Synthesis and characterization of UV-curable and ceramic slurry-loaded epoxy acrylate resin for 3D printing application
3D baskı uygulaması için UV ile kürlenebilen ve seramik bulamaç yüklü epoksi akrilat reçinenin sentezi ve karakterizasyonu
- Tez No: 863500
- Danışmanlar: PROF. DR. YEŞİM GÜRSEL, DR. MERVE GÜRTEKİN SEDEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 104
Özet
3D baskıya yönelik fotokimyasal yöntem, çevre, ekonomi ve üretim açısından avantajlara sahip olan monomerleri ve oligomerleri içeren fotopolimerizasyon işlemleri yoluyla yeni ürünlerin üretilmesine olanak tanıdığı için oldukça çekici yöntemlerden biridir. Geleneksel yöntemlerin aksine, 3D baskıda, geometrik kısıtlamaların üstesinden gelirken karmaşık 3D nesnelerin ve yapıların gelişmiş tasarımını ve üretimini mümkün kılmak için katman katman bir yaklaşım kullanılır. Üç boyutlu (3D) baskı, bilgisayar destekli tasarım (CAD) kullanımıyla, polimer gibi farklı malzemelerin üst üste konularak kalıplara ihtiyaç duymadan ürün oluşturulmasını sağlayan bir eklemeli imalat tekniğidir. Bir fotobaşlatıcı sistem varlığında belirli bir dalga boyundaki ışık kaynağına maruz bırakıldığında sertleşebilen veya fotopolimerleşebilen sistemler olan sıvı monomer ve oligomerlerin kullanılması, üç boyutlu fotopolimerizasyonun temelini oluşturur. 3D Fotopolimerizasyona geniş bir perspektiften bakıldığında bu yaklaşım sürecinde dikkat edilmesi gereken noktaları dört ana kategoriye ayırmak mümkündür. Bu kategoriler mekanizmalar, teknikler, fotobaşlatıcılar ve dolgu malzemeleri olarak tanımlanabilir. Bu yaklaşımda seçilen monomer/oligomerlerin hangi mekanizma ile ilerleyeceği ve monomer/oligomerlerin bu mekanizmaya uyumu son derece önemlidir. Seçilen monomer ve oligomerlerin türüne bağlı olarak fotokimyasal reaksiyon, serbest radikal mekanizması, katyonik mekanizma, ikili kürleme mekanizması veya tiyolen mekanizması yoluyla değişiklik gösterebilir. Monomerler ve oligomerler aynı zamanda üretilen nesnelerin nihai niteliklerini de belirler. Seçilen monomer/oligomer yapısına ve kullanılan mekanizmaya uygun bir fotobaşlatıcı veya fotobaşlatıcı sisteminin seçilmesi hayati önem taşımaktadır. Tasarlanan 3 boyutlu öğeleri oluşturmak için foto başlatıcılar, 3 boyutlu yazıcıdan gelen ışınlama ışığını emer ve monomerlerin ve oligomerlerin katman katman fotopolimerizasyon süreçlerini başlatır. Bu mekanizmalara uygun, ticari olarak temin edilebilen birçok fotobaşlatıcı sistem bulunmaktadır. Stereolitografi (SLA), Dijital Işık İşleme (DLP), Eriyik Biriktirmeli Modelleme (FDM) ve Seçici Lazer Sinterleme (SLS) dahil olmak üzere 3 boyutlu fotopolimerizasyona dayalı teknikler, kontrol edilebilir optik, kimyasal ve mekanik özelliklere sahip karmaşık çok işlevli malzeme sistemlerinin üç boyutlu olarak üretilmesini mümkün kılar. Bu yaklaşımlar aynı zamanda düşük özellik boyutlarıyla yüksek çözünürlük elde etmek için de kullanılabilir. Bu amaçla biyomedikal cihazlar, cerrahi, diş hekimliği, mikroakışkanlar, ilaç dağıtımı, yumuşak robotik ve doku mühendisliği dahil olmak üzere çeşitli endüstrilerde yeni yollar bu teknoloji ile mümkün kılınmıştır. Vat Fotopolimerizasyonu, sıvı fotopolimer reçinesinin ışık kullanılarak katman katman seçici olarak sertleştirilmesi prensibiyle çalışan bir 3 boyutlu baskı tekniğidir. Vat fotopolimerizasyonu, boyutsal hassasiyet açısından en önemli Eklemeli Üretim (AM) yaklaşımı olarak kabul edilmektedir, çünkü bu işlem, mikrometre aralığına kadar büyük çözünürlüklere, düşük toleranslara ve yüksek yüzey kalitesine sahip parçalar üretebilmektedir. Monomerler, fotobaşlatıcılar ve seramik tozundan oluşan süspansiyonun hazırlanması, seramiklerin Vat fotopolimerizasyonunda çok önemli bir adımdır. Diğer eklemeli üretim yöntemlerinden farklı olarak, Vat Fotopolimerizasyonu, bir fıçı içindeki sıvı reçine rezervuarıyla başlar. Vat Fotopolimerizasyonunun iki ana türü vardır. Bunlar, Stereolitografi (SLA) ve Dijital Işık İşleme (DLP) olarak adlandırılır. Her iki yöntem de sıvı reçineyi ışıkla sertleştirme temel ilkesini paylaşıyor ancak yaklaşımları birbirinden farklıdır. Dijital Işık İşleme tekniği ve Stereolitografi tekniği arasındaki temel fark ışık kaynağıdır; Stereolitografi tekniği bir UV lazer ışını kullanırken Dijital Işık İşleme tekniği bir projektörden gelen UV ışığını kullanır. 3D baskı teknolojisinde seramik, metal, kompozit, biyomalzemeler gibi birçok dolgu malzemesinden bahsetmek mümkündür. 3D baskıda seramik tozu kullanılacaksa; işlem, ışık kullanılarak sıvı reçine katmanının katman katman seçici olarak katılaştırılmasını içerir. Reçinedeki seramik dolgular, ince detaylandırma ve sağlam yapısal bütünlüğün ayırt edici bir kombinasyonunu sunar. Seramikler ince yapılara sahip olduklarından karmaşık yapıların oluşmasına olanak sağlarlar. Aynı zamanda üstün mukavemetleri ve aşınmaya karşı dirençleri ile bilindiklerinden mukavemet ve dayanıklılık sağlarlar.Seramikler yüksek sıcaklıklara ve çeşitli kimyasallara karşı mükemmel dirence sahiptir.Bu nedenle zorlu ortamlarda kullanım alanları geniştir. Bu tez çalışmasında 3 boyutlu baskı teknolojisinde kullanılacak yeni bir ürünün geliştirilmesi amaçlanmaktadır. 3 boyutlu baskı teknolojisinde kullanılacak ultraviyole ışıkla kürlenebilen organik-inorganik hibrit yapıya sahip reçine sistemi üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Tez çalışması sırasında gerçekleştirilen deneysel kısımlar üç ana bölümde özetlenebilir. Öncelikle malzemenin organik kısmını oluşturmak için epoksi akrilat reçinesi sentezlendi. Bisfenol A tipi epoksi reçine ve akrilik asit, inhibitör olarak hidrokinon ve katalizör olarak trifenilfosfin kullanılarak, 80 °C'de 4 saat süren bir reaksiyon sonucunda reçine elde edildi. Sentezlenen bu epoksi akrilat reçinesi, Fourier-Transform Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) analizi ile karakterize edildi. Daha sonra malzemenin inorganik kısmını oluşturmak için Partikül büyüklüğü 6,5 - 8,7 mikron olan ağırlıkça %80 silika tozu, 5 mikron partikül büyüklüğü olan ağırlıkça %15 zirkonya tozu ve 0,5 mikron partikül büyüklüğü olan ağırlıkça %5 alüminyum oksit tozu olmak üzere toplam 30 gram seramik tozu karışımı hazırlandı. Hazırlanan seramik tozu karışımı turbula yardımıyla 1 saat karıştırıldı. Daha sonra elde edilen homojen toz karışımı distile su ve etanol karıştırılıp bir bulamaç elde edildi. Hazırlanan bulamaç, zirkon topları yardımı ile planeter bilyeli değirmende 300 rpm'de 5 saat boyunca öğütüldü. Bu seramik karışımının partikül boyutu analizi mastersizer cihazı ile yapıldı. Son olarak, bu organik ve inorganik yapıların hazırlanması sonucu değişen miktarlarda katkı kimyasallarıyla birleştirilmesi ile birlikte 5 adet yeşil gövde numunesi hazırlanmıştır. Her numune için 10 gr Epoksi akrilat reçinesi ile birlikte, sırasıyla, reaktif seyreltici olarak ağırlıkça %20 HDDA (1,6 heksandiol diakrilat), ağırlıkça %0, %30, %40 ve %50 oranında seramik tozu, ağırlıkça %3 oranında dispersant, tetraakrilat türü olan SR355, ağırlıkça %5'i oranında çapraz bağlayıcı, UV fotobaşlatıcı sistem olarak kullanılan ağırlıkça %3 oranında Darocur 1173 ve ağırlıkça %0,5 oranında BAPO eklendi. Hazırlanan numunelerin kürlenmesi için; 5 bölmeye sahip, bölmelerin boyutları 50 mm x 10 mm x 1 mm olan özel bir Teflon kalıp tasarlanıp yaptırıldı ve numuneler bu kalıba döküldü. Kürleme işleminden önce oksijen inhibisyonunu önlendi. Hazırlanıp Teflon kalıba dökülen organik-inorganik hibrit formülasyonları UV ile kürlemek için UV kabine yerleştirildi. Teflon kalıpla UV ışık kaynağı arasına standart bir mesafe konulup kürleme işlemi başlatıldı. Sistemde UV ışık kaynağı olarak yüksek basınçlı UV lambası (OSRAM, 300W) kullanılmıştır. Numuneler yüksek basınçlı UV lambası ile 180 saniye süreyle kürlendi. Hazırlanan numuneler seramik oranları baz alınarak EAC0, EAC30, EAC40, EAC50 olarak isimlendirilmişlerdir. Farklı oranlarda inorganik madde içeren malzemeler birbirleriyle karşılaştırmalı olarak analiz edildi. Sentezlenen epoksi akrilat reçinesi, Fourier-Transform Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ile karakterize edilmiştir. Termal özellikler Termogravimetrik analiz (TGA) ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) kullanılarak, morfolojik özellikler ise Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. Sonuç olarak tüm verileri değerlendirdiğimizde; 3 boyutlu baskı teknolojisinde kullanılmak üzere“yeşil gövde”olarak bilinen benzersiz bir malzemenin geliştirilmesiyle tez çalışması tamamlandı. Epoksi akrilat reçinesi ile hazırlanıp seramik tozu ve diğer kimyasallarla desteklenip kürlenen bu yeni malzeme, UV ile kürlenebilen inorganik organik hibrit yapıya sahip olup, 3D baskı teknolojisinde kullanıma uygun olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The photochemical method to 3D printing is among the most alluring since it allows for the fabrication of items through photopolymerization processes involving monomers and oligomers, which has advantages for the environment, the economy, and manufacturing. In contrast to conventional methods, 3D printing uses a layer-by-layer approach to enable the advanced design and manufacture of complex 3D objects and structures while overcoming geometric restrictions. The utilization of liquid monomers and oligomers, which are systems that may cure or photopolymerize when exposed to a light source of a certain wavelength in the presence of a photoinitiator system, is the foundation of three-dimensional photopolymerization. The two most crucial elements of photopolymers for 3D printing in this method are monomers/oligomers and photoinitiators. In order to create the designed 3D items, photoinitiators absorb the irradiation light from a 3D printer and initiate the photopolymerization processes of monomers and oligomers layer by layer. Monomers and oligomers also determine the final qualities of the produced objects. It is vital to select a photoinitiator or photoinitiator system suitable for the selected monomer/oligomer structure and the mechanism used. In this thesis, it is aimed to develop a novel product to be used in 3D printing technology. Studies were carried out on the resin system with ultraviolet light curable organic-inorganic hybrid structure to be used in 3D printing technology. Experimental parts that were carried out during the thesis work can be summarized in three main sections. First of all, epoxy acrylate resin was synthesized to create the organic part of the material. Resin was obtained as a result of a reaction lasting 4 hours at 80 °C, using bisphenol A type epoxy resin and acrylic acid, hydroquinone as inhibitor and triphenylphosphine as catalyst. This synthesized epoxy acrylate resin was characterized by Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) analysis. Secondly, a total of 30 grams of ceramic powder mixture was prepared to create the inorganic part of the material, including 80% silica powder with a particle size of 6.5 - 8.7 microns, 15% zirconia powder with a particle size of 5 microns, and 5% aluminum oxide powder with a particle size of 0.5 microns. The prepared ceramic powder mixture was mixed with the help of a turbula for 1 hour. Then, the resulting homogeneous powder mixture and ethanol were mixed to obtain a slurry. The prepared slurry was ground in a planetary ball mill at 300 rpm for 5 hours with the help of zirconia balls. Particle size analysis of this ceramic mixture was performed with a mastersizer device. Finally, by preparing these organic and inorganic structures and combining them with varying amounts of additive chemicals, 5 different samples were obtained. For each sample, together with 10 g of Epoxy acrylate resin, 20% by weight HDDA (1,6 hexanediol diacrylate) as reactive diluent, 0%, 30%, 40% and 50% by weight ceramic powder, 3% by weight dispersant, SR355, which is a tetraacrylate type, 5% by weight of crosslinker, 3% by weight of Darocur 1173 used as UV photoinitiator system, and 0.5% by weight of BAPO, respectively, were added. The prepared samples were cast in Teflon™ mold and prevented oxygen inhibition before curing. At the end of the process, the samples were cured with a high-pressure UV lamp (OSRAM, 300 W) for 180 seconds. In conclusion; The thesis study was completed with the development of a unique material known as“green body”to be used in 3D printing technology. Materials containing different proportions of inorganic particles were analyzed comparatively with each other. Thermal properties were examined using Thermogravimetric analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC), and morphological properties were examined using Scanning Electron Microscope (SEM).
Benzer Tezler
- UV ışınlarıyla sertleşebilen yanmaya dayanıklı poliüretan akrilat esaslı kaplama malzemelerinin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of UV curable fire retardant polyurethane acrylate based coating materials
HATİCE BURCU HANAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
KimyaMarmara ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATİLLA GÜNGÖR
DOÇ. DR. SEVİM KARATAŞ
- UV ile kürlenebilen lineer ve dallanmış üretan akrilat reçinelerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of UV-curable linear and branched urethane acrylate resins
ESRA DEMİR KARAÇOBAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
KimyaBilecik Şeyh Edebali ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLGE EREN
- Ultraviyole ışıkla kürlenebilen organik-inorganik hibrit malzemelerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of UV-curable organic-inorganic hybrid materials
BORAN BERBEROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA ÇAKIR
- Poss-üretan ve poss-üretan akrilat hibritlerinin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of poss-urethane and poss-urethane acrylate hybrids
NESLİHAN AKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova ÜniversitesiPolimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜLAY BAYRAMOĞLU
- Katyonik UV polimerizasyon ile vinil eter bazlı yapıştırıcıların sentezi, karakterizasyonu ve uygulamaları
Synthesis and characterization of cationically curable vinyl-ether functional urethane oligomers
AYLİN AMANOEL