はじめに
欧州分散技術センター（EZD）が開発した樹脂システムは、インク、コーティング、積層造形など、さまざまな用途での使用を想定して綿密に設計されている。その性能の中心は、貯蔵弾性率の速度論的研究を通じて分析される硬化挙動の理解である。共有結合を生成し、3次元ネットワークを形成する架橋反応を伴うUV硬化は、この樹脂の重要な特徴である。硬化中の材料の剛性を示す貯蔵弾性率は、硬化速度論に関する重要な洞察を提供し、さまざまな条件下での樹脂の挙動を予測するのに役立つ。UV硬化と熱ポストキュアを組み合わせることで、樹脂システムは硬度、弾性、耐薬品性などの最適な材料特性を実現します。このアプローチは、迅速かつ効率的な硬化を保証するだけでなく、印刷、木材加工、自動車、電子機器、医療技術、光学、航空宇宙、食品包装などの産業にわたる用途で性能を向上させる。貯蔵弾性率の速度論的分析により、樹脂の硬化挙動を正確に予測することができます。
測定条件
サンプルはSKZKFE社で3Dプリンティングにより製造され、NETZSCH DMA 303Eplexor （図1）で分析された。最も重要な測定パラメータを表1にまとめた。
表1：DMA 303Eplexor の測定条件
| 試料ホルダー | 3点曲げ、30mmフレキシブルサポート |
|---|---|
| 試料厚さ | 約2 mm |
| 試料幅 | 約10 mm |
| 最大動荷重 | 10 N |
| 動的振幅 | 50 μm |
| 使用周波数 | 1 Hz |
| 加熱速度 | 5K/分 |
| 目標温度 | 180℃、200℃、210℃、220 |
| 等温区間 | 5時間、各ターゲット温度 |
測定結果と考察
新しい樹脂システムの理想的な硬化温度を決定するために、試料を室温から5K/分でそれぞれ180℃、200℃、210℃、220℃の目標温度まで加熱し、保持時間中の貯蔵弾性率の増加の可能性を分析するために、温度到達後5時間等温保持した（図2参照）。
硬化温度（等温区間）が高くなるにつれて、より高い弾性率値が得られること、また、温度が高いほど弾性率の上昇も速くなることがわかる。負の効果が現れるのは220℃のとき（青い曲線）だけである。初期の弾性率値の上昇に続いて、全測定時間の約80分後に弾性率値が低下し始めます。これは材料の脆化の指標である。したがって、220℃の時点ですでに材料の損傷が発生していると考えられる。
300分後の達成弾性率値は、温度とともにかなり上昇していることがわかる。しかし、この差は200℃（赤色の曲線）と210℃（緑色の曲線）ではそれほど大きくはありません。
ポストキュアリング反応の速度論的解析
Kinetics Neo ソフトウェアにより、化学反応の動力学パラメータを決定することができます。また、動的機械分析（DMA）を使用して、機械的特性から貯蔵弾性率を予測することもできます。速度論的分析のための測定は、異なる等温で実施され、図2に示されている。
これらの測定値を使用して、Kinetics Neo 、硬化反応を記述するステップ数を決定することができます。また、これらのステップのそれぞれについて、反応タイプ、活性化エネルギー、反応次数などの速度論的パラメーターも計算される。
図3は、ベースライン除去後に異なる等温温度で実施した測定結果を示している。E'が最小の点から始まる水平ベースラインが使用されている。機械的測定はすでに一段階反応を示しているため、速度論的解析にはCn、n次の自己触媒反応モデルを選択した。
図3は、測定曲線を記号で、モデルフィットを実線で示している。
モデルフィットは、Kinetics Neo ソフトウェアにより、実験で使用した温度に対して計算された。表2に、計算に使用した最適な動力学パラメータを示す。測定曲線と計算曲線の偏差は、試料調製の違いを示している。しかし、高い決定係数R2 = 0.995は、モデルと実験データの強い一致を示している。
表2：キネティック・パラメーターKinetics Neo
| ステップ1（単位） | |
| 活性化エネルギー | 50.319 (kJ/mol) |
| ログ(PreExp) | 2.591 log (s-1) |
| 反応次数n | 2.591 |
| ログ（AutocatPreexp） | 0.01ログ(s-1) |
| 寄与率 | 1 |
ユーザー固有の条件での硬化シミュレーション
決定された速度論パラメータに基づき、Kinetics Neo は、実験温度に近い任意の時間／温度条件における試料の挙動を計算することができます。
一例として、図4と図5は、それぞれ180℃から215℃までの異なる等温条件下で、5時間と10時間の樹脂の硬化度を示しています。予想通り、硬化は温度が高いほど速く起こる。
完全に硬化させるためには、より長い時間が必要である。例えば、5時間後には硬化度は0.940に達し、16時間以上では0.972に達する。温度によっては、完全硬化に数時間から数日かかる場合もある。
結論
熱硬化後のUV硬化樹脂システムの機械的特性を、動的機械分析（DMA）を用いて評価した。等温測定は異なる温度で行った：等温測定は180℃、200℃、210℃、220℃の各温度で行った。データはKinetics Neo ソフトウェアを用いて解析し、硬化度を予測するための速度論モデルを開発した。このモデルは、測定された温度と時間だけでなく、実験的に試験されなかった条件にも適用できる。その結果、最適化の目的に応じて、最短時間または最低温度で特定の硬化度を達成するパラメーターを特定することが可能になる。このアプローチにより、必要な物理試験の回数が減り、時間とコストの両方が節約されるとともに、ユーザーにとってはプロセス全体が加速される。
運動学的分析の利点
実験コストの削減
Kinetics Neo ソフトウェアは、必要な試験数を最適化することにより、コストのかかる多数の物理的試験の必要性を低減します。これにより、お客様は時間と費用の両方を節約しながら、プロセス全体をスピードアップすることができます。
硬化サイクルの最適化
このソフトウェアは、Identify 、最適なポストキュア温度と時間を設定し、最適な材料転換を実現します。これにより、生産効率が確保され、ポストキュアの過不足などの問題が防止されます。
カスタマイズと柔軟性
顧客は、材料をより柔軟にする必要があるか、より硬くする必要があるかなど、特定の用途要件に合わせて硬化プロセスを調整することができます。この柔軟性により、最終製品がお客様のニーズに完全に合致し、追加試験の必要性が減少します。