga 100 μm [2,3].

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menyelidiki kinetika curing diakrilat fotopolimer di bawah kondisi IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal yang berbeda dan intensitas sinar UV menggunakan analisis dielektrik (DEA), dan Kinetics Neo perangkat lunak [7] untuk analisis kinetik, prediksi, dan optimasi proses.

Kondisi Pengukuran

Pengukuran DEA dilakukan dengan menggunakan DEA 288 Ionic (gambar 1) di bawah kondisi pengukuran yang tercantum dalam tabel 1. Kurva DEA yang diperoleh adalah dasar untuk analisis kinetik.

Beberapa sensor memungkinkan pengukuran suhu yang tepat, memastikan kinerja dan kualitas yang optimal.

Tabel 1: Kondisi pengukuran

Hasil Pengukuran dan Pembahasan

Gambar 2 menunjukkan kurva data eksperimental tipikal pada suhu 150°C di bawah pencahayaan sinar UV dengan intensitas 75 ^mW/cm2. Garis dasar horizontal ditetapkan ke titik data di kursor kiri tempat lampu dinyalakan. Penurunan awal viskositas ion, yang disebabkan oleh ketergantungan suhu Viskositas IonViskositas ion adalah nilai kebalikan dari konduktivitas ion, yang dihitung dari faktor kehilangan dielektrik.viskositas ion selama pemanasan, dihilangkan dengan koreksi garis dasar ini. Waktu t = 0 ditempatkan di sini pada titik di mana lampu dinyalakan. Proses Pengawetan (Reaksi Pengikatan Silang)Secara harfiah diterjemahkan, istilah "crosslinking" berarti "jaringan silang". Dalam konteks kimia, istilah ini digunakan untuk reaksi di mana molekul dihubungkan bersama dengan memperkenalkan ikatan kovalen dan membentuk jaringan tiga dimensi. pengawetan menyebabkan peningkatan Viskositas IonViskositas ion adalah nilai kebalikan dari konduktivitas ion, yang dihitung dari faktor kehilangan dielektrik.viskositas ion yang terlihat setelah memulai penyinaran sinar UV.

Gambar 3 menyajikan data pengukuran eksperimental yang ditetapkan pada intensitas UV yang sama yaitu 75 ^mW/cm2, tetapi pada suhu yang berbeda. Viskositas ion bergantung pada suhu, dan inilah alasan mengapa nilai eksperimental akhir yang berbeda pada suhu yang berbeda. Untuk intensitas UV 75 mW/cm2, pengawetan tidak sepenuhnya selesai setelah 8 menit pada suhu IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal 30°C, 90°C, dan 150°C, karena Viskositas IonViskositas ion adalah nilai kebalikan dari konduktivitas ion, yang dihitung dari faktor kehilangan dielektrik.viskositas ion terus menunjukkan sedikit peningkatan.

Pengukuran pada suhu terendah 30°C menunjukkan peningkatan yang lebih lambat pada kurva Viskositas IonViskositas ion adalah nilai kebalikan dari konduktivitas ion, yang dihitung dari faktor kehilangan dielektrik.viskositas ion dibandingkan pada suhu 90°C karena laju pengawetan menurun seiring dengan penurunan suhu. Reaksi pada suhu 150°C sedikit lebih lambat daripada suhu 90°C karena pada suhu tinggi, langkah penghentian polimerisasi radikal menjadi lebih cepat daripada langkah polimerisasi. Tujuan kami adalah membuat model kinetik yang bergantung pada suhu dan intensitas sinar UV.

Gambar 4 menyajikan serangkaian pengukuran DEA pada suhu yang sama yaitu 30°C untuk intensitas UV 75, 150, dan 300 ^mW/cm2. Viskositas ion meningkat dari Viskositas IonViskositas ion adalah nilai kebalikan dari konduktivitas ion, yang dihitung dari faktor kehilangan dielektrik.viskositas ion minimum, yang mengindikasikan permulaan pengawetan. Untuk semua kurva eksperimental, viskositas ion terus menunjukkan sedikit peningkatan setelah empat menit. Angka ini menunjukkan pengawetan tercepat pada intensitas tertinggi dari sinar UV 300 ^mW/cm2, intensitas paling lambat dari sinar UV 75 ^mW/cm2 sesuai dengan tingkat pengawetan paling lambat.

Analisis Kinetik

Kinetics Neo digunakan untuk membuat model terpadu untuk suhu dan intensitas sinar UV yang berbeda.

Derajat Konversi

Derajat konversi, α, dihitung oleh perangkat lunak Kinetics Neo dari pengukuran DEA, di mana α berkisar antara 0 hingga 1. Dalam analisis termal untuk pengukuran IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal, konversi secara operasional didefinisikan sebagai efek termoanalitik yang diamati pada waktu, t, dibagi dengan efek termoanalitik total. Untuk DEA, definisi konversi termoanalitik adalah sebagai berikut:

_ν0 adalah viskositas ion awal pada saat sinar UV dinyalakan
_νfinal adalah viskositas ion akhir untuk bahan yang diawetkan
ν(t) adalah viskositas ion saat ini pada saat t

Laju reaksi tergantung pada suhu, T, intensitas UV, I, dan jenis reaksi, f(α):

Gabungan orde ^ke-n dan model reaksi autokatalitik

di mana faktor bobot, _Kcat mewakili pre-eksponen reaksi autokatalitik, dan n serta m masing-masing merupakan orde reaksi dari reaksi orde ^ke-n dan reaksi autokatalitik [6].

Pengaruh Intensitas UV terhadap Laju Reaksi

Pengaruh intensitas UV pada kinetika reaksi dievaluasi dengan menggunakan ketergantungan hukum pangkat dua dari konstanta laju pada intensitas cahaya [4,5]. Konstanta laju, k, dapat dinyatakan sebagai (persamaan 4):

di mana _k0(T) adalah konstanta kinetik yang bergantung pada suhu, _I/I0 adalah intensitas UV relatif di mana intensitas relatif 1 dalam hal ini setara dengan _I0 =75 ^mW/cm2, dan _nUV adalah parameter yang sesuai yang mencerminkan sensitivitas laju reaksi terhadap intensitas UV.

Gambar 5 mengilustrasikan efek suhu dan intensitas UV pada perilaku pengawetan diakrilat fotopolimer, yang diukur dengan DEA (analisis dielektrik). Model kinetik umum dibuat dengan menggunakan Kinetics Neo perangkat lunak. Simbol belah ketupat mewakili data eksperimental, dan garis padat sesuai dengan kurva yang dipasang. Pada gambar, UV = 1 setara dengan 75 mW/cm². Parameter kinetika dirinci dalam tabel 2.

Tabel 2: Parameter kinetik akrilat fotopolimer berdasarkan pengukuran DEA

Cnm Reaksi orde ^ke-n dengan autokatalisis daya-m

Model kinetik sekarang dapat diterapkan untuk memprediksi hasil sebagai fungsi waktu, suhu, dan intensitas relatif.

Gambar 6 (a) dan 6 (b) menyajikan prediksi tingkat konversi fotopolimer diakrilat dalam kondisi IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal (20 hingga 120°C) pada intensitas cahaya 20 mW/cm² dan 100 mW/cm².

Pada intensitas UV 100 mW/cm², tingkat konversi akhir setelah 5 menit berkisar antara 0,98 hingga 0,99. Sebaliknya, pada intensitas UV 20 mW/cm², konversi akhir setelah 5 menit menurun, mencapai nilai antara 0,88 dan 0,96.

Prediksi Multi-Langkah (Urutan Segmen Dinamis dan IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.Isotermal)

Gambar 7 menunjukkan prediksi langkah tingkat konversi untuk fotopolimer diakrilat pada intensitas 20 mW/cm² di bawah kondisi multi-langkah (segmen dinamis dan isotermal). Dengan menggunakan program suhu ini, yang diuraikan dalam tabel 3, proses dapat dioptimalkan untuk mencapai tingkat konversi yang diinginkan secara lebih efisien.

Tabel 3: Prediksi multi-langkah

Kesimpulan

Analisis Dielektrik (DEA) adalah alat yang efektif untuk memantau fotopolimer UV. Alat ini dapat digunakan tidak hanya di laboratorium tetapi juga secara langsung di lini produksi. Ketika dikombinasikan dengan Kinetics Neo perangkat lunak, pengukuran DEA telah terbukti secara efektif menentukan parameter kinetik yang merupakan fungsi dari suhu dan intensitas UV. Perangkat lunak Termica Neo menambahkan nilai yang signifikan dengan mensimulasikan perilaku termal lapisan fotopolimer, memprediksi evolusi suhu, mengidentifikasi titik panas potensial, dan memungkinkan pengoptimalan ketebalan lapisan dan kondisi pengawetan.

Manfaat Analisis Kinetik dan Simulasi Termal

Pengawetan dan Kontrol Kualitas yang Dioptimalkan: Memprediksi dan mencapai tingkat pengawetan yang diinginkan, memastikan sifat material yang konsisten dan mengurangi cacat pada produk yang dicetak atau dilapisi 3D.

Pengembangan dan Efisiensi Proses yang Lebih Cepat: Gunakan model kinetik dan simulasi untuk mempersingkat eksperimen coba-coba, mempercepat R&D dan pengaturan produksi untuk formulasi fotopolimer baru atau proses AM.