24.07.2024 by Dr. Natalie Rudolph, Rüdiger Sehling, Dr. Felipe Wolff-Fabris (European Center for Dispersion Technologies (EZD)), Katlen Tröger (EZD)
硬化コーティングと3Dプリント部品のポストキュアの最適化ツールとしてのDMA
UV硬化システムは、その迅速な加工性、塗布の正確さ、多用途性により、様々な産業や用途で利用されている。
UV硬化システムは、その迅速な加工性、アプリケーションの正確さ、多用途性により、様々な産業やアプリケーションで利用されている。現在までの最も重要なアプリケーションをいくつか紹介する：
- 印刷業界：UV硬化型インクや塗料は印刷業界で広く使用されている。紙、厚紙、プラスチック、その他の印刷基材へのインキの速乾・速硬化を可能にし、生産速度を向上させる。
- 木材加工：UV硬化型コーティング剤は、木材加工、特に家具、フローリング、家具の表面や仕上げ、木材装飾に使用されている。硬化が早く、表面品質が高い。
- 自動車産業 UV硬化型塗料やコーティング剤は、自動車産業でプラスチック部品、内装部品、ダッシュボードの塗装に使用されている。硬化が早く、表面品質が高い。
- エレクトロニクス UV硬化型材料は、プリント基板、ディスプレイ、ハウジング、スイッチ、その他の電子部品の製造に使用されています。正確な添加量と塗布が可能で、迅速な生産が可能です。
- 医療技術： UV硬化材料は、医療機器、歯科製品、整形外科器具、その他の医療用途の生産に使用されている。高い精度と生体適合性を提供する。
- 光学と眼鏡 UV硬化材料は眼鏡レンズ、コンタクトレンズ、光学コーティングに使用されている。硬化が速く、透明度が高く、傷がつきにくい。
- 航空宇宙 UV硬化型コーティングは、航空宇宙産業の部品、ハウジング、表面用途に使用されている。軽量で耐久性に優れ、硬化も早い。
- 食品包装UV硬化型コーティングは、食品包装業界で包装資材の保護、耐久性の向上、水分の浸透を抑えるために使用されている。
このような従来の分野に加え、数年前からアディティブ・マニュファクチャリングでも広く使用されている。UV硬化樹脂は、バット光重合やマテリアルジェッティングプロセスの基礎を形成し、バインダージェッティングにも採用されている。ここでも、高速硬化の特性は3Dプリント速度に関連し、精度ときめ細かさは解像度と達成可能な層厚に関連し、幅広い配合は材料特性と材料のほぼ無限の組み合わせを可能にします。
用途によっては、UV硬化後に高温で硬化させることで、インク、コーティング、3Dプリント部品の特性をさらに高めることもできる。これは、硬化深度を制御したり、特性を向上させたりするのに有効な場合がある：
- コーティングやプリントフィルムの厚さ：UV硬化材料の層が厚い場合、UV光が十分に浸透せず、完全に硬化しないことがある。厚さ全体を通して完全に硬化させるには、熱によるポストキュアが必要である。
- 材料の組成と架橋度：材料によっては、十分な架橋と重合を達成するために熱ポストキュアが必要なものもある。ポストキュアは、不完全な反応を完 了させ、材料の安定性を向上させるのに役立つ。
- 材料特性の最適化。UV硬化と熱ポストキュアの組み合わせにより、硬度、弾性、衝撃強度、耐薬品性などの特定の材料特性を最適化することができます。
機械的特性を考慮した熱ポストキュアの最適化のための動的機械解析
機械的特性に関して熱ポストキュアを最適化するための優れた方法は、動的機械解析（DMA）である。DMAは、温度、周波数、ひずみを変化させたときの材料の挙動を解析します。以下の例では、時間、コスト、性能の観点から理想的なポストキュア温度を決定するために使用しました。
この樹脂システムは、インクやコーティングとして、あるいは積層造形で使用するためにEZD社が開発したものである。
サンプルはEZD-SKZの3Dプリンティングで製造され、DMA 303で分析された。 DMA 303Eplexor で分析した。最も重要なパラメータを以下の表にまとめた：
| サンプルホルダー | 3点曲げ。30mmフレキシブルサポート |
| 試料厚さ | 約2mm |
| 試料幅 | 約10 mm |
| 最大加振力 | 10 N |
| 振幅 | 50 µm |
| 周波数 | 1 Hz |
温度の影響下での硬化挙動と機械的挙動の初期評価として、100℃から200℃まで、2K/分の昇温速度でDMA測定を行った。冷却後、このサイクルを同じ試料でさらに2回繰り返した。結果を図1に示す。室温以上の温度で貯蔵弾性率に差が生じていることがわかる。剛性は加熱の増加に伴って増加する。また、ガラス転移（tan d）は高温側にシフトしている。
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180℃、200℃、210℃、220℃の目標温度まで5K/分で加熱し、温度到達後5時間等温保持し、保持時間中の貯蔵弾性率の増加の可能性を分析した（図2参照）。
温度が上昇するにつれて、より高いモジュラス値が得られること、また温度が高いほど、より速く上昇することがわかる。負の効果が現れるのは220℃のときだけである。初期の弾性率値の上昇に続き、総測定時間が約80分経過すると、弾性率値は低下し始めます。このように、220℃ではすでに材料の損傷が起こっている。
300分後の達成可能な弾性率値は、温度によるかなりの上昇を示している。しかし、この差は、200℃と210℃の間では、もはやそれほどlarge 。
ガラス転移への影響を評価できるようにするため、等温保持されたすべての試料を-100℃から200℃まで2K/分の加熱速度で動的に加熱した。弾性率値の違いは、-100℃での測定開始時にすでに認識できる。また、220℃で損傷した試料の弾性率値は、180℃でポストキュアした試料と差がないことがはっきりとわかります。材料のガラス転移（Tg）に相当するtan dのピークは、保持温度が高くなるにつれて高い値にシフトしている。しかし、200℃での後硬化では、その差はそれほど大きくならないことがわかる。
その結果、最高のモジュラス値とTgは、210℃の硬化温度で達成できることがわかった。
フレームの条件によって、異なる最適化の決定が導き出されます：
- 最大モジュラス値201 MPaを得るためには、硬化を210℃で300分間行う必要があります。
- 最大モジュラス値201 MPaを得るには、210℃で300分間硬化させる必要があります。例えば、モジュラス値150 MPaで十分な場合は、200℃で160分後、210℃で70分後に到達します。炉の技術にもよるが、同じ結果を得るには210℃で90分短縮する方がエネルギー効率（＋時間とコスト）が良いと考えられる。
- 一定のガラス転移値が必要な場合、例えば150℃以上であれば、200℃の硬化温度ですでに十分な場合がある。さらに等温保持時間を用いて、同じTgがより高い温度でもより速く達成できるかどうかをチェックすべきである。
この例は、性能（弾性率またはTg）の目標値、時間、コスト、またはエネルギー効率によっては、通常、数回のDMA測定で十分な結果が得られることを示すものであり、その後、1～2回の確認測定で目標値の達成を検証する。
したがって、DMAはUV硬化型インク、コーティング、3Dプリンティング樹脂の熱硬化を最適化するために使用できます。目標値によっては、UV硬化を最適化するために、当社のUV-DSC、Kinexus回転型レオメーターのUVカップリング、UV-DEAなどの他の方法を採用することもできます。
