Introduzione
I fotopolimeri sono materiali sensibili alla luce che polimerizzano con l'esposizione alla luce, trasformando monomeri o oligomeri liquidi in reti solide e funzionali. Nei processi di fabbricazione additiva (AM), tra cui la litografia multifotone e il fusion jetting (FJ) [1], il comportamento di Polimerizzazione (reazioni di reticolazione)Tradotto letteralmente, il termine "crosslinking" significa "reticolo incrociato". Nel contesto chimico, viene utilizzato per le reazioni in cui le molecole vengono collegate tra loro introducendo legami covalenti e formando reti tridimensionali. polimerizzazione dei fotopolimeri acrilati è fortemente influenzato dall'intensità della luce UV e dalla temperatura. Nell'AM, la Polimerizzazione (reazioni di reticolazione)Tradotto letteralmente, il termine "crosslinking" significa "reticolo incrociato". Nel contesto chimico, viene utilizzato per le reazioni in cui le molecole vengono collegate tra loro introducendo legami covalenti e formando reti tridimensionali. polimerizzazione del materiale avviene strato per strato con spessori tipici intorno ai 50-100 μm [2,3], dove il materiale subisce un autoriscaldamento dovuto alla reazione di Polimerizzazione (reazioni di reticolazione)Tradotto letteralmente, il termine "crosslinking" significa "reticolo incrociato". Nel contesto chimico, viene utilizzato per le reazioni in cui le molecole vengono collegate tra loro introducendo legami covalenti e formando reti tridimensionali. polimerizzazione esotermica.
Lo scopo di questo studio è quello di indagare il comportamento termico degli strati di fotopolimero diacrilato in condizioni isotermiche e con intensità di luce UV diverse, utilizzando l'analisi dielettrica NETZSCH per il monitoraggio sperimentale, insieme all'analisi di temperatura e di temperatura di [5] e Termica Neo [6] Kinetics Neo [5] e Termica Neo [6] per l'analisi cinetica, la simulazione termica e l'identificazione dei punti caldi.
Condizioni di misura
Le misure DEA sono state eseguite utilizzando la strumentazione NETZSCH DEA nelle condizioni di misura elencate nella tabella 1. Le curve DEA ottenute sono la base per l'analisi cinetica. Le curve DEA ottenute sono la base per l'analisi cinetica.
La Figura 1 mostra il nostro strumento per l'analisi dielettrica (DEA), che consente di misurare in situ il comportamento di Polimerizzazione (reazioni di reticolazione)Tradotto letteralmente, il termine "crosslinking" significa "reticolo incrociato". Nel contesto chimico, viene utilizzato per le reazioni in cui le molecole vengono collegate tra loro introducendo legami covalenti e formando reti tridimensionali. polimerizzazione di vari materiali reattivi. I sensori multipli consentono di misurare con precisione la temperatura e la viscosità ionica, garantendo prestazioni e qualità ottimali.
Tabella 1: Condizioni di misura
| Strumento | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| Materiale | Fotopolimeri diacrilati (Studio UV DLP) |
| Temperatura isotermica/°C | 30, 90 e 150 |
Intensità UV a 30°C/mW/cm² | 36, 75, 150 e 300 |
| Tempo di irradiazione/min | 10 |
| Sensore | Sensore IDEX |
| Frequenza/Hz | 10 |
Analisi cinetica
Kinetics Neo per creare un modello unificato per diverse temperature e intensità di luce UV con un'intensità I0 = 75 mW/cm². Informazioni dettagliate sulla modellazione cinetica della Polimerizzazione (reazioni di reticolazione)Tradotto letteralmente, il termine "crosslinking" significa "reticolo incrociato". Nel contesto chimico, viene utilizzato per le reazioni in cui le molecole vengono collegate tra loro introducendo legami covalenti e formando reti tridimensionali. polimerizzazione in presenza di diverse intensità UV sono disponibili nella Parte 1[4].
La Figura 2 illustra gli effetti della temperatura e dell'intensità UV sul comportamento di polimerizzazione dei diacrilati fotopolimerici, misurati mediante DEA (analisi dielettrica). Con il software è stato creato un modello cinetico comune Kinetics Neo software. I simboli a rombo rappresentano i dati sperimentali e le linee solide corrispondono alle curve adattate. La Tabella 2 riporta i parametri cinetici basati sulle misurazioni DEA.
Tabella 2: Parametri cinetici degli acrilati fotopolimerici basati sulle misurazioni DEA
| Fase di reazione | A → B |
|---|---|
| Tipo di reazione | Cnm |
| Energia di attivazione [kJ/mol} | 5.174 |
| Log (fattore pre-esponenziale) [Log (1/s)] | -1.793 |
| Ordine di reazione | 1.724 |
| Log (fattore pre-esponenziale Autocat [Log(1/s)]) | 1.629 |
| AutcatPower mf | 1.136 |
| luce nUV | 0.619 |
| I0 [mW/cm²] | 75 |
| Coefficiente di determinazione (R²) | 0.996 |
Cnm: Reazione di ordine n-esimo con autocatalisi a potenza m
Software Termica Neo: Simulazione
Il processo di polimerizzazione esotermica induce un autoriscaldamento all'interno del materiale, con conseguente formazione di gradienti di temperatura interni. In questo lavoro, simuliamo il comportamento di polimerizzazione termica di strati di fotopolimero diacrilato modellati come una geometria a lastra infinita, con spessori di 100 μm e 300 μm, e con un'entalpia di 301 J/g dalle nostre misure DSC. Nella simulazione dei processi AM, lo strato reattivo è posto sopra un blocco di polimero spesso 10 cm con una temperatura controllata di 25°C al di sotto di questo blocco. Le temperature circostanti alla superficie superiore di questo strato reattivo sono 90°C e 150°C sotto l'esposizione ai raggi UV con un'intensità data di 75 mW/cm2. La simulazione mostra come la temperatura cambia nel tempo negli strati durante il processo di polimerizzazione.
Le figure 3 (a) e 3 (b) presentano la simulazione dell'evoluzione della temperatura nell'arco di tre minuti durante il processo di polimerizzazione per gli strati da 100 e 300 μm. Entrambi gli strati raggiungono il picco di temperatura all'incirca nello stesso momento (0,7 minuti): 90.4°C per lo strato da 100μm e 92,4°C per lo strato da 300μm per x=100%, che corrisponde all'intero spessore di riferimento dello strato superficiale superiore. La temperatura più elevata nello strato più spesso indica una ridotta dissipazione del calore. Negli strati spessi, la reazione esotermica rilascia internamente una maggiore quantità di entalpia accumulata, portando all'autoriscaldamento e a una temperatura più elevata rispetto agli strati sottili.
(a) e 300 μm
(b) alla stessa temperatura di 90°C e un'intensità di 75 mW/cm².
Le figure 4 (a) e 4 (b) mostrano i profili di temperatura simulati durante un ciclo di polimerizzazione di tre minuti per uno strato di 100 μm in condizioni isotermiche diverse, a 50°C e 150°C. Per entrambi gli strati, la temperatura di picco è aumentata di circa 0,35°C per uno strato di 100μm. Alle diverse condizioni isotermiche di 50°C e 150°C, la differenza principale riguarda il tempo per raggiungere il picco di temperatura per x=100%, che corrisponde all'intero spessore di riferimento dello strato superficiale superiore: a 150°C si è verificato più rapidamente, in 0,6 minuti, mentre a 50°C ha richiesto 1,1 minuti.
(a) e 150°C
(b) per lo stesso spessore dello strato di 100 μm e un'intensità di 75 mW/cm².
La Figura 5 (a) mostra la simulazione dell'evoluzione della temperatura nell'arco di tre minuti durante il processo di polimerizzazione di uno strato di 300 μm a 150°C. Il picco di temperatura è aumentato di circa 2,6°C per questo strato per x=100%, che corrisponde alla sua superficie superiore.
La Figura 5 (b) presenta un grafico 3D della superficie che illustra la temperatura in funzione della profondità dello strato e del tempo. La Figura 5 (c) illustra una mappa di calore 3D che mostra la variazione spaziale della temperatura attraverso lo strato nel tempo. Queste visualizzazioni consentono una rapida identificazione dei punti caldi termici.
(a) Profili di temperatura nello strato per diverse posizioni verticali durante la polimerizzazione
(b) Rappresentazione in superficie 3D dell'evoluzione della temperatura nello strato in funzione delle coordinate e del tempo
(c) Mappa termica 3D dell'evoluzione della temperatura nello strato.
Conclusione
L'analisi dielettrica (DEA) è uno strumento efficace per il monitoraggio dei fotopolimeri UV. Può essere utilizzata non solo in laboratorio, ma anche direttamente sulla linea di produzione. In combinazione con il software Kinetics Neo software, le misurazioni DEA hanno dimostrato di poter determinare efficacemente i parametri cinetici che sono funzione sia della temperatura che dell'intensità UV. Il software Termica Neo aggiunge un valore significativo simulando il comportamento termico degli strati di fotopolimero, prevedendo l'evoluzione della temperatura, identificando i potenziali punti caldi e consentendo di ottimizzare lo spessore dello strato e le condizioni di polimerizzazione.
Vantaggi della simulazione termica
Sicurezza termica e affidabilità: Simulazione dell'evoluzione della temperatura in diversi spessori di strato per evitare il surriscaldamento o una polimerizzazione non uniforme.
Identificazione dei punti caldi: Individuare i punti caldi utilizzando profili di temperatura 3D e mappe di calore.
Efficienza dei tempi e dei costi: Ridurre gli esperimenti per tentativi ed errori e minimizzare gli sprechi di materiale.
Nota applicativa: Parte 1
Per saperne di più su: Analisi cinetica della polimerizzazione dei fotopolimeri in presenza di intensità variabili di luce UV con l'uso di Kinetics Neo e DEA in Parte 1