Kinetyczna analiza utwardzania fotopolimerów przy zmiennym natężeniu światła UV z wykorzystaniem Kinetics Neo i DEA, część 1

Wprowadzenie

Fotopolimery to wrażliwe na światło materiały, które polimeryzują pod wpływem światła, przekształcając ciekłe monomery lub oligomery w stałe, funkcjonalne sieci. Ich szybki i kontrolowany proces utwardzania sprawia, że nadają się do zastosowań takich jak tusze, powłoki, kleje i druk 3D.

Procesy wytwarzania przyrostowego (AM) nowej generacji, w tym litografia wielofotonowa i fusion jetting (FJ), wykorzystują te materiały do produkcji złożonych geometrii o wysokiej rozdzielczości i części wielomateriałowych [1]. W tych procesach na zachowanie utwardzania fotopolimerów akrylanowych silnie wpływa zarówno intensywność światła UV, jak i temperatura, które znacząco wpływają na szybkość utwardzania i końcowe właściwości materiału. W procesach AM Utwardzanie (reakcje sieciowania)W dosłownym tłumaczeniu termin "sieciowanie" oznacza "tworzenie sieci". W kontekście chemicznym stosuje się go do reakcji, w których cząsteczki są łączone ze sobą poprzez wprowadzenie wiązań kowalencyjnych i tworzenie trójwymiarowych sieci. utwardzanie materiału odbywa się warstwa po warstwie przy typowej grubości warstwy około 50 do 100 μm [2,3].

Celem tego badania jest zbadanie kinetyki utwardzania fotopolimerowych diakrylanów w różnych warunkach izotermicznych i intensywności światła UV przy użyciu analizy dielektrycznej (DEA) i oprogramowania [7] do analizy kinetycznej Kinetics Neo oprogramowanie [7] do analizy kinetycznej, przewidywania i optymalizacji procesu.

Warunki pomiaru

Pomiary DEA przeprowadzono przy użyciu strony DEA 288 Ionic (rysunek 1) w warunkach pomiarowych wymienionych w tabeli 1. Uzyskane krzywe DEA stanowią podstawę analizy kinetycznej.

Wiele czujników umożliwia precyzyjny pomiar temperatury, zapewniając optymalną wydajność i jakość.

Tabela 1: Warunki pomiaru

Wyniki pomiarów i dyskusja

Rysunek 2 przedstawia typową krzywą danych eksperymentalnych w temperaturze 150°C przy ekspozycji na światło UV o natężeniu 75 ^mW/cm2. Pozioma linia bazowa jest ustawiona na punkt danych przy lewym kursorze, gdzie światło jest włączone. Początkowy spadek lepkości jonów, spowodowany zależnością lepkości jonów od temperatury podczas ogrzewania, został usunięty przez tę korektę linii bazowej. Czas t=0 jest tutaj umieszczony w punkcie, w którym światło jest włączone. Proces utwardzania prowadzi do wzrostu lepkości jonów, który jest widoczny po rozpoczęciu ekspozycji na światło UV.

Rysunek 3 przedstawia zestaw eksperymentalnych danych pomiarowych przy tym samym natężeniu promieniowania UV 75 ^mW/cm2, ale w różnych temperaturach. Lepkość jonówLepkość jonów jest odwrotnością przewodności jonów, która jest obliczana na podstawie współczynnika strat dielektrycznych.Lepkość jonów jest zależna od temperatury, co jest przyczyną różnych końcowych wartości eksperymentalnych w różnych temperaturach. W przypadku intensywności UV 75 mW/cm² Utwardzanie (reakcje sieciowania)W dosłownym tłumaczeniu termin "sieciowanie" oznacza "tworzenie sieci". W kontekście chemicznym stosuje się go do reakcji, w których cząsteczki są łączone ze sobą poprzez wprowadzenie wiązań kowalencyjnych i tworzenie trójwymiarowych sieci. utwardzanie nie jest w pełni zakończone po 8 minutach w temperaturach izotermicznych 30°C, 90°C i 150°C, ponieważ Lepkość jonówLepkość jonów jest odwrotnością przewodności jonów, która jest obliczana na podstawie współczynnika strat dielektrycznych.lepkość jonów nadal wykazuje niewielki wzrost.

Pomiar w najniższej temperaturze 30°C wykazuje wolniejszy wzrost krzywej lepkości jonowej niż w temperaturze 90°C, ponieważ szybkość utwardzania maleje wraz ze spadkiem temperatury. Reakcja w temperaturze 150°C jest nieco wolniejsza niż w temperaturze 90°C, ponieważ w wysokiej temperaturze etap zakończenia polimeryzacji rodnikowej staje się szybszy niż etap polimeryzacji. Naszym celem jest stworzenie modelu kinetycznego, który zależy zarówno od temperatury, jak i intensywności światła UV.

Rysunek 4 przedstawia zestaw pomiarów DEA w tej samej temperaturze 30°C dla intensywności promieniowania UV 75, 150 i 300 ^mW/cm2. Lepkość jonów wzrasta od minimalnej lepkości jonów, wskazując na początek utwardzania. Dla wszystkich krzywych eksperymentalnych lepkość jonów nadal wykazuje niewielki wzrost po czterech minutach. Rysunek ten pokazuje najszybsze Utwardzanie (reakcje sieciowania)W dosłownym tłumaczeniu termin "sieciowanie" oznacza "tworzenie sieci". W kontekście chemicznym stosuje się go do reakcji, w których cząsteczki są łączone ze sobą poprzez wprowadzenie wiązań kowalencyjnych i tworzenie trójwymiarowych sieci. utwardzanie przy najwyższym natężeniu światła UV 300 ^mW/cm2, najwolniejsze natężenie światła UV 75 ^mW/cm2 odpowiada najwolniejszemu tempu utwardzania.

Analiza kinetyczna

Kinetics Neo oprogramowanie służy do tworzenia ujednoliconego modelu dla różnych temperatur i intensywności światła UV.

Stopień konwersji

Stopień konwersji, α, jest obliczany przez oprogramowanie Kinetics Neo na podstawie pomiaru DEA, gdzie α waha się od 0 do 1. W analizie termicznej dla pomiarów izotermicznych konwersja jest definiowana operacyjnie jako efekt termoanalityczny obserwowany w czasie, t, podzielony przez całkowity efekt termoanalityczny. W przypadku DEA definicja konwersji termoanalitycznej jest następująca:

_ν0 to początkowa lepkość jonów w momencie włączenia światła UV
_νfinal to końcowa lepkość jonów dla utwardzonego materiału
ν(t) to bieżąca lepkość jonów w momencie, t

Szybkość reakcji zależy od temperatury T, natężenia promieniowania UV I i typu reakcji f(α):

Połączony model reakcji ^n-tego rzędu i autokatalityczny

gdzie współczynnik wagowy, _Kcat reprezentuje pre-wykładnik reakcji autokatalitycznej, a n i m są odpowiednio rzędami reakcji ^n-tego rzędu i reakcji autokatalitycznej [6].

Wpływ intensywności promieniowania UV na szybkość reakcji

Wpływ natężenia promieniowania UV na kinetykę reakcji oceniono przy użyciu zależności stałej szybkości od natężenia światła [4,5]. Stała szybkości, k, może być wyrażona jako (równanie 4):

gdzie _k0(T) jest stałą kinetyczną zależną od temperatury, _I/I0 jest względną intensywnością UV, gdzie względna intensywność 1 odpowiada w tym przypadku _I0 =75 ^mW/cm2, a _nUV jest parametrem dopasowania odzwierciedlającym wrażliwość szybkości reakcji na intensywność UV.

Rysunek 5 ilustruje wpływ temperatury i natężenia promieniowania UV na zachowanie utwardzania fotopolimerowych diakrylanów, mierzone metodą DEA (analiza dielektryczna). Wspólny model kinetyczny został utworzony przy użyciu oprogramowania Kinetics Neo oprogramowania. Symbole rombów reprezentują dane eksperymentalne, a linie ciągłe odpowiadają dopasowanym krzywym. Na rysunku UV = 1 odpowiada 75 mW/cm². Parametry kinetyki są wyszczególnione w tabeli 2.

Tabela 2: Parametry kinetyczne akrylanów fotopolimerowych na podstawie pomiarów DEA

Cnm: Reakcja ^n-tego rzędu z autokatalizą o mocy m

Model kinetyczny można teraz zastosować do przewidywania wyników w funkcji czasu, temperatury i względnego natężenia światła.

Rysunki 6 (a) i 6 (b) przedstawiają przewidywany stopień konwersji fotopolimerów diakrylanowych w warunkach izotermicznych (20 do 120°C) przy natężeniach światła 20 mW/cm² i 100 mW/cm².

Przy natężeniu promieniowania UV 100 mW/cm², końcowy stopień konwersji po 5 minutach wynosi od 0,98 do 0,99. Z kolei przy natężeniu promieniowania UV wynoszącym 20 mW/cm², końcowy stopień konwersji po 5 minutach spada, osiągając wartości od 0,88 do 0,96.

Przewidywanie wieloetapowe (sekwencja segmentów dynamicznych i izotermicznych)

Rysunek 7 przedstawia przewidywanie stopnia konwersji fotopolimerów diakrylanowych przy intensywności 20 mW/cm² w warunkach wieloetapowych (segmenty dynamiczne i izotermiczne). Korzystając z tego programu temperaturowego, przedstawionego w tabeli 3, proces można zoptymalizować, aby skuteczniej osiągnąć pożądany stopień konwersji.

Tabela 3: Prognozy wieloetapowe

Wnioski

Analiza dielektryczna (DEA) jest skutecznym narzędziem do monitorowania fotopolimerów UV. Może być stosowana nie tylko w laboratorium, ale także bezpośrednio na linii produkcyjnej. W połączeniu z oprogramowaniem Kinetics Neo oprogramowaniem, pomiary DEA okazały się skuteczne w określaniu parametrów kinetycznych, które są funkcją zarówno temperatury, jak i intensywności promieniowania UV. Oprogramowanie Termica Neo wnosi znaczącą wartość dodaną poprzez symulację zachowania termicznego warstw fotopolimerowych, przewidywanie ewolucji temperatury, identyfikację potencjalnych hotspotów oraz umożliwienie optymalizacji grubości warstwy i warunków utwardzania.

Korzyści z analizy kinetycznej i symulacji termicznej

Zoptymalizowane Utwardzanie (reakcje sieciowania)W dosłownym tłumaczeniu termin "sieciowanie" oznacza "tworzenie sieci". W kontekście chemicznym stosuje się go do reakcji, w których cząsteczki są łączone ze sobą poprzez wprowadzenie wiązań kowalencyjnych i tworzenie trójwymiarowych sieci. utwardzanie i kontrola jakości: Przewiduj i osiągaj pożądany stopień utwardzenia, zapewniając spójne właściwości materiału i redukując defekty w produktach drukowanych w 3D lub powlekanych.

Szybszy rozwój i wydajność procesu: Wykorzystaj modele kinetyczne i symulacje, aby skrócić czas eksperymentów typu "prób i błędów", przyspieszając prace badawczo-rozwojowe i konfigurację produkcji dla nowych formuł fotopolimerów lub procesów AM.