王 東，孟凡旭，馬金玲，孫振興，王樹(shù)濤

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.遼寧北方華豐特種化工有限公司，遼寧 撫順 113001）

隨著科技發(fā)展、現(xiàn)代工業(yè)需求改變，想要在短時(shí)間內(nèi)以最少的人力、物力、財(cái)力，更高效地制造出滿足工業(yè)需求的產(chǎn)品，例如武器裝備中的導(dǎo)爆、傳爆序列趨于小型化和微型化的壓藥和裝藥等，將光固化技術(shù)與工業(yè)制造相聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用控制單一變量法、觀察法、指觸法等對(duì)光固化成型技術(shù)中樹(shù)脂的材料配方做了一些探究。

探討光固化技術(shù)的同時(shí)，不可避免地要考慮光固化過(guò)程中必不可少的樹(shù)脂材料。樹(shù)脂材料性能的好壞直接決定了固化速率的快慢，樹(shù)脂材料的成型固化時(shí)間越短就意味著在相同時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)更多的產(chǎn)品，間接減少了生產(chǎn)生活的成本。從樹(shù)脂配方中單體性能、混合單體配方、引發(fā)劑添加含量等方面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果，對(duì)比樹(shù)脂材料的固化時(shí)間，尋求一種最為合適的樹(shù)脂配方。

本課題采用快速成型技術(shù)中的紫外光固化技術(shù)，其也被稱為UV 紫外線成型技術(shù)。UV 紫外線成型技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制紫外光按零件的各分層截面信息，在液態(tài)的光敏樹(shù)脂表面進(jìn)行逐線照射，被照射區(qū)域的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。光固化技術(shù)（UV）是通過(guò)一定波長(zhǎng)的紫外光照射，使液態(tài)的環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂高速聚合而成固態(tài)的一種光加工工藝，光固化反應(yīng)本質(zhì)上是光引發(fā)的聚合、交聯(lián)反應(yīng)。光固化技術(shù)是一項(xiàng)節(jié)能和清潔環(huán)保型技術(shù)，它可節(jié)約能源，不含溶劑，對(duì)生態(tài)環(huán)境有保護(hù)作用，不會(huì)向大氣中排放毒氣和二氧化碳，因此被譽(yù)為“綠色技術(shù)”，本文主要探究樹(shù)脂中引發(fā)劑及單體對(duì)固化速率的影響。

劉甜等[1-6]運(yùn)用不同的研究方法研究了光固化樹(shù)脂，對(duì)各研究成果做了相應(yīng)陳述，研究了反應(yīng)溫度、催化劑的種類及用量等對(duì)反應(yīng)速率的影響。王虎[7]主要對(duì)光固化成型樹(shù)脂進(jìn)行了納米改性研究。光固化成型材料對(duì)成型產(chǎn)品的尺寸精度和力學(xué)性能具有直接影響。

1 實(shí)驗(yàn)制備

實(shí)驗(yàn)藥品及儀器：含氟水性丙烯酸酯改性聚氨酯（PUA）、丙烯酸正丁酯、丙烯酸、熱塑性聚烯烴彈性體（TPO）、季戊四醇三丙烯酸酯（PETA）、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）、新戊二醇二丙烯酸酯（NPGDA）、醫(yī)用注射器、玻璃片、紫外光燈（420 nm）。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：使用機(jī)械攪拌方式使單體、低聚物、丙酮、光引發(fā)劑混合均勻，用注射器滴加相同量的樹(shù)脂于載玻片上，用紫外光源照射一定時(shí)間，使用指觸法確定是否固化，記錄固化時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

使用不同單體與丙酮和引發(fā)劑混合均勻，利用紫外光燈使其固化，固化時(shí)間如表1 所示。

表1 單體對(duì)光固化速率的影響

由表1 可知，PETA、TMPTA、NPGDA 含量為30%時(shí)，表面固化時(shí)間分別為8 s、6 s、10 s，內(nèi)部固化時(shí)間分別為35 s、27 s 、26 s。NPGDA、TMPTA、PETA 的官能度分別為2、3、3，說(shuō)明官能度越大固化時(shí)間越短。稀釋性單體的種類及含量是影響光固化樹(shù)脂固化速率的首要原因，使用官能度大的單體可以加快樹(shù)脂的固化速率，如TMPTA 和PETA等三官能度的單體。三種單體中，TMPTA 固化速率最快，效果最好；PETA 成膜韌性最好，固化速率較TMPTA 慢；NPGDA 黏度最低，稀釋效果最好，但固化速率最慢，因此在配制樹(shù)脂時(shí)三種單體可以混合使用。稀釋性單體的種類及含量是影響光固化樹(shù)脂固化速率的首要原因。使用官能度大的單體可以加快樹(shù)脂的固化速率，但是由于其官能度大，黏度也越高，再配合低聚物使用會(huì)影響樹(shù)脂的噴口出速，因此配方中也要加入其他單體來(lái)稀釋。

樹(shù)脂配方其他含量保持不變，改變丙烯酸正丁酯和丙烯酸配比，利用紫外光燈使其固化，固化時(shí)間如表2 所示。

表2 兩種單體最佳配比實(shí)驗(yàn)

由表2 可知，在PUA、TPO、丙酮的含量相同的情況下，在更換不同配比的丙烯酸正丁酯與丙烯酸的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著丙烯酸含量增加，采用液滴、平涂和擠壓三種方式進(jìn)行光固化的時(shí)間都逐步縮短。當(dāng)丙烯酸正丁酯含量為5%、丙烯酸的含量為25%時(shí)，樹(shù)脂的表面固化時(shí)間為10 s；平涂?jī)?nèi)部的固化時(shí)間為32 s；擠壓樹(shù)脂材料得到其固化時(shí)間分別為6 s、4 s。隨著丙烯酸含量逐漸減少，丙烯酸正丁酯的含量逐漸增加液滴表面的固化時(shí)間也逐漸減少，由此說(shuō)明液滴表面的固化時(shí)間隨著兩種單體配合過(guò)程中丙烯酸的含量減少、丙烯酸正丁酯含量增加而減少。在更換不同配比的丙烯酸正丁酯與丙烯酸的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著丙烯酸含量增加，采用液滴、平涂和擠壓三種方式進(jìn)行光固化的時(shí)間都逐步縮短。丙烯酸含量為15%以下時(shí)，液滴內(nèi)部固化速率穩(wěn)定，15%以下的丙烯酸不能起到加快整體固化的作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果選擇7 號(hào)實(shí)驗(yàn)配方效果為最佳，加入20%丙烯酸正丁酯、10%丙烯酸得到的液滴表面最好。

在相同樹(shù)脂配方下，外加不同量的光引發(fā)劑，其固化時(shí)間如表3 所示。

表3 光引發(fā)劑含量對(duì)光固化速率的影響

由表3 可知，在相同樹(shù)脂配方下，引發(fā)劑含量為1%時(shí)，固化時(shí)間為3 s，隨著光引發(fā)劑量增加固化時(shí)間降低到2 s，當(dāng)光引發(fā)劑的含量繼續(xù)增加時(shí)固化時(shí)間不再減少，當(dāng)光引發(fā)劑的量的增加至5%時(shí)，固化時(shí)間增加到4 s。初步分析原因可能是隨著引發(fā)劑含量增加聚合反應(yīng)整體進(jìn)行，固化速度逐漸加快；隨著聚合反應(yīng)進(jìn)行，內(nèi)部聚合不再需要引發(fā)劑引發(fā)，因此繼續(xù)增加引發(fā)劑含量，固化速率不變；當(dāng)引發(fā)劑含量過(guò)多時(shí)對(duì)紫外光產(chǎn)生遮蔽作用，因此固化時(shí)間延長(zhǎng)。

3 結(jié)論

樹(shù)脂的光固化速率隨單體官能度的增大而增大。混合單體設(shè)計(jì)樹(shù)脂配方得到的配方效果較單個(gè)單體樹(shù)脂配方的固化效果好。光引發(fā)劑含量為1%時(shí)固化時(shí)間為3 s，含量為2%～4%時(shí)固化時(shí)間不發(fā)生變化，含量為4%時(shí)固化速率開(kāi)始降低。因此光引發(fā)劑含量為2%、稀釋劑丙酮6%時(shí)固化效果最佳。