경화 코팅 및 3D 프린팅 부품의 후 경화를 위한 최적화 도구로서의 DMA

UV 경화 시스템은 빠른 가공성, 정밀한 적용, 다용도성 덕분에 다양한 산업과 응용 분야에서 자리를 잡았습니다. 현재까지 가장 중요한 애플리케이션은 다음과 같습니다:

인쇄 산업: UV 경화 잉크와 페인트는 인쇄 산업에서 널리 사용됩니다. 종이, 판지, 플라스틱 및 기타 인쇄 용지에서 잉크를 빠르게 건조하고 경화할 수 있어 생산 속도가 빨라집니다.
목재 가공: UV 경화 코팅은 목재 가공, 특히 가구, 바닥재, 가구 표면 및 마감재, 목재 장식에 사용됩니다. 빠른 경화와 높은 표면 품질을 제공합니다.
자동차 산업: 자동차 산업에서는 플라스틱 부품, 내장 부품 및 대시보드 도장에 UV 경화 페인트와 코팅을 사용합니다. 빠른 경화와 높은 표면 품질을 제공합니다.
전자 제품: 전자 산업에서는 인쇄 회로 기판, 디스플레이, 하우징, 스위치 및 기타 전자 부품을 생산하기 위해 UV 경화 재료를 사용합니다. 정확한 양과 도포가 가능하며 빠른 생산이 가능합니다.
의료 기술: UV 경화 재료는 의료 기기, 치과용 제품, 정형외과용 기기 및 기타 의료용 애플리케이션의 생산에 사용됩니다. 이 소재는 높은 정밀도와 생체 적합성을 제공합니다.
광학 및 안경: 자외선 경화 소재는 안경 렌즈, 콘택트렌즈 및 광학 코팅에 사용됩니다. 빠른 경화, 높은 투명성 및 긁힘 방지 기능을 제공합니다.
항공우주: 항공우주 산업에서는 부품, 하우징 및 표면 적용을 위해 UV 경화 코팅이 적용됩니다. 가벼운 무게와 내구성, 빠른 경화 속도를 제공합니다.
식품 포장: UV 경화 코팅은 식품 포장 산업에서 포장재를 보호하고 내구성을 개선하며 습기 침투를 줄이기 위해 사용됩니다.

이러한 전통적인 분야 외에도 수년 전부터 적층 제조 분야에서도 널리 사용되고 있습니다. UV 경화 수지는 통 광중합 및 재료 분사 공정의 기초를 형성하며 바인더 분사에도 사용됩니다. 여기서도 빠른 경화 특성은 3D 프린팅 속도와 관련이 있고, 정밀도와 미세도는 해상도와 달성 가능한 레이어 두께와 관련이 있으며, 광범위한 배합으로 재료 특성과 재료를 거의 무한대로 조합할 수 있습니다.

일부 응용 분야에서는 UV 경화 후 고온에서 경화하여 잉크, 코팅 및 3D 프린팅 부품의 특성을 더욱 향상시킬 수도 있습니다. 이는 경화 깊이를 제어하거나 특성을 개선하는 데 유용할 때도 있습니다:

코팅 또는 프린트 필름의 두께: UV 경화 재료의 두꺼운 층의 경우 UV 광선이 충분히 투과되지 않아 완전한 경화를 보장하지 못할 수 있습니다. 전체 두께에 걸쳐 완전한 경화를 달성하려면 열 후 경화가 필요합니다.
재료 구성 및 가교 정도: 일부 소재는 충분한 가교 및 중합을 달성하기 위해 열 후 경화가 필요합니다. 후경화는 불완전한 반응을 완료하고 재료의 안정성을 개선하는 데 도움이 됩니다.
재료 특성 최적화. UV 경화와 열 후 경화의 조합을 통해 경도, 탄성, 충격 강도, 내화학성 등 특정 재료 특성을 최적화할 수 있습니다.

기계적 특성과 관련하여 열 후 경화 최적화를 위한 동적-기계적 분석

기계적 특성과 관련하여 열 후 경화를 최적화하는 좋은 방법은 동적-기계 분석(DMA)입니다. DMA는 다양한 온도, 주파수 및 변형률에서 재료의 거동을 분석합니다. 다음 예에서는 시간, 비용 및 성능 측면에서 이상적인 후경화 온도를 결정하는 데 이 방법을 사용했습니다.

이 레진 시스템은 잉크나 코팅 또는 적층 제조에 사용하기 위해 EZD에서 개발했습니다.

샘플은 EZD-SKZ에서 3D 프린팅을 사용하여 제작하고 분석했습니다 DMA 303 Eplexor^®. 가장 중요한 파라미터는 다음 표에 요약되어 있습니다:

샘플 홀더	3점 굽힘. 30mm 유연한 지지대
샘플 두께	약 2mm
샘플 너비	약 10 mm
최대 힘	10 N
진폭	50 µm
주파수	1 Hz

경화 거동과 온도의 영향에 따른 기계적 거동에 대한 초기 평가를 위해 100°C에서 200°C까지 2K/min의 가열 속도로 DMA 측정을 수행했습니다. 냉각 후 동일한 샘플에 대해 이 사이클을 2회 더 반복했습니다. 결과는 그림 1에 나와 있습니다. 상온 이상의 온도에서 저장 탄성률의 차이가 발생한다는 것을 알 수 있습니다. 강성은 가열이 증가함에 따라 증가합니다. 또한 유리 전이(황갈색 d)가 더 높은 온도로 이동합니다.

그림 1. 유리 전이 온도를 결정하기 위한 저장 탄성계수 및 tan d를 분석하기 위해 2번의 반복을 통한 DMA 측정.

새로운 수지 시스템의 이상적인 경화 온도를 결정하기 위해 샘플을 실온에서 180°C, 200°C, 210°C, 220°C의 목표 온도까지 5K/min으로 가열하고 온도 도달 후 5시간 동안 등온 유지하여 유지 시간 동안 저장 탄성률의 증가 가능성을 분석했습니다(그림 2 참조).

그림 2. 180°C, 200°C, 210°C, 220°C에서 다양한 샘플의 등온 측정 결과

온도가 상승함에 따라 점점 더 높은 모듈러스 값을 얻을 수 있으며 더 높은 온도에서 더 빠르게 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 220°C에서만 음의 효과가 나타납니다. 모듈러스 값이 처음 증가하면 총 측정 시간 약 80분 후에 감소하기 시작하며, 이는 재료의 취성을 나타내는 지표입니다. 따라서 220°C에서는 이미 재료 손상이 발생합니다.

300분 후의 달성 가능한 계수 값은 온도에 따라 상당히 증가하는 것을 보여줍니다. 그러나 200°C와 210°C 사이에서는 이 차이가 더 이상 크지 않습니다 large.

유리 전이에 미치는 영향을 평가하기 위해 등온으로 유지된 모든 샘플을 2K/min의 가열 속도로 -100°C에서 200°C까지 동적으로 가열합니다. 이제 -100°C에서 측정을 시작할 때 이미 모듈러스 값의 차이를 인식할 수 있습니다. 또한 220°C에서 손상된 시료의 모듈러스 값이 180°C에서 경화 후 시료와 차이가 없음을 분명히 알 수 있습니다. 재료의 유리 전이(_Tg)에 해당하는 탄 d의 피크는 유지 온도가 증가함에 따라 더 높은 값으로 이동합니다. 그러나 200°C에서 후경화하면 그 차이가 덜 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있습니다.

그림 3. 경화 후 시료에 대한 DMA 측정, 특히 Tg(tan d의 피크)를 측정하는 경우

그 결과 210°C의 경화 온도에서 가장 높은 모듈러스 값과 _Tg를 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다.

이제 프레임 조건에 따라 다양한 최적화 결정을 도출할 수 있습니다:

최대 모듈러스 값인 201MPa를 얻으려면 210°C에서 300분 동안 경화를 수행해야 합니다.
예를 들어 150MPa의 모듈러스 값으로 충분하다면 160분 후 200°C에서, 70분 후 210°C에서 경화해야 합니다. 용광로 기술에 따라 210°C에서 동일한 결과를 90분 더 짧은 시간에 달성하는 것이 에너지 효율(+시간 및 비용)이 더 높다고 가정할 수 있습니다.
특정 유리 전이 값(예: 150°C 이상)이 필요한 경우, 200°C의 경화 온도로도 충분할 수 있습니다. 더 높은 온도에서도 동일한 _Tg를 더 빨리 달성할 수 있는지 확인하려면 등온 유지 시간을 더 늘려야 합니다.

이 예는 성능(모듈러스 또는 _Tg), 시간, 비용 또는 에너지 효율의 목표 값에 따라 일반적으로 몇 번의 DMA 측정으로 결과 공간을 좁힌 다음 1~2회의 확인 측정으로 목표 값의 달성 여부를 확인하는 데 충분하다는 것을 보여주기 위한 것입니다.

따라서 DMA는 UV 경화 잉크, 코팅 및 3D 프린팅 수지의 열 경화를 최적화하는 데 사용할 수 있습니다. 목표 값에 따라 UV-DSC, 키넥서스 회전 레오미터의 UV 커플링 또는 UV-DEA와 같은 다른 방법을 사용하여 UV 경화를 최적화할 수 있습니다.

DMA 303에 대해 자세히 알아보기 Eplexor^®

DMA 303 Eplexor^®

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