Inledning
Det hartssystem som utvecklats av European Centre for Dispersion Technologies (EZD) har noggrant utformats för användning i en mängd olika applikationer, inklusive bläck, beläggningar och additiv tillverkning. Centralt för dess prestanda är förståelsen av dess härdningsbeteende, som analyseras genom kinetiska studier av lagringsmodulen. UV-Härdning (tvärbindningsreaktioner)Termen "crosslinking" betyder bokstavligen översatt "tvärnätverk". I kemiska sammanhang används det för reaktioner där molekyler länkas samman genom att införa kovalenta bindningar och bilda tredimensionella nätverk.härdning, som innebär Härdning (tvärbindningsreaktioner)Termen "crosslinking" betyder bokstavligen översatt "tvärnätverk". I kemiska sammanhang används det för reaktioner där molekyler länkas samman genom att införa kovalenta bindningar och bilda tredimensionella nätverk.tvärbindningsreaktioner som skapar kovalenta bindningar och bildar tredimensionella nätverk, är en viktig egenskap hos detta harts. Lagringsmodulen, som är ett mått på ett materials styvhet under Härdning (tvärbindningsreaktioner)Termen "crosslinking" betyder bokstavligen översatt "tvärnätverk". I kemiska sammanhang används det för reaktioner där molekyler länkas samman genom att införa kovalenta bindningar och bilda tredimensionella nätverk.härdning, ger viktiga insikter i härdningskinetiken och hjälper till att förutsäga hartsets beteende under olika förhållanden. Genom att kombinera UV-Härdning (tvärbindningsreaktioner)Termen "crosslinking" betyder bokstavligen översatt "tvärnätverk". I kemiska sammanhang används det för reaktioner där molekyler länkas samman genom att införa kovalenta bindningar och bilda tredimensionella nätverk.härdning med termisk efterhärdning uppnår hartssystemet optimala materialegenskaper som hårdhet, elasticitet och kemisk resistens. Detta tillvägagångssätt säkerställer inte bara snabb och effektiv Härdning (tvärbindningsreaktioner)Termen "crosslinking" betyder bokstavligen översatt "tvärnätverk". I kemiska sammanhang används det för reaktioner där molekyler länkas samman genom att införa kovalenta bindningar och bilda tredimensionella nätverk.härdning utan förbättrar också prestandan i applikationer inom branscher som tryck, träbearbetning, fordonsindustri, elektronik, medicinteknik, optik, flyg och livsmedelsförpackningar. Kinetisk analys av lagringsmodulen ger möjlighet till exakta förutsägelser av hartsets härdningsbeteende.
Mätförhållanden
Proverna tillverkades med hjälp av 3D-printing hos SKZKFE gGmbH och analyserades med en NETZSCH DMA 303 Eplexor® (figur 1). De viktigaste mätparametrarna sammanfattas i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden för mätning med DMA 303 Eplexor®
| Provhållare | 3-punktsböjning, 30 mm flexibla stöd |
|---|---|
| Provets tjocklek | Ca 2 mm |
| Provets bredd | Ca 10 mm |
| Max dynamisk kraft | 10 N |
| Dynamisk amplitud | 50 μm |
| Frekvens | 1 Hz |
| Uppvärmningshastighet | 5 K/min |
| Måltemperatur | 180°C, 200°C, 210°C och 220°C |
| IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.Isotermiskt segment | 5 h, vardera vid måltemperaturen |
Mätresultat och diskussion
För att bestämma den ideala härdningstemperaturen för det nya hartssystemet upphettades proverna med 5 K/min från rumstemperatur till måltemperaturerna 180°C, 200°C, 210°C respektive 220°C och hölls isotermt i 5 timmar efter att temperaturen uppnåtts för att analysera den eventuella ökningen av lagringsmodulen under hålltiden; se figur 2.
Man kan se att med ökande härdningstemperatur (isotermiska segment) kan högre modulvärden uppnås och att ökningen också sker snabbare vid högre temperaturer. Det är först vid 220°C (blå kurva) som en negativ effekt uppträder. Efter en initial ökning av modulvärdet börjar det sjunka efter ca 80 minuter av den totala mättiden, vilket är en indikator på försprödning av materialet. Man kan alltså anta att materialskador uppstår redan vid 220°C.
De uppnåeliga modulvärdena efter 300 minuter visar en avsevärd ökning med temperaturen. Skillnaden är dock inte så stor mellan 200°C (röd kurva) och 210°C (grön kurva).
Kinetisk analys av efterhärdningsreaktionen
Programvaran Kinetics Neo gör det möjligt att bestämma de kinetiska parametrarna för en kemisk reaktion. Den gör det också möjligt att förutsäga lagringsmodulen utifrån mekaniska egenskaper med hjälp av dynamisk mekanisk analys (DMA). Mätningar för kinetisk analys utförs vid olika isotermiska temperaturer och visas i figur 2.
Med hjälp av dessa mätningar kan Kinetics Neo bestämma antalet steg som beskriver härdningsreaktionen. För vart och ett av dessa steg beräknar programvaran också de kinetiska parametrarna, dvs. reaktionstyp, aktiveringsenergi och reaktionsordning.
Figur 3 visar de mätningar som utförts vid olika isotermiska temperaturer efter borttagning av baslinjen. En horisontell baslinje används med början från punkten med minimal E'. Eftersom de mekaniska mätningarna redan indikerar en enstegsreaktion, väljs en modell med Cn, n:te ordningens autokatalys för kinetisk analys.
I figur 3 visas de uppmätta kurvorna som symboler och modellanpassningen som heldragna linjer.
Modellanpassningen beräknas för den temperatur som användes i försöket med hjälp av programvaran Kinetics Neo. I tabell 2 visas de optimala kinetiska parametrar som använts för beräkningen. Avvikelsen mellan de uppmätta och beräknade kurvorna visar skillnaderna i provberedningen. Den höga bestämningskoefficienten R2 = 0,995 indikerar dock en stark överensstämmelse mellan modellen och de experimentella uppgifterna.
Tabell 2: Kinetiska parametrar, beräknade genom Kinetics Neo
| Steg 1 (enheter) | |
| Aktiveringsenergi | 50.319 (kJ/mol) |
| Log(PreExp) | 2.591 log (s-1) |
| ReactOrder n | 2.591 |
| Log (AutocatPreexp) | 0.01 log (s-1) |
| Bidrag | 1 |
Simulering av härdning för användarspecifika förhållanden
Baserat på de fastställda kinetikparametrarna kan Kinetics Neo beräkna provets beteende för alla tids- och temperaturförhållanden, nära experimentella temperaturer.
Som ett exempel visar figurerna 4 och 5 hartsets härdningsgrad vid olika isotermiska temperaturer från 180°C till 215°C under 5 timmar respektive 10 timmar. Som väntat sker härdningen snabbare vid högre temperaturer.
En längre period behövs för att säkerställa fullständig Härdning (tvärbindningsreaktioner)Termen "crosslinking" betyder bokstavligen översatt "tvärnätverk". I kemiska sammanhang används det för reaktioner där molekyler länkas samman genom att införa kovalenta bindningar och bilda tredimensionella nätverk.härdning. Till exempel, efter 5 timmar når härdningsgraden 0,940 och efter 16 timmar når den 0,972. Fullständig härdning kan ta flera timmar eller dagar, beroende på temperaturen.
Slutsats
De mekaniska egenskaperna hos ett UV-härdat hartssystem efter termisk härdning utvärderades med hjälp av dynamisk mekanisk analys (DMA). Isotermiska mätningar utfördes vid olika temperaturer: 180°C, 200°C, 210°C och 220°C. Data analyserades med hjälp av programvaran Kinetics Neo, och en kinetikmodell utvecklades för att förutsäga härdningsgraden. Denna modell kan inte bara tillämpas på de uppmätta temperaturerna och varaktigheterna utan även på förhållanden som inte testats experimentellt. På så sätt kan man identifiera parametrar som ger en viss härdningsgrad på kortast möjliga tid eller vid lägsta temperatur, beroende på optimeringsmål. Detta tillvägagångssätt minskar antalet fysiska tester som krävs, vilket sparar både tid och kostnader, samtidigt som det påskyndar den övergripande processen för användarna.
Fördelar med kinetisk analys
Lägre experimentella kostnader
Kinetics Neo software minskar behovet av många och kostsamma fysiska försök genom att optimera antalet tester som krävs. Detta gör att kunderna kan spara både tid och pengar samtidigt som den övergripande processen snabbas upp.
Optimering av härdningscykler
Programvaran hjälper Identify att hitta den optimala efterhärdningstemperaturen och -tiden för att uppnå bästa möjliga materialomvandling. Detta säkerställer produktionseffektiviteten och förhindrar problem som över- eller underhärdning.
Anpassning och flexibilitet
Kunderna kan justera härdningsprocessen för att uppfylla specifika applikationskrav, oavsett om de behöver material som är mer flexibla eller mer styva. Denna flexibilitet säkerställer att slutprodukten passar perfekt med deras behov, vilket minskar behovet av ytterligare försök.