はじめに
光重合体は通常、モノマー、オリゴマー、光重合開始剤から構成され、電磁スペクトルの紫外または可視領域の光を照射すると架橋して網目構造を形成する（図1参照）。光硬化は熱硬化に比べて比較的速いプロセスであるため、高エネルギーの光源を使用して選択的に硬化させることができ、回路基板の印刷やマイクロチップの製造に適している。フォトポリマーは、医療、3Dプリンティング、コーティング、接着剤、プロトレジスト技術に広く使用されている[1]。
光硬化中のフォトポリマーの粘弾性特性の変化を特徴付けるには、レオロジー測定が一般的に用いられている。複素弾性率（G*）の変化を測定することで、架橋速度を推定することができる。さらに、フォトポリマーはモノマー濃度によって硬化後の収縮が大きくなる傾向があります。レオメーターの法線力制御機能を使用すると、一定の力を加えたときのギャップの変化から、硬化中の垂直方向の収縮率を測定することができます。これにより、硬化後の収縮率を算出することができます。フォトポリマーの架橋速度論は、UV光の強度と照射時間に強く依存する傾向がある。また、光ビームの強度は照射面からの距離が離れるにつれて弱くなることも覚えておく必要がある。
実験的
- 2種類のUV硬化型接着剤の架橋速度と硬化後の収縮率を評価し、推奨プロセス条件下で比較した。
- 回転型レオメーターによる測定は、シリンダーカートリッジにUVアクセサリーを取り付けたKinexus回転型レオメーターを用いて行った。液状接着剤を石英ガラス板に分注し、紫外線を照射した(図2参照)。レオロジー測定には、使い捨ての平行平板測定システムを使用した。
- サンプルの厚さは0.65 mmで、1Hzで0.1%の制御ひずみの下、単一周波数の振動測定を実施した。
- いずれのサンプルも一貫して制御可能な負荷プロトコルに供されるように、標準負荷シーケンスが使用された。
- OmniCure® シリーズ2000 UV/可視スポットキュアユニットを、直径8 mmの 液体ライトガイドとともに使用し、サンプルにUV光を照射した。光源の波長は320nm～500nm。硬化ユニットはキャリブレーションモードで使用し、 R2000放射計を使用してUV出力強度をキャリブレーションした。OmniCure®OmniCure®
- rSpaceソフトウェアは、RS232接続を介してOmniCure® S2000キュアユニットと通信するように設定されており、ソフトウェアであらかじめ設定された標準シーケンスを実行することにより、出力強度を制御することができる1。硬化試験には0.5W/cm2の紫外線強度を使用した。
- レオロジー測定はすべて25℃で行い、ガラス板とライトガイドの端部間の距離は同じに保った。
- 架橋の進行に伴うサンプル内の収縮により、垂直軸に沿って自由に移動できるように、サンプルには一定の0 Nの法線力を制御した。
- OmniCure® S2000はrSpaceソフトウェアで制御されたため、UV強度プロファイルとともに、関心のあるレオロジーパラメータを記録することができた。
結果と考察
図3は、光学用途に使用される2つの異なる典型的なUV接着剤の架橋速度論の定性的比較を示している。UV反応の速度のため、UVシャッターが開いた後、複素せん断弾性率（G*）は急速に上昇する。硬化前の接着剤の複素弾性率は類似しているが、架橋速度は大きく異なる。接着剤-Bは、プラトー領域で接着剤-Aよりも低い弾性率を示し、これは、設定照射レベル0.5W/cm2で硬化終了時に達成可能な架橋密度と対応する剛性が、接着剤-Aよりも低いことを示している。
多くのUV接着剤では、架橋による収縮が重要なパラメータの1つであり、最終用途に受け入れられる性能を決定します。図4は、一定の法線力で測定した接着剤-Aの収縮データを示しています。rSpaceソフトウェアは、この収縮を処理するように設計されており、ユーザーはあらかじめ選択した法線力で自動引張りモードのギャップを制御することができます。ギャップ設定モードはサンプルに荷重をかけるために使用されましたが、硬化テスト中はゼロ法線力が適用され、サンプルの収縮に伴うプレートの自由な移動が可能になりました。図4の結果から、接着剤-Aは硬化終了時に8％の収縮を示した。
結論
このアプリケーションノートでは、UV硬化アクセサリーを備えたキネクサスの回転型レオメータを使用して、UV硬化材料のレオロジー特性をその場で評価する方法を紹介します。このような測定から、架橋速度や硬化後の収縮を追跡することができます。