Introducere
Sistemul de rășină dezvoltat de Centrul European pentru Tehnologii de Dispersie (EZD) a fost meticulos conceput pentru a fi utilizat într-o varietate de aplicații, inclusiv cerneluri, acoperiri și producție aditivă. Un element central al performanței sale este înțelegerea comportamentului său de întărire, care este analizat prin studii cinetice ale modulului de stocare. Polimerizarea la UV, care implică Vindecare (reacții de reticulare)Tradus literal, termenul "crosslinking" înseamnă "rețea încrucișată". În context chimic, este utilizat pentru reacțiile în care moleculele sunt legate între ele prin introducerea de legături covalente și formarea de rețele tridimensionale. reacții de reticulare care creează legături covalente și formează rețele tridimensionale, este o caracteristică esențială a acestei rășini. Modulul de stocare, o măsură a rigidității unui material în timpul întăririi, oferă informații esențiale cu privire la cinetica întăririi și ajută la predicția comportamentului rășinii în diferite condiții. Prin combinarea polimerizării UV cu postpolimerizarea termică, sistemul de rășină obține proprietăți optime ale materialului, cum ar fi duritatea, elasticitatea și rezistența chimică. Această abordare nu numai că asigură o întărire rapidă și eficientă, dar îmbunătățește și performanța în aplicații din industrii precum tipărirea, prelucrarea lemnului, industria auto, electronică, tehnologie medicală, optică, aerospațială și ambalarea alimentelor. Analiza cinetică a modulului de stocare permite predicții precise ale comportamentului de întărire a rășinii.
Condiții de măsurare
Probele au fost produse folosind imprimarea 3D la SKZKFE gGmbH și analizate cu un NETZSCH DMA 303 Eplexor® (figura 1). Cei mai importanți parametri de măsurare sunt sintetizați în tabelul 1.
Tabelul 1: Condițiile de măsurare ale DMA 303 Eplexor®
| Suportul probei | încovoiere în 3 puncte, suporturi flexibile de 30 mm |
|---|---|
| Grosimea probei | Aproximativ 2 mm |
| Lățimea probei | Aprox. 10 mm |
| Forță dinamică maximă | 10 N |
| Amplitudine dinamică | 50 μm |
| Frecvență | 1 Hz |
| Rata de încălzire | 5 K/min |
| Temperatura țintă | 180°C, 200°C., 210°C și 220°C |
| Segment izoterm | 5 h, fiecare la temperatura țintă |
Rezultatele măsurătorilor și discuții
Pentru a determina temperatura ideală de întărire pentru noul sistem de rășină, probele au fost încălzite cu 5 K/min de la temperatura camerei la temperaturi țintă de 180°C, 200°C, 210°C și, respectiv, 220°C și au fost menținute izoterm timp de 5 h după atingerea temperaturii pentru a analiza posibila creștere a modulului de stocare în timpul perioadei de menținere; a se vedea figura 2.
Se poate observa că, odată cu creșterea temperaturii de întărire (segmente izoterme), se pot obține valori mai mari ale modulului și că, de asemenea, creșterea are loc mai rapid la temperaturi mai ridicate. Numai la 220°C (curba albastră) apare un efect negativ. După o creștere inițială a valorii modulului, aceasta începe să scadă după aproximativ 80 de minute din timpul total de măsurare, ceea ce este un indicator al fragilizării materialului. Astfel, se poate presupune că, la 220°C, se produce deja deteriorarea materialului.
Valorile modulului realizabil după 300 de minute arată o creștere considerabilă cu temperatura. Cu toate acestea, această diferență nu este atât de semnificativă între 200°C (curba roșie) și 210°C (curba verde).
Analiza cinetică a reacției de postvulcanizare
Software-ul Kinetics Neo permite determinarea parametrilor cinetici ai unei reacții chimice. De asemenea, permite prezicerea modulului de stocare din proprietățile mecanice utilizând analiza mecanică dinamică (DMA). Măsurătorile pentru analiza cinetică sunt efectuate la diferite temperaturi izoterme și sunt prezentate în figura 2.
Folosind aceste măsurători, Kinetics Neo este capabil să determine numărul de etape care descriu reacția de întărire. Pentru fiecare dintre aceste etape, software-ul calculează, de asemenea, parametrii cinetici, și anume tipul de reacție, energia de activare și ordinea reacției.
Figura 3 prezintă măsurătorile efectuate la diferite temperaturi izoterme după eliminarea liniei de bază. Se utilizează o linie de bază orizontală pornind de la punctul cu E' minimă. Deoarece măsurătorile mecanice indică deja o reacție într-o singură etapă, pentru analiza cinetică este selectat un model cu autocataliză de ordinul Cn, nth.
Figura 3 prezintă curbele măsurate sub formă de simboluri și modelul adaptat sub formă de linii continue.
Adaptarea modelului este calculată pentru temperatura utilizată în experiment cu ajutorul programului Kinetics Neo. Tabelul 2 prezintă parametrii cinetici optimi utilizați pentru calcul. Abaterea dintre curbele măsurate și cele calculate arată diferențele în pregătirea probei. Cu toate acestea, coeficientul ridicat de determinare R2 = 0,995 indică o concordanță puternică între model și datele experimentale.
Tabelul 2: Parametrii cinetici, calculați prin Kinetics Neo
| Etapa 1 (unități) | |
| Energie de activare | 50.319 (kJ/mol) |
| Log(PreExp) | 2.591 log (s-1) |
| ReactOrder n | 2.591 |
| Log (AutocatPreexp) | 0.01 log (s-1) |
| Contribuție | 1 |
Simularea întăririi pentru condiții specifice utilizatorului
Pe baza parametrilor cinetici determinați, Kinetics Neo este capabil să calculeze comportamentul probei pentru orice condiție de timp/temperatură, aproape de temperaturile experimentale.
Ca exemplu, figurile 4 și 5 descriu gradul de întărire a rășinii la diferite temperaturi izoterme de la 180°C la 215°C timp de 5 ore și, respectiv, 10 ore. După cum era de așteptat, întărirea are loc mai rapid la temperaturi mai ridicate.
Este necesară o perioadă mai lungă pentru a asigura întărirea completă. De exemplu, după 5 ore, gradul de întărire ajunge la 0,940, iar peste 16 ore, la 0,972. Vindecarea completă poate dura câteva ore sau zile, în funcție de temperatură.
Concluzie
Proprietățile mecanice ale unui sistem de rășină polimerizată cu UV după polimerizarea termică au fost evaluate utilizând analiza mecanică dinamică (DMA). Măsurătorile izoterme au fost efectuate la temperaturi diferite: 180°C, 200°C, 210°C și 220°C. Datele au fost analizate utilizând software-ul Kinetics Neo și a fost dezvoltat un model cinetic pentru a prezice gradul de întărire. Acest model poate fi aplicat nu numai la temperaturile și duratele măsurate, ci și la condiții care nu au fost testate experimental. Ca urmare, acesta permite identificarea parametrilor care ating un anumit grad de întărire în cel mai scurt timp sau la cea mai scăzută temperatură, în funcție de obiectivul de optimizare. Această abordare reduce numărul de teste fizice necesare, economisind atât timp, cât și costuri, accelerând în același timp procesul general pentru utilizatori.
Avantajele analizei cinetice
Costuri experimentale reduse
Kinetics Neo software-ul reduce necesitatea unor teste fizice numeroase și costisitoare prin optimizarea numărului de teste necesare. Acest lucru permite clienților să economisească timp și bani, accelerând în același timp procesul general.
Optimizarea ciclurilor de întărire
Software-ul ajută Identify să stabilească temperatura și timpul optim de post-curățare pentru a obține cea mai bună conversie a materialului. Acest lucru asigură eficiența producției, prevenind probleme precum post-curățarea excesivă sau insuficientă.
Personalizare și flexibilitate
Clienții pot ajusta procesul de întărire pentru a îndeplini cerințele specifice ale aplicației, indiferent dacă au nevoie ca materialele să fie mai flexibile sau mai rigide. Această flexibilitate asigură faptul că produsul final se aliniază perfect cu nevoile lor, reducând nevoia de teste suplimentare.