Inleiding
Het harssysteem dat is ontwikkeld door het Europees Centrum voor Dispersietechnologieën (EZD) is zorgvuldig ontworpen voor gebruik in verschillende toepassingen, waaronder inkten, coatings en additieve productie. Centraal in de prestaties staat het begrip van het uithardingsgedrag, dat wordt geanalyseerd door kinetische studies van de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus. UV-uitharding, waarbij crosslinkingreacties covalente bindingen creëren en driedimensionale netwerken vormen, is een belangrijk kenmerk van deze hars. De Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus, een maat voor de stijfheid van een materiaal tijdens uitharding, geeft een belangrijk inzicht in de uithardingskinetiek en helpt het gedrag van de hars onder verschillende omstandigheden te voorspellen. Door UV-uitharding te combineren met thermische na-uitharding bereikt het harssysteem optimale materiaaleigenschappen zoals hardheid, elasticiteit en chemische weerstand. Deze aanpak zorgt niet alleen voor een snelle en efficiënte uitharding, maar verbetert ook de prestaties in toepassingen in industrieën zoals drukkerijen, houtverwerking, auto's, elektronica, medische technologie, optica, lucht- en ruimtevaart en voedselverpakkingen. Kinetische analyse van de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus maakt nauwkeurige voorspellingen mogelijk van het uithardingsgedrag van de hars.
Meetomstandigheden
De monsters werden geproduceerd met behulp van 3D-printing bij SKZKFE gGmbH en geanalyseerd met een NETZSCH DMA 303 Eplexor® (afbeelding 1). De belangrijkste meetparameters zijn samengevat in tabel 1.
Tabel 1: Meetomstandigheden van de DMA 303 Eplexor® meting
| Monsterhouder | 3-punts buiging, 30 mm flexibele steunen |
|---|---|
| Dikte monster | Ca. 2 mm |
| Breedte monster | Ca. 10 mm |
| Max. dynamische kracht | 10 N |
| Dynamische amplitude | 50 μm |
| Frequentie | 1 Hz |
| Opwarmsnelheid | 5 K/min |
| Richttemperatuur | 180 °C, 200 °C, 210 °C en 220 °C |
| Isothermisch segment | 5 uur, telkens bij doeltemperatuur |
Meetresultaten en discussie
Om de ideale uithardingstemperatuur voor het nieuwe harssysteem te bepalen, werden de monsters met 5 K/min verwarmd van kamertemperatuur tot doeltemperaturen van respectievelijk 180°C, 200°C, 210°C en 220°C en na het bereiken van de temperatuur gedurende 5 uur IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm gehouden om de mogelijke toename van de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus tijdens de wachttijd te analyseren; zie figuur 2.
Het is te zien dat met het verhogen van de uithardingstemperatuur (isotherme segmenten), hogere moduluswaarden bereikt kunnen worden en dat de toename ook sneller gaat bij hogere temperaturen. Pas bij 220°C (blauwe curve) treedt een negatief effect op. Na een aanvankelijke stijging van de moduluswaarde begint deze na ongeveer 80 minuten van de totale meettijd te dalen, wat een indicatie is van verbrossing van het materiaal. Er kan dus worden aangenomen dat bij 220°C al schade aan het materiaal optreedt.
De bereikbare moduluswaarden na 300 minuten tonen de aanzienlijke toename met de temperatuur. Dit verschil is echter niet zo significant tussen 200°C (rode curve) en 210°C (groene curve).
Kinetische analyse van de nabehandelingsreactie
Met de software Kinetics Neo kunnen de kinetische parameters van een chemische reactie worden bepaald. Het maakt ook de voorspelling mogelijk van de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus uit mechanische eigenschappen met behulp van dynamische mechanische analyse (DMA). Metingen voor kinetische analyse worden uitgevoerd bij verschillende isotherme temperaturen en weergegeven in figuur 2.
Met behulp van deze metingen kan Kinetics Neo het aantal stappen bepalen die de uithardingsreactie beschrijven. Voor elk van deze stappen berekent de software ook de kinetische parameters, d.w.z. reactietype, activeringsenergie en reactievolgorde.
Figuur 3 toont de metingen uitgevoerd bij verschillende isotherme temperaturen na verwijdering van de basislijn. Er wordt een horizontale basislijn gebruikt beginnend bij het punt met minimale E'. Omdat de mechanische metingen al wijzen op een eenstapsreactie, is een model met Cn, n-de orde autokatalyse geselecteerd voor de kinetische analyse.
Figuur 3 toont de gemeten krommen als symbolen en de modelpassing als ononderbroken lijnen.
De model fit is berekend voor de temperatuur die in het experiment is gebruikt door Kinetics Neo software. Tabel 2 toont de optimale kinetische parameters die zijn gebruikt voor de berekening. De afwijking tussen de gemeten en berekende curven toont de verschillen in monstervoorbereiding. De hoge determinatiecoëfficiënt R2 = 0,995 duidt echter op een sterke overeenkomst tussen het model en de experimentele gegevens.
Tabel 2: Kinetische parameters, berekend door Kinetics Neo
| Stap 1 (Eenheden) | |
| Activeringsenergie | 50.319 (kJ/mol) |
| Log(PreExp) | 2.591 log (s-1) |
| ReactOrder n | 2.591 |
| Log (AutocatPreexp) | 0.01 log (s-1) |
| Bijdrage | 1 |
Simulatie van uitharding voor gebruikersspecifieke omstandigheden
Op basis van de bepaalde kinetische parameters kan Kinetics Neo het gedrag van het monster berekenen voor elke tijd/temperatuurconditie, dicht bij de experimentele temperaturen.
Als voorbeeld tonen figuren 4 en 5 de uithardingsgraad van de hars bij verschillende isotherme temperaturen van 180°C tot 215°C gedurende respectievelijk 5 uur en 10 uur. Zoals verwacht verloopt de uitharding sneller bij hogere temperaturen.
Er is een langere periode nodig voor volledige uitharding. Bijvoorbeeld, na 5 uur bereikt de uithardingsgraad 0,940 en na 16 uur 0,972. Volledige uitharding kan enkele uren of dagen duren, afhankelijk van de temperatuur.
Conclusie
De mechanische eigenschappen van een UV-gehard harssysteem na thermische uitharding werden geëvalueerd met Dynamische Mechanische Analyse (DMA). Isotherme metingen werden uitgevoerd bij verschillende temperaturen: 180°C, 200°C, 210°C en 220°C. De gegevens werden geanalyseerd met Kinetics Neo software en er werd een kinetisch model ontwikkeld om de uithardingsgraad te voorspellen. Dit model kan niet alleen worden toegepast op de gemeten temperaturen en tijdsduren, maar ook op omstandigheden die niet experimenteel getest zijn. Hierdoor is het mogelijk om parameters te identificeren die een specifieke uithardingsgraad bereiken in de kortste tijd of bij de laagste temperatuur, afhankelijk van het optimalisatiedoel. Deze aanpak vermindert het aantal fysieke testen dat nodig is, bespaart tijd en kosten en versnelt het totale proces voor gebruikers.
Voordelen van kinetische analyse
Lagere experimentele kosten
Kinetics Neo software vermindert de noodzaak voor talrijke en dure fysieke proeven door het aantal benodigde tests te optimaliseren. Hierdoor kunnen klanten zowel tijd als geld besparen en tegelijkertijd hun totale proces versnellen.
Uithardingscycli optimaliseren
De software helpt Identify bij het bepalen van de optimale uithardingstemperatuur en -tijd voor de beste materiaalconversie. Dit zorgt voor productie-efficiëntie en voorkomt problemen zoals over- of onder-uitharding.
Aanpassing en flexibiliteit
Klanten kunnen het uithardingsproces aanpassen aan specifieke toepassingseisen, of ze nu flexibeler of stijver materiaal nodig hebben. Deze flexibiliteit zorgt ervoor dat het eindproduct perfect aansluit op hun behoeften, waardoor er minder aanvullende tests nodig zijn.