Application note – polymer / ultraviolet (UV) curable resin
DSC-UV
เครื่องมือวิเคราะห์สมบัติระบบการบ่ม/อบด้วยแสงยูวี
(UV-CURING SYSTEMS CHARACTERIZATION)
Market and industry overview
ภาพกว้างตลาดและอุตสาหกรรม
ระบบการบ่มเรซินด้วยแสงยูวี (Ultraviolet (UV) – curable resin systems) มีการใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การเคลือบ , แล็กเกอร์ เนื่องจากความสามารถในการทําแห้งอย่างรวดเร็วด้วยการใช้พลังงานที่น้อยลง และมีการปลดปล่อยมลพิษ/สารระเหยที่ต่ำ
1 ในปี 2015 ขนาดของตลาดยูวีเรซิ่นนั้น ถูกประเมินมูลค่ากว่า 3.5 พันล้านเหรียญสหรัฐและคาดว่าจะเติบโตสูงเกินกว่า 8.6 ล้านเหรียญสหรัฐในปี 2023 เทียบเท่ากับการเติบโตมากกว่า 9.2% ต่อปี
2 เทรนด์ล่าสุดที่ส่งเสริมการเติบโตของตลาดยูวีเรซิ่นนี้ เชื่อว่าเป็นผลมาจากการพัฒนาของเทคโนโลยีอุตสาหกรรมการผลิตแบบเติมเนื้อ (additive manufacturing) ในกระบวนการพิมพ์ 3 มิติ เช่น เทคนิค DLP (Digital Light Processing) หรือ CLIP (Continuous Liquid Interface Production) ซึ่งมีการใช้แสงยูวีร่วมด้วยสามารถช่วยให้เวลาในการผลิตชิ้นงานเร็วขึ้นกว่า 100 เท่าจากการพิมพ์ 3 มิติแบบวิธีอื่นๆ
1 UV-Curable Resins Market Size, Industry Analysis Report
– Global Market Insights, 2019
2 Tumbleston et. al., Science, 347, 2015
Further development and innovation
การพัฒนาต่อยอดและสร้างนวัตกรรม
การวิจัยเพื่อพัฒนาสมบัติของวัสดุพอลิเมอร์เรซิ่นชนิดนี้ จึงถือเป็นปัจจัยสำคัญในการพัฒนาการเติบโตของตลาดและอุตสาหกรรมนี้
เครื่อง Differential Scanning Calorimeter บวกกับแหล่งกําเนิดแสงยูวี (Photo-DSC) เป็นอุปกรณ์ที่สําคัญและมีประโยชน์ในการหาสภาวะบ่มที่ดีที่สุด (Optimal cure conditions) รวมถึงการหาสมบัติต่างๆของวัสดุ เช่น
• จลนพลศาสตร์ปฏิกิริยาการบ่ม (curing kinetics)
• การเปลี่ยนเฟส (phase transitions)
• ผลกระทบของการใส่สารตัวเติม (influence of additives)
ADVANTAGES
จุดเด่นของการใช้ยูวีในการบ่ม
• บ่มตัวเร็ว
• ใช้พลังงานน้อย
• เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
APPLICATIONS
อุตสาหกรรมที่ใช้
• Additive manufacturing (3D printing)
• Adhesives
• Dental
Figure 1
Equipment set up
Differential Scanning Calorimeter
Model: Chip-DSC 10
Manufacturer: Linseis (Germany)
UV Light source
Model: DELOLUX 80/400
Manufacturer: DELO (Germany)
Figure 2
Determination of UV-curing enthalpy
by light pulses
Figure 3
Determination of thermal-curing enthalpy
by heating
Figure 4
Comparison between fresh and aged resin
reaction enthalpy
Dual-cure resin
เรซิ่นชนิดบ่มตัว 2 แบบ
3 สูตรเรซิ่น สำหรับอุตสาหกรรมการผลิตแบบเติมเนื้อ (additive manufacturing) นั้นนิยมใช้เรซิ่นที่เรียกว่า เรซิ่นชนิดบ่มตัว 2 แบบ (dual-cureresin) ซึ่งประกอบด้วยส่วนที่สามารถบ่มตัวด้วยแสง (photo-curecomponent) และส่วนที่บ่มตัวด้วยความร้อน (thermal-curecomponent) ส่วนที่บ่มด้วยแสง สามารถช่วยทำให้การพิมพ์ของแต่ละชั้นแห้งได้อย่างรวดเร็ว ในขณะที่ส่วนที่บ่มด้วยความร้อนนั้น จะช่วยในการเสริมประสิทธิภาพสมบัติทางความร้อนและทางกลของวัสดุพิมพ์ เมื่อผ่านการอบในตู้อบในขั้นตอนที่ 2 ของการบ่ม
ในกรณีการทดสอบนี้ มีการใช้ตัวอย่างซึ่งประกอบด้วยส่วนผสมของอะคริเลต (acrylate) ที่สามารถบ่มโดยใช้แสง และ อิพ็อคซี่ (epoxy) ที่สามารถบ่มโดยใช้ความร้อน เป็นปริมาณ 10 mg ใส่ลงในถ้วยเปล่า พร้อมกับฉายแสงยูวี (ขนาดความยาวคลื่น 405 nm, 100% Amplitude, ระยะห่างต้นกําเนิดแสง 45 mm) ในลักษณะ pulse ครั้งละ 1 วินาที ทุกๆ 1 นาที จนไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงในพื้นที่พีค (peakarea) การฉายแสงนั้น เริ่มหลังจาก 2 นาที เพื่อให้มั่นใจว่าสภาวะทดสอบอยู่ใน isothermal condition ที่ 50 องศาเซลเซียสแล้ว (Figure 2)
จากนั้น วิเคราะห์หาปริมาณความร้อนของปฏิกิริยาของส่วนที่บ่มตัวด้วยแสงยูวี โดยการคำนวณความต่างระหว่างพีคแรกและพีคสุดท้ายจากการฉายแสง จาก Figure 2 เราสามารถเห็นได้ว่าวัสดุมีการบ่มตัวเกือบสมบูรณ์ หลังจากการฉายแสงครั้งแรก
ในขั้นตอนถัดมา เราสามารถหาความเข้มข้น (concentration) และความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยา (reactivity) ของระบบส่วนบ่มด้วยความร้อน โดยการใช้การควบคุมอุณหภูมิแบบความชัน (ramps) ในอัตราต่างๆ ถึง 300 องศาเซลเซียสต่อนาที (Figure 3)
3 A. Uzcategui et. al., Advanced Engineering Materials, 20, 12, 2018
Storage stability / Quality control
ความเสถียรการเก็บ / การควบคุมคุณภาพสินค้า
ในการควบคุมคุณภาพสินค้าให้สม่ำเสมอนั้น จําเป็นที่จะต้องมีวิธีการทดสอบที่สามารถแยกแยะระหว่างสมบัติของสินค้าที่ผลิตใหม่และสินค้าที่ผ่านการเก็บหรือสามารถแยกแยะระหว่างองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ในล็อตที่แตกต่างกัน
Figure 4 เป็นผลการทดสอบความเสถียรในการเก็บ (Storage stability) ของผลิตภัณฑ์ยูวีเรซิ่น สําหรับงานพิมพ์ 3 มิติ (รุ่น Formlabs white v4) ซึ่งเปรียบเทียบค่าพลังงานของตัวอย่างสินค้าที่ผลิตใหม่และสินค้าที่ถูกเก็บในภาชนะเปิดเป็นระยะเวลา 1 ปี
จากการทดสอบพบว่า ค่าพลังงาน Enthalpy ของตัวอย่างที่ถูกเก็บในภาชนะเปิดเป็นระยะเวลา 1 ปีนั้น ไม่มีการลดลงแต่อย่างใด เมื่อเปรียบเทียบกับค่าพลังงานของตัวอย่างที่ผลิตขึ้นใหม่
สรุปได้ว่า การวิเคราะห์ด้วย DSC รวมกับการใช้แสง UV/LED สามารถวิเคราะห์ ระบบการบ่มเรซิ่นด้วยแสงและวิเคราะห์กลไลการบ่มด้วยความร้อนที่สามารถบ่งชี้คุณภาพของตัวอย่างการรับประกันคุณภาพ (ความสามารถในการทำปฏิกิริยา) สินค้าของบริษัทอยู่ที่ 1 ปี อย่างไรก็ตามการเสื่อมตัวภายหลัง 1 ปี จะเป็นอย่างไร ยังจําเป็นที่จะต้องมีการศึกษาเพิ่มเติม
การทดลองวิจัยโดย
University of Bayreuth – Department of Polymer Engineering
มหาวิทยาลัยไบรอยท์ – ภาควิชาวิศวกรรม พอลิเมอร์
ร่วมกับ
Linseis Messgeräte GmbH
บริษัท ลินไซส – บริษัทผู้ชํานาญการด้านเครื่องวิเคราะห์เชิงความร้อน
สนับสนุนตัวอย่างทดสอบอุปกรณ์ฉายแสงและคําแนะนําในการ setup เครื่องมือโดย
DELO Industrial Adhesives / DELO Industrie Klebstoffe GmbH & Co. KGaA
บริษัท เดโล่ – บริษัทผู้ผลิตกาวอุตสาหกรรมระดับผู้นํา
สนับสนุนทุนวิจัย โดย
European Regional Development Fund (ERDF)
กองทุนเพื่อการพัฒนาภูมิภาคสหภาพยุโรป
TEMPERATURE PERFORMANCE
Temperature range
Cooling system
Heating rate
Cooling time
Temperature accuracy
Temperature precision
-180 up to 600 °C
LN2 – quench cooling
0.001 up to 300 K/min
2.7 mins
±0.02 K
±0.2 K
MEASUREMENT PERFORMANCE
Sensor
Measuring range
Resolution
Digital resolution
Chip-DSC sensor
±2.5 up to ±1000 mW
0.03 μW
16.8 million points
AVAILABLE COUPLING OPTIONS
DSC-IMAGING
DSC-UV
DSC-RAMAN
