소개
유럽 분산 기술 센터(EZD)에서 개발한 레진 시스템은 잉크, 코팅, 적층 제조 등 다양한 응용 분야에 사용할 수 있도록 세심하게 설계되었습니다. 성능의 핵심은 경화 거동에 대한 이해이며, 이는 저장 계수에 대한 동역학 연구를 통해 분석됩니다. 공유 결합을 생성하고 3차원 네트워크를 형성하는 가교 반응과 관련된 UV 경화는 이 수지의 핵심 특징입니다. 경화 중 재료의 강성을 측정하는 저장 계수는 경화 동역학에 대한 중요한 통찰력을 제공하고 다양한 조건에서 수지의 거동을 예측하는 데 도움이 됩니다. UV 경화와 열 후 경화를 결합하여 레진 시스템은 경도, 탄성, 내화학성 등 최적의 재료 특성을 달성합니다. 이러한 접근 방식은 빠르고 효율적인 경화를 보장할 뿐만 아니라 인쇄, 목재 가공, 자동차, 전자, 의료 기술, 광학, 항공 우주 및 식품 포장과 같은 산업 전반의 애플리케이션에서 성능을 향상시킵니다. 저장 탄성률의 동역학 분석을 통해 수지의 경화 거동을 정확하게 예측할 수 있습니다.
측정 조건
샘플은 SKZKFE gGmbH에서 3D 프린팅을 사용하여 제작하고 NETZSCH DMA 303 Eplexor® (그림 1)으로 분석했습니다. 가장 중요한 측정 파라미터는 표 1에 요약되어 있습니다.
표 1: DMA 303 Eplexor® 측정의 측정 조건
| 샘플 홀더 | 3점 굽힘, 30mm 플렉시블 지지대 |
|---|---|
| 시료 두께 | 약 2mm |
| 시료 폭 | 약 10 mm |
| 최대 동적 힘 | 10 N |
| 동적 진폭 | 50 μm |
| 주파수 | 1 Hz |
| 가열 속도 | 5 K/min |
| 목표 온도 | 180°C, 200°C, 210°C 및 220°C |
| 등온 세그먼트 | 목표 온도에서 각각 5시간 |
측정 결과 및 토론
새로운 레진 시스템의 이상적인 경화 온도를 결정하기 위해 샘플을 실온에서 각각 180°C, 200°C, 210°C, 220°C의 목표 온도까지 5K/min으로 가열하고 온도에 도달한 후 5시간 동안 등온 유지하여 유지 시간 동안 저장 계수의 가능한 증가를 분석했습니다(그림 2 참조).
경화 온도(등온 세그먼트)가 증가함에 따라 더 높은 모듈러스 값을 얻을 수 있으며, 더 높은 온도에서 더 빠르게 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 220°C(파란색 곡선)에서만 음의 효과가 나타납니다. 모듈러스 값의 초기 증가 후, 총 측정 시간 중 약 80분 후에 모듈러스 값이 감소하기 시작하며, 이는 재료의 취성을 나타내는 지표입니다. 따라서 220°C에서는 이미 재료 손상이 발생한다고 가정할 수 있습니다.
300분 후 달성 가능한 계수 값은 온도에 따라 상당히 증가하는 것을 보여줍니다. 그러나 200°C(빨간색 곡선)와 210°C(녹색 곡선) 사이에서는 그 차이가 크지 않습니다.
경화 후 반응의 동역학 분석
Kinetics Neo 소프트웨어를 사용하면 화학 반응의 동역학 파라미터를 측정할 수 있습니다. 또한 동적 기계 분석(DMA)을 사용하여 기계적 특성으로부터 저장 계수를 예측할 수 있습니다. 동역학 분석을 위한 측정은 다양한 등온 온도에서 수행되며 그림 2에 나와 있습니다.
이러한 측정값을 사용하여 Kinetics Neo 경화 반응을 설명하는 단계의 수를 결정할 수 있습니다. 각 단계에 대해 소프트웨어는 반응 유형, 활성화 에너지 및 반응 순서와 같은 동역학 파라미터도 계산합니다.
그림 3은 기준선 제거 후 다양한 등온 온도에서 수행된 측정값을 보여줍니다. 수평 기준선은 E'가 최소인 지점부터 시작하여 사용됩니다. 기계적 측정은 이미 1단계 반응을 나타내기 때문에 동역학 분석을 위해 Cn, n차 자동 촉매를 가진 모델이 선택됩니다.
그림 3은 측정된 곡선을 기호로, 모델 적합도를 실선으로 표시합니다.
모델 적합도는 실험에 사용된 온도에 대해 Kinetics Neo 소프트웨어로 계산합니다. 표 2는 계산에 사용된 최적의 동역학 파라미터를 나타냅니다. 측정된 곡선과 계산된 곡선 사이의 편차는 시료 준비의 차이를 보여줍니다. 그러나 높은 결정 계수 R2 = 0.995는 모델과 실험 데이터 간의 강한 일치도를 나타냅니다.
표 2: 키네틱 파라미터, 계산 방법 Kinetics Neo
| 1단계(단위) | |
| 활성화 에너지 | 50.319 (kJ/mol) |
| 로그(사전 경험치) | 2.591 로그(s-1) |
| ReactOrder n | 2.591 |
| 로그(AutocatPreexp) | 0.01 로그 (s-1) |
| 기여도 | 1 |
사용자별 조건에 따른 경화 시뮬레이션
결정된 동역학 파라미터를 기반으로 Kinetics Neo 에서는 실험 온도에 가까운 모든 시간/온도 조건에서 시료의 거동을 계산할 수 있습니다.
예를 들어, 그림 4와 5는 각각 180°C와 215°C의 다양한 등온 온도에서 5시간과 10시간 동안 수지의 경화 정도를 보여줍니다. 예상대로 더 높은 온도에서 경화가 더 빨리 진행됩니다.
완전한 경화를 위해서는 더 긴 시간이 필요합니다. 예를 들어 5시간이 지나면 경화도가 0.940에 도달하고 16시간이 지나면 0.972에 도달합니다. 완전 경화에는 온도에 따라 몇 시간 또는 며칠이 걸릴 수 있습니다.
결론
열 경화 후 UV 경화 레진 시스템의 기계적 특성은 동적 기계 분석(DMA)을 사용하여 평가했습니다. 등온 측정은 다양한 온도에서 수행되었습니다: 180°C, 200°C, 210°C, 220°C. 데이터는 Kinetics Neo 소프트웨어를 사용하여 분석되었고, 경화 정도를 예측하기 위한 동역학 모델이 개발되었습니다. 이 모델은 측정된 온도와 지속 시간뿐만 아니라 실험적으로 테스트되지 않은 조건에도 적용할 수 있습니다. 그 결과 최적화 목표에 따라 최단 시간 또는 최저 온도에서 특정 경화 정도를 달성하는 매개변수를 식별할 수 있습니다. 이 접근 방식은 필요한 물리적 테스트 횟수를 줄여 시간과 비용을 절감하는 동시에 사용자의 전체 프로세스를 가속화합니다.
키네틱 분석의 이점
실험 비용 절감
Kinetics Neo 소프트웨어는 필요한 테스트 횟수를 최적화하여 비용이 많이 드는 수많은 물리적 실험의 필요성을 줄여줍니다. 이를 통해 고객은 시간과 비용을 절약하는 동시에 전체 프로세스의 속도를 높일 수 있습니다.
경화 주기 최적화
이 소프트웨어는 Identify 최적의 경화 후 온도와 시간을 설정하여 최상의 재료 변환을 달성할 수 있도록 도와줍니다. 이를 통해 생산 효율성을 보장하여 과잉 또는 부족 후 경화와 같은 문제를 방지할 수 있습니다.
사용자 지정 및 유연성
고객은 더 유연하거나 더 단단한 소재가 필요한지 여부에 관계없이 특정 애플리케이션 요구 사항을 충족하도록 경화 공정을 조정할 수 있습니다. 이러한 유연성은 최종 제품이 고객의 요구 사항에 완벽하게 부합하도록 보장하여 추가 시험의 필요성을 줄여줍니다.