脱バインダープロセスのシミュレーションと最適化の方法

セラミック焼成や焼結冶金では、製品の品質は温度プロファイル、特に加熱速度に左右される。加熱プロセスの初期段階では、ポリマーバインダーは熱分解によって注意深く除去される。しかし、マイクロクラックの発生を防ぎ、元の材料の構造が破壊されないようにするためには、ガスの発生をあまり激しくすべきではない。したがって、最良の製品品質を得るためには、ポリマーの分解を達成するためのこの加熱段階は、あまり早く行うべきではない。一方、過度に遅い加熱は、工程時間を長くし、製造コストを上昇させるだけでなく、過度に高価になり、環境にやさしくなくなる可能性がある。主な目的は、最短時間で最高品質の原料を確保するために、バランスの取れた加熱を行い、最適な温度プロファイルを作成することである。そのためには、加熱炉内で材料が焼成中にどうなるかを知る必要があります。加熱炉の所定の温度プロファイルに対する脱バインダー率のシミュレーション法を使用することを推奨します。分析のためのデータポリマーバインダーは熱分解で質量を失いますが、これは熱重量測定で簡単に測定できます。しかし、化学反応は温度だけでなく時間にも依存する速度論的プロセスである。そのため、一定の温度では反応が進行して質量が変化するが、異なる温度では同じ質量が生じる可能性がある。温度プロファイルに依存しない唯一の項目は、化学量論係数、反応次数、活性化エネルギーといった反応の化学的特性である。バインダーの場合、ポリマー混合物の成分は互いに独立に分解することが多い。この場合、初期組成と最終組成は、通常、温度プロファイルにも依存しない。温度プロファイルに依存しない化学反応のパラメータを見つけるためには、異なる温度条件下、すなわち異なる加熱速度下で、熱重量研究所での測定を複数回実施する必要がある。分解に関する熱重量曲線の一般的な形状は、異なる加熱速度における測定質量の温度依存性を示している。ここで紹介する測定は、NETZSCH TG 209F1 装置で行った。速度論的分析ポリマーバインダーでは、通常ポリマーは互いに独立し て分解し、測定された質量損失は混合物の分解を示 す。混合物中の各成分は、いくつかの個別の分解ステップを経て分解するため、このプロセスにおける個々のステップは、異なるポリマーに関連することも、同じポリマーに関連することもあります。速度論的解析により、温度プロファイルに依存しない、観察されたプロセスの速度論的パラメータを求めることができる。これらのパラメーターは、各分解反応ステップの活性化エネルギーと反応次数であり、全分解プロセスに対する各反応ステップの寄与率である。測定データの速度論的解析には2つの異なるアプローチがある。1つは、プロセスの実際の化学的性質に従ったモデルベースであり、全プロセスを異なるポリマーの独立した分解プロセスの合計とみなすものである。各ポリマーの分解反応は、一連の連続した個々の反応ステップとみなされる。ここで、各反応ステップにはそれぞれ化学量論と活性化エネルギーがあり、両者は反応ステップの開始から終了まで一定の値を維持する。このアプローチは、脱バインダープロセスを明示的に、かつ現実に非常に近い形で記述するが、並列で連続した反応ステップからの解析と動力学モデルの構築に時間を要する。第二の、より近似的なアプローチはモデルフリーと呼ばれ、全プロセスを活性化エネルギーとプレ指数係数が反応の進行に伴って変化するワンステップ反応として考える。このタイプは、連続したステップを持つプロセスに対して非常に高速ですが、いくつかの制限もあります。例えば、並列反応を持つ混合物の分解反応や、重複が大きい反応を記述することはできません。NETZSCH Kinetics Neo ソフトウェアは、両方の解析方法に対応しており、単一手法のソフトウェアよりも優れています。NETZSCH Kinetics Neo は、モデルベース手法による熱重量データの解析に使用され、その結果、3つの連続した反応ステップとその反応パラメーターを描写した反応モデルが表示されました。これは温度プログラムに依存せず、ユーザーが定義した他の温度プログラムの分解プロセスのシミュレーションに使用することができる。シミュレーションが実験中に使用されたのと同じ温度で正確に実行された場合、モデルが正しければ、シミュレーションされた曲線は実験に適合しなければならない。異なる加熱速度の実験データが記号で示され、同じ動力学パラメータを持つ同じ動力学モデル（ただし加熱速度は異なる）に基づくすべてのシミュレーションデータが実線の曲線で示されています。このことは、動力学モデルが正しく構築され、動力学パラメータが正しいことが判明したことを意味する。したがってこのモデルは、質量損失の測定が不可能な加熱炉内でのバインダー分解の将来的なモデリングに使用することができる。予測および最適化3つの連続した反応ステップからなる速度論モデルにより、ユーザーが指定した温度プログラムに対する質量損失を予測することができる。従って、加熱炉内の温度を知ることで、脱バインダーの進行シミュレーションが可能になります。例えば、このモデルはトンネルキルン内での原料の質量損失のシミュレーションを可能にします。熱量が変化した場合、ソフトウェアは各ゾーンの新しい温度プログラムに対して新しい質量減少曲線を計算します。分解速度は温度だけでなく、変換の現在値にも依存する。一定の加熱速度の下で、質量減少曲線にはこのプロセスが速い範囲と遅い範囲があります。反応速度が速いパラメータは、材料構造が損傷する危険な領域です。反応速度が遅い範囲は、時間的なロスやエネルギー的なロスが大きくなり、最終製品のコストが高くなります。最適化プロセスでは、最短時間で最適な製品品質を見つけるために、質量損失率が一定になる温度プロファイルを見つける必要があります。シミュレーションができなければ、このような温度プロファイルは化学技術者が試行錯誤で作成しなければならず、これには多大な時間とコストがかかる。Kinetics Neo 、与えられた質量損失率0.05%/分に対して、新しい温度プロファイルが計算された。加熱速度に制約がある工業プロセスでは、このソフトウェアを使用することで、定数値に非常に近い質量損失率をシミュレートするための最適な温度プロファイルを見つけることができます。例えば、ドイツのHaldenwanger社は、脱バインダー率に非常に敏感な新しい発泡セラミックに関して、セラミック焼成の温度プロファイルを最適化するためにこのソフトウェアを必要としていました。このプロセスには、脱バインダーと焼結の2つのパートがあります。温度プロファイルの最適化が両方の部分で実施され、生産時間が50％以上短縮されました。動力学解析ソフトウェア アプリケーションポリマーバインダーでは通常、ポリマーは互いに独立して分解し、測定された質量損失は混合物の分解を示します。混合物中の各成分は、いくつかの個別の分解ステップを経て分解するため、このプロセスにおける個々のステップは、異なるポリマーに関連することも、同じポリマーに関連することもあります。速度論的解析により、温度プロファイルに依存しない、観察されたプロセスの速度論的パラメータを求めることができる。これらのパラメーターは、各分解反応ステップの活性化エネルギーと反応次数であり、全分解プロセスに対する各反応ステップの寄与率である。測定データの速度論的解析には2つの異なるアプローチがある。1つは、プロセスの実際の化学的性質に従ったモデルベースであり、全プロセスを異なるポリマーの独立した分解プロセスの合計とみなすものである。各ポリマーの分解反応は、一連の連続した個々の反応ステップとみなされる。ここで、各反応ステップにはそれぞれ化学量論と活性化エネルギーがあり、両者は反応ステップの開始から終了まで一定の値を維持する。このアプローチは、脱バインダープロセスを明示的に、かつ現実に非常に近い形で記述するが、並列で連続した反応ステップからの解析と動力学モデルの構築に時間を要する。第二の、より近似的なアプローチはモデルフリーと呼ばれ、全プロセスを活性化エネルギーとプレ指数係数が反応の進行に伴って変化するワンステップ反応として考える。このタイプは、連続したステップを持つプロセスに対して非常に高速ですが、いくつかの制限もあります。例えば、並列反応を持つ混合物の分解反応や、重複が大きい反応を記述することはできません。NETZSCH Kinetics Neo ソフトウェアは、両方の解析方法に対応しており、単一手法のソフトウェアよりも優れています。NETZSCH Kinetics Neo は、モデルベース手法による熱重量データの解析に使用され、その結果、3つの連続した反応ステップとその反応パラメーターを描写した反応モデルが表示されました。これは温度プログラムに依存せず、ユーザーが定義した他の温度プログラムの分解過程のシミュレーションに使用できる。シミュレーションが実験中に使用されたのと同じ温度で正確に実行された場合、モデルが正しければ、シミュレーションされた曲線は実験に適合しなければならない。異なる加熱速度の実験データが記号で示され、同じ動力学パラメータを持つ同じ動力学モデル（ただし加熱速度は異なる）に基づくすべてのシミュレーションデータが実線の曲線で示されています。このことは、動力学モデルが正しく構築され、動力学パラメータが正しいことが判明したことを意味する。したがってこのモデルは、質量損失の測定が不可能な加熱炉内でのバインダー分解の将来的なモデリングに使用することができる。

予測および最適化3つの連続した反応ステップから構成される速度論モデルにより、ユーザーが指定した温度プログラムに対する質量損失を予測することができます。したがって、加熱炉内の温度を知ることで、脱バインダーの進行シミュレーションが可能になります。例えば、このモデルはトンネルキルン内での原料の質量損失のシミュレーションを可能にします。熱量が変化した場合、ソフトウェアは各ゾーンの新しい温度プログラムに対して新しい質量減少曲線を計算します。

分解速度は温度だけでなく、転化率の現在値にも依存する。一定の加熱速度の下で、質量減少曲線にはこのプロセスが速い範囲と遅い範囲があります。反応速度が速いパラメータは、材料構造が損傷する危険な領域です。反応速度が低い範囲は、時間的なロスやエネルギー的なロスが大きくなり、最終製品のコストが高くなります。最適化プロセスでは、最短時間で最適な製品品質を見つけるために、質量損失率が一定になる温度プロファイルを見つける必要があります。シミュレーションができなければ、このような温度プロファイルは化学技術者が試行錯誤で作成しなければならず、これには多大な時間とコストがかかる。Kinetics Neo 、与えられた質量損失率0.05%/分に対して、新しい温度プロファイルが計算された。

加熱速度に制約がある工業プロセスでは、このソフトウェアを使用することで、定数値に非常に近い質量損失率をシミュレートするための最適な温度プロファイルを見つけることができます。例えば、ドイツのHaldenwanger社は、脱バインダー率に非常に敏感な新しい発泡セラミックに関して、セラミック焼成の温度プロファイルを最適化するためにこのソフトウェアを必要としていました。このプロセスには脱バインダーと焼結の2つのパートがあります。温度プロファイルの最適化が両方の部分で実施され、生産時間が50%以上短縮されました。動特性解析ソフトウェアの応用動特性解析とシミュレーションの応用分野は、 セラミックス製造中の脱バインダープロセスや焼結冶金に 限定されません。このようなシミュレーションは、例えば包装材料の寿命を決定したり、高温での工程内操作に必要です。