Değişken UV Işık Yoğunlukları Altında Fotopolimer Kürlenmesinin Kinetics Neo ve DEA Kullanılarak Kinetik Analizi, Bölüm 1

Giriş

Fotopolimerler, ışığa maruz kaldığında polimerleşen, sıvı monomerleri veya oligomerleri katı, işlevsel ağlara dönüştüren ışığa duyarlı malzemelerdir. Hızlı ve kontrol edilebilir kürlenme süreçleri onları mürekkepler, kaplamalar, yapıştırıcılar ve 3D baskı gibi uygulamalar için uygun hale getirir.

Multifoton litografi ve füzyon püskürtme (FJ) dahil olmak üzere yeni nesil katmanlı üretim (AM) süreçleri, yüksek çözünürlüklü, karmaşık geometriler ve çok malzemeli parçalar üretmek için bu malzemelerden yararlanır [1]. Bu süreçlerde, akrilat fotopolimerlerin kürlenme davranışı, kürlenme hızını ve nihai malzeme özelliklerini önemli ölçüde etkileyen hem UV ışık yoğunluğundan hem de sıcaklıktan güçlü bir şekilde etkilenir. AM süreçlerinde, malzemenin kürlenmesi katman katman yapılır ve tipik katman kalınlıkları 50 ila 100 μm civarındadır [2,3].

Bu çalışmanın amacı, dielektrik analiz (DEA) kullanarak farklı İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal koşullar ve UV ışık yoğunlukları altında fotopolimer diakrilatların kürlenme kinetiğini araştırmak ve Kinetics Neo kinetik analiz, tahmin ve süreç optimizasyonu için yazılım [7].

Ölçüm Koşulları

VZA ölçümleri, tablo 1'de listelenen ölçüm koşulları altında DEA 288 Ionic (şekil 1) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen DEA eğrileri kinetik analiz için temel oluşturmaktadır.

Çoklu sensörler, sıcaklığın hassas bir şekilde ölçülmesini sağlayarak optimum performans ve kaliteyi garanti eder.

Tablo 1: Ölçüm koşulları

Ölçüm Sonuçları ve Tartışma

Şekil 2, 75 ^mW/cm2 yoğunluğunda UV ışığına maruz kalma altında 150°C'de tipik deneysel veri eğrisini göstermektedir. Yatay taban çizgisi, ışığın açıldığı sol imleçteki veri noktasına ayarlanmıştır. Isıtma sırasında iyon viskozitesinin sıcaklığa bağlı olmasından kaynaklanan iyon viskozitesindeki ilk düşüş, bu taban çizgisi düzeltmesi ile giderilmiştir. Zaman t=0 burada ışığın açıldığı noktaya yerleştirilmiştir. Kürleme işlemi, UV ışığına maruz kalmaya başladıktan sonra görülen artan bir iyon viskozitesine yol açar.

Şekil 3, 75 ^mW/cm2'lik aynı UV yoğunluğunda ancak farklı sıcaklıklarda ölçülen deneysel verileri sunmaktadır. İyon viskozitesi sıcaklığa bağlıdır ve farklı sıcaklıklardaki farklı nihai deneysel değerlerin nedeni budur. İyon viskozitesi hafif bir artış göstermeye devam ettiğinden, 75 mW/cm² UV yoğunluğu için, 30°C, 90°C ve 150°C İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal sıcaklıklarda 8 dakika sonra kürlenme tam olarak tamamlanmamıştır.

En düşük sıcaklık olan 30°C'deki ölçüm, iyon viskozite eğrisinde 90°C'dekinden daha yavaş bir artış gösterir çünkü sıcaklık düştükçe kürlenme hızı azalır. 150°C'deki reaksiyon 90°C'ye göre biraz daha yavaştır çünkü yüksek sıcaklıkta radikal polimerizasyonundaki sonlandırma adımı polimerizasyon adımından daha hızlı hale gelir. Amacımız hem sıcaklığa hem de UV ışığının yoğunluğuna bağlı bir kinetik model oluşturmaktır.

Şekil 4, 75, 150 ve 300 ^mW/cm2 UV yoğunlukları için aynı 30°C sıcaklıkta DEA ölçümleri setini sunmaktadır. İyon viskozitesi, kürlenmenin başladığını gösteren minimum iyon viskozitesinden itibaren artmaktadır. Tüm deneysel eğriler için, iyon viskozitesi dört dakika sonra hafif bir artış göstermeye devam eder. Bu şekil, 300 ^mW/cm2 UV ışığının en yüksek yoğunluğunda en hızlı kürlenmeyi gösterirken, 75 ^mW/cm2 UV ışığının en yavaş yoğunluğu en yavaş kürlenme oranına karşılık gelmektedir.

Kinetik Analiz

Kinetics Neo yazılımı, UV ışığının farklı sıcaklık ve yoğunlukları için birleşik bir model oluşturmak için kullanılır.

Dönüşüm Derecesi

Dönüşüm derecesi, α, Kinetics Neo yazılımı tarafından VZA ölçümünden hesaplanır, burada α 0 ile 1 arasında değişir. İzotermal ölçümler için termal analizde, dönüşüm operasyonel olarak t zamanında gözlemlenen termoanalitik etkinin toplam termoanalitik etkiye bölünmesiyle tanımlanır. DEA için termoanalitik dönüşüm tanımı aşağıdaki gibidir:

_ν0 UV ışığının açıldığı andaki başlangıç iyon viskozitesidir
_νfinal kürlenmiş malzeme için nihai iyon viskozitesidir
ν(t)t anındaki mevcut iyon viskozitesidir

Reaksiyon hızı sıcaklığa, T, UV yoğunluğuna, I ve reaksiyon tipine, f(α) bağlıdır:

Kombine ⁿ. derece ve otokatalitik reaksiyon modeli

burada ağırlık faktörü, _Kcat otokatalitik reaksiyonun ön-eksponentini temsil eder ve n ve m sırasıyla ⁿ. dereceden reaksiyonun ve otokatalitik reaksiyonun reaksiyon mertebeleridir [6].

UV Yoğunluğunun Reaksiyon Hızı Üzerindeki Etkisi

UV yoğunluğunun reaksiyon kinetiği üzerindeki etkisi, hız sabitinin ışık yoğunluğuna power-law bağımlılığı kullanılarak değerlendirilmiştir [4,5]. Hız sabiti, k, şu şekilde ifade edilebilir (denklem 4):

burada _k0(T) sıcaklığa bağlı kinetik sabit, _I/I0 bağıl UV yoğunluğu olup, 1 bağıl yoğunluğu bu durumda _I0 =75 ^mW/cm2'ye karşılık gelir ve _nUV reaksiyon hızının UV yoğunluğuna duyarlılığını yansıtan bir uyum parametresidir.

Şekil 5, sıcaklık ve UV yoğunluğunun, DEA (dielektrik analiz) ile ölçülen fotopolimer diakrilatların kürlenme davranışı üzerindeki etkilerini göstermektedir. Kullanılarak ortak bir kinetik model oluşturulmuştur Kinetics Neo yazılım. Eşkenar dörtgen semboller deneysel verileri, düz çizgiler ise uydurulan eğrileri temsil etmektedir. Şekilde, UV = 1 75 mW/cm²'ye karşılık gelmektedir. Kinetik parametreler Tablo 2'de ayrıntılı olarak verilmiştir.

Tablo 2: Fotopolimer akrilatların DEA ölçümlerine dayalı kinetik parametreleri

Cnm: M-güçlü otokataliz ile ⁿ. dereceden reaksiyon

Kinetik model artık zaman, sıcaklık ve bağıl yoğunluğun bir fonksiyonu olarak sonuçları tahmin etmek için uygulanabilir.

Şekil 6 (a) ve 6 (b), 20 mW/cm² ve 100 mW/cm² ışık yoğunluklarında İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal koşullar altında (20 ila 120°C) diakrilat fotopolimerlerin öngörülen dönüşüm derecesini sunmaktadır.

UV yoğunluğu 100 mW/cm² olduğunda, 5 dakika sonra nihai dönüşüm derecesi 0,98 ila 0,99 arasında değişmektedir. Buna karşılık, 20 mW/cm²'lik bir UV yoğunluğunda, 5 dakika sonra nihai dönüşüm azalır ve 0,88 ile 0,96 arasında değerlere ulaşır.

Çok Adımlı Tahmin (Dinamik ve İzotermal Segmentler Dizisi)

Şekil 7, çok adımlı koşullar altında (dinamik ve İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal segmentler) 20 mW/cm² yoğunlukta diakrilat fotopolimerler için dönüşüm derecesinin adım tahminini göstermektedir. Tablo 3'te özetlenen bu sıcaklık programı kullanılarak proses, istenen dönüşüm derecesini daha verimli bir şekilde elde etmek için optimize edilebilir.

Tablo 3: Çok adımlı tahminler

Sonuç

Dielektrik Analiz (DEA) UV fotopolimerlerin izlenmesi için etkili bir araçtır. Sadece laboratuvarda değil, doğrudan üretim hattında da kullanılabilir. İle birleştirildiğinde Kinetics Neo yazılımı sayesinde, DEA ölçümlerinin hem sıcaklık hem de UV yoğunluğunun bir fonksiyonu olan kinetik parametreleri etkili bir şekilde belirlediği kanıtlanmıştır. Termica Neo yazılımı, fotopolimer katmanların termal davranışını simüle ederek, sıcaklık gelişimini tahmin ederek, potansiyel sıcak noktaları belirleyerek ve katman kalınlığının ve Kürleşme (Çapraz Bağlanma Reaksiyonları)Kelimenin tam anlamıyla tercüme edildiğinde, "çapraz bağlama" terimi "çapraz ağ oluşturma" anlamına gelir. Kimyasal bağlamda, moleküllerin kovalent bağlarla birbirine bağlandığı ve üç boyutlu ağlar oluşturduğu reaksiyonlar için kullanılır. kürleme koşullarının optimizasyonunu sağlayarak önemli bir değer katar.

Kinetik Analiz ve Termal Simülasyonun Faydaları

Optimize Edilmiş Kürlenme ve Kalite Kontrol: İstenen kürlenme derecesini tahmin edin ve elde edin, tutarlı malzeme özellikleri sağlayın ve 3D baskılı veya kaplamalı ürünlerdeki kusurları azaltın.

Daha Hızlı Geliştirme ve Süreç Verimliliği: Yeni fotopolimer formülasyonları veya AM süreçleri için Ar-Ge ve üretim kurulumunu hızlandırarak deneme yanılma deneylerini kısaltmak için kinetik modelleri ve simülasyonları kullanın.