Présentation Mr Lecamp (INSA)

EFFET DE LA PRESENCE DE CHARGES
MINERALES SUR LA
PHOTOPOLYMERISATION D’UNE RESINE
ACRYLIQUE
Laurence Lecamp & Philippe Lebaudy
INSA de ROUEN – Laboratoire Polymères Biopolymères Surfaces (PBS)
UMR CNRS 6270 – Equipe de Matériaux Macromoléculaires (L2M)
76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY CEDEX – FRANCE
PolyRay 2011 – Epinal – 5 & 6 Avril 2011
Introduction
• Fabrication d’objets 3D par stéréolithographie :
– Technique de prototypage rapide
– Obtention sans usinage d’une pièce tridimensionnelle à partir d’un modèle
numérique établi par CAO par construction de la pièce couche par couche
selon des séquences automatisées
1. Plongée du support mobile dans la résine liquide
2. Remontée du support mobile pour former une nouvelle couche
3. Relaxation par gravité de la surface libre de la résine
4. Solidification par photopolymérisation
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Introduction
• Fabrication d’objets 3D par stéréolithographie :
– Technique de prototypage rapide
– Obtention sans usinage d’une pièce tridimensionnelle à partir d’un modèle
numérique établi par CAO par construction de la pièce couche par couche
selon des séquences automatisées
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Introduction
• Application de la stéréolithographie aux matériaux céramiques :
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Introduction
• Application de la stéréolithographie aux matériaux céramiques :
Suspension
céramique
Système
photopolymérisable
Poudres
céramiques
 Concentration
élevée
Dispersion
Suspension ou pâte
 Stable et
homogène
Rhéologie
Mise en couche
 Viscosité
minimale
 Réactivité
sous UV
Irradiation
Stéréolithographie
Photopolymérisation
Nettoyage
Pièce crue
Traitement
thermique
Déliantage
Pièce crue déliantée
Frittage
Pièce crue frittée
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I - Composition de la suspension céramique
• Système photopolymérisable :
O
PEAAM
O
H2C CH C O
polyéther acrylate O C
CH CH2
O C CH CH2
O
HDDA
H2C CH C O CH2
O
6
O C CH CH2
O
OCH3
DMPA
C C
O OCH3
• Charges céramiques de taille micrométrique :
Al2O3, SiO2, ZrO2 et SiC
6
II - Photopolymérisation en phase homogène
• Optimisation des conditions de photopolymérisation :
– 0,5% en masse de DMPA
– I0 = 5,3 mW.cm-2 à 365 nm
– épaisseur = 20 µm
– T = 30°C
• Influence du diluant réactif :
100
4,0
0%
5%
10%
25%
50%
100%
Shear stress (Pa)
3,0
80
Conversion (%)
3,5
2,5
2,0
1,5
60
40
1,0
20
0,5
0
0,0
0
10
20
Shear rate (s-1)
30
40
0
10
20
30
40
50
Concentration HDDA (%-vol)
Effet diluant jusqu’à 10-15 vol-% d’HDDA
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II - Photopolymérisation en phase hétérogène
• Conditions de photopolymérisation :
– 0,5% en masse de DMPA
– I0 = 5,3 mW.cm-2 à 365 nm
– épaisseur = 150 µm
– T = 30°C
10
100
8
80
0%
10%
20%
30%
40%
6
4
2
Conversion (%)
Shear stress (Pa)
• Influence du taux de charge :
60
40
20
SiO2
0
0
0
10
20
Shear rate (s-1)
30
40
0
10
20
30
40
Taux de charge (vol-%)
Conversion finale identique pour 0 et 10% de SiO2  pas d’effet de
la rhéologie globale sur le processus de diffusion des espèces
8
II - Photopolymérisation en phase hétérogène
• Ajout d’un dispersant (ester de phosphate) :
– modification des interactions entre particules de SiO2  modification de
la rhéologie globale de la suspension
PEAAM + 40 vol-% SiO2
80
10
8
Conversion (%)
Shear stress (Pa)
60
6
4
0%
1%
2%
3%
5%
20
1%
2%
3%
5%
2
40
0
0
0,0
0,5
1,0
1,5
Shear rate (s-1)
2,0
2,5
3,0
0
100
200
300
400
Time (s)
Cinétiques de photopolymérisation identiques quel que soit le % de dispersant
 pas d’effet de la rhéologie globale sur le processus de diffusion des espèces
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II - Photopolymérisation en phase hétérogène
• Ajout du diluant réactif (HDDA) :
– modification de la rhéologie de la phase intergranulaire
PEAAM + 40 vol-% SiO2
100
100
Sans SiO2
80
Conversion (%)
Shear stress (Pa)
80
60
40
20
Avec SiO2
60
40
20
5%
10%
25%
0
0
0
2
4
6
-1
Shear rate (s )
8
10
0
5
10
15
20
25
Concentration HDDA (vol-%)
Cinétiques de photopolymérisation en phases homogène et hétérogène
identiques  seule la viscosité de la phase intergranulaire influe sur le
processus de diffusion des espèces
10
II - Photopolymérisation en phase hétérogène
• Influence de l’indice de réfraction :
100
Conversion (%)
80
60
40
SiO2
20
Al2O3
Produit
Indice de réfraction
PEAAM
1,488
SiO2
1,564
Al2O3
1,787
ZrO2
2,249
SiC
2,553
ZrO2
SiC
0
0
10
20
30
40
Filler rate (vol-%)
Phénomène de diffusion de la lumière gouverné par le rapport des indices
de réfraction entre la charge et la résine
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II - Photopolymérisation en phase hétérogène
• Influence de la taille des particules d’Al2O3 :
85
0,5 µm
1,4 µm
2,3 µm
80
Conversion (%)
75
70
65
60
55
50
0
10
20
30
40
Concentration Al2O3 (vol-%)
Augmentation du nombre de centres diffuseurs  diminution
de la conversion finale
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Conclusion
• Pas d’effet de la rhéologie globale des suspensions sur la
cinétique de photopolymérisation
• Facteurs influençant les cinétiques de photopolymérisation :
– Viscosité intergranulaire
– Diffusion de la lumière
 Rapport des indices de réfraction entre la charge et la matrice organique
 Taux de charge
 Taille des particules
• Suspension céramique idéale :
–
–
–
–
concentration élevée en poudre céramique
viscosité minimale
stabilité et homogénéité
bonne réactivité sous UV
compromis
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Merci de votre attention !!!