柴俊 王曉宇

摘 ?要：紫外光固化復合材料是一種在紫外光照射下能夠迅速固化的一種新型材料，具有廣泛的應用前景。該文主要對其綜合性能進行分析研究。研究結果表明，該材料具有良好的光固化性、熱穩(wěn)定性、透明度和折射率。此外，該文還對紫外光固化復合材料的環(huán)境影響進行評估，驗證該材料在生產和使用過程中對環(huán)境的影響較小，符合環(huán)保要求。

關鍵詞：紫外光固化；復合材料；乙烯基酯樹脂；力學性能；剪切性能

中圖分類號：TB332 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）14-0058-04

Abstract： UV-curable composite is a new type of material which can be cured rapidly under UV irradiation and has a wide application prospect. This paper mainly analyzes and studies its comprehensive performance. The results show that the material has a good UV-curing property， thermal stability， transparency and refractive index. In addition， the environmental impact of UV-curable composites is evaluated. It is verified that the material has little impact on the environment in the process of production and use， and meets the requirements of environmental protection.

Keywords： UV-curable; composites; vinyl ester resin; mechanical properties; shear properties

紫外光固化復合材料是一種由基體樹脂、增強纖維和其他填充材料協(xié)同組合而成的層合片材，這種材料在極端環(huán)境下、在造船和玻璃鋼管道等領域有著可證實的多年的應用歷史。其中，基體樹脂是復合材料的基礎，對于不同的應用場合來講，選擇正確的基體樹脂是非常重要的，這關乎材料是否能夠提供長期有效的解決方案。紫外光固化體系（UV體系）主要由光活性單體、光活性低聚物、光引發(fā)劑3部分組成。光固化材料是在紫外光（UV）的照射下，具有化學活性的液體配方在基體表面實現(xiàn)快速固化形成的固態(tài)涂膜。紫外光固化技術屬于輻射固化技術的一種，在目前所有的輻射固化材料中占比90%左右。

1 ?紫外光固化技術基本原理

紫外光固化是一種利用紫外光引發(fā)特定化學反應，使涂層、油墨、膠水等材料在短時間內迅速固化的技術。其基本原理如下：在紫外光照射下，光敏劑會吸收紫外光能量并轉化為化學能量，從而引發(fā)一系列化學反應。這些反應可以導致涂層、油墨、膠水等材料中的單體或預聚物分子之間的交聯(lián)反應，使其迅速固化并形成堅固的網(wǎng)絡結構。這種技術在許多行業(yè)中得到了廣泛應用，例如印刷、電子、汽車等領域。通過控制光敏劑濃度、紫外光強度和照射時間，可以調節(jié)固化速度。

2 ?紫外光固化技術發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著環(huán)保意識的提高和技術的不斷創(chuàng)新，紫外光固化技術得到了進一步發(fā)展和應用。以下是紫外光固化技術的發(fā)展現(xiàn)狀。

新型UV光源：傳統(tǒng)的汞燈光源逐漸被LED光源取代。LED光源具有壽命長、耗能低、啟動速度快等優(yōu)勢，同時還能發(fā)出特定波長的紫外光，提高固化效果和質量。

高性能UV涂料和油墨：隨著材料科學的進展，研發(fā)出了更高性能的UV涂料和油墨，具有更好的耐磨、耐候、耐化學性等特性，可以適應不同的應用需求。

自動化和智能化：紫外光固化設備逐漸實現(xiàn)自動化和智能化，通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)設備的運行和參數(shù)調節(jié)，提高生產效率和質量穩(wěn)定性。

環(huán)保節(jié)能：紫外光固化技術相比傳統(tǒng)的熱固化或化學固化技術，無須加熱或添加活化劑，減少了能源消耗和揮發(fā)性有機物（VOCs）的排放，符合環(huán)保要求。

3 ?紫外光固化技術應用領域

紫外光固化技術具有固化速度快、質量穩(wěn)定、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)勢，因此在多個領域都有所涉及。在印刷業(yè)、電子材料行業(yè)、建材行業(yè)、涂裝、醫(yī)療器械等領域中，紫外光固化技術都被廣泛應用。目前，紫外光固化技術主要分為金屬鹵化物燈、LED UV固化、汞紫外燈等類型，其中LED UV固化比重很大，預計到2028年將占據(jù)市場份額的50%以上。

然而，在過去幾年里，北美地區(qū)一直是全球UV固化技術的主要生產地區(qū)之一，并且在該領域占有顯著的市場份額。歐洲和亞太地區(qū)也一直在迅速發(fā)展，并且在UV固化技術市場中占據(jù)重要地位。在消費層面，亞太地區(qū)是全球最大的UV固化技術消費市場。UV固化設備的市場現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢是一個值得關注的研究領域。

4 ?乙烯基酯樹脂的紫外光固化實驗

乙烯基酯樹脂的紫外光固化速率和固化效果受多個因素的影響。根據(jù)搜索結果，以下是對這些因素的綜合總結。

光引發(fā)劑的種類和含量：不同的光引發(fā)劑會有不同的活性和固化速率，其含量的變化也會影響固化速率。

樹脂和樹脂稀釋劑含量：樹脂的類型會影響固化速率和效果。不同類型的樹脂具有不同的化學特性和反應機制，因此其固化速率也會有所不同。例如，熱固化樹脂通常需要高溫條件下進行固化，固化速率相對較快；而光固化樹脂則通過紫外線或可見光照射來觸發(fā)固化，固化速率較快且能在室溫下進行。不同的樹脂和稀釋劑配比可以改變體系的流動性和反應活性。

氧氣：氧氣的存在可以抑制紫外光固化反應，因此控制氧氣的接觸可以加快固化速率。

溫度：溫度的升高通常會加速固化反應。這是因為在較高的溫度下，分子之間的運動速度增加，反應物分子之間的碰撞頻率和能量也增加，從而加快了反應的進行。需要謹慎地選擇適當?shù)臏囟?，避免過高的溫度導致反應失控或產生不良效果。

光源和光輻射能量：選擇合適的光源和提供足夠的光輻射能量是實現(xiàn)有效紫外光固化的關鍵。不同的光源和光源配置會影響固化速率和效果。

樹脂體系配比：樹脂體系中各組分的比例和配合關系會影響固化速率和最終的固化效果。需要進行合理的配比設計。

總而言之，乙烯基酯樹脂的紫外光固化速率和固化效果是一個復雜的體系，需要綜合考慮以上因素，并進行合理的配比和操作來實現(xiàn)最佳的固化結果。

4.1 ?實驗整體方案

本實驗中，選擇了2類光引發(fā)劑：安息香及其衍生物類和α-羥烷基苯酮類，其廣泛應用于光敏材料和光固化體系中。這些光引發(fā)劑具有較小的氧阻聚作用，也就是說在氧氣存在的情況下仍能保持高效的引發(fā)效率。

安息香類光引發(fā)劑的結構通常包含苯環(huán)和羰基基團。在紫外光照射下，這些羰基基團會吸收能量并形成激發(fā)態(tài)。接著，激發(fā)態(tài)分子可以經歷光裂解或電子轉移過程，產生活性自由基。這些活性自由基參與化學反應，如聚合反應、交聯(lián)反應等，從而實現(xiàn)材料的固化或其他所需的化學變化。這些引發(fā)劑具有良好的分裂性質，因此能夠直接將吸收的光能轉化為活性自由基，從而引發(fā)光化學反應。

另一類選擇的光引發(fā)劑是α-羥烷基苯酮類。其也是分裂型光引發(fā)劑，通過吸收紫外光后能夠直接分裂成活性自由基。與安息香及其衍生物類相比，α-羥烷基苯酮類光引發(fā)劑具有更高的引發(fā)效率，并且受到氧的阻聚作用影響較小。

通過選擇安息香及其衍生物類和α-羥烷基苯酮類光引發(fā)劑作為實驗中的引發(fā)劑，可以提高光化學反應的效率并降低氧的阻聚作用，從而實現(xiàn)更高效的光引發(fā)反應。

4.2 ?實驗裝置及儀器

紫外光輻射設備在實驗中起到重要作用，其通常由以下幾個組成部分構成。

紫外燈：紫外燈是產生紫外光的關鍵部件。根據(jù)實驗需求和所需要的波長范圍，可以選擇不同類型的紫外燈，如氘燈、汞燈或者鎢燈。

反射裝置和屏蔽：為了提高紫外光的利用效率，反射裝置常常被用于將光線聚焦或反射，從而增強輻射效果。同時，由于紫外光對人體有害，合適的屏蔽措施也應該被采取，以保護實驗人員的安全。

控制裝置：紫外光輻射設備通常需要配備一個控制系統(tǒng)，用于調節(jié)光源的功率、波長和輻射時間等參數(shù)。這樣可以根據(jù)實驗需求來精確控制紫外光的輸出。

冷卻系統(tǒng)：紫外燈在工作過程中會產生熱量，因此冷卻系統(tǒng)用于降低溫度并保證設備正常運行。常見的冷卻方式包括風扇散熱、水冷或氣冷等。

以上部件協(xié)同工作，提供可靠的紫外光源，并確保實驗的安全性和準確性。如圖1所示。

圖1 ?紫外光輻射固化裝置

實驗材料主要包括：純樹脂材料、紫外光燈、光引發(fā)劑、活性單體、穩(wěn)定劑和增塑劑等。

實驗中主要用到的儀器和裝置見表1。

4.3 ?工藝流程及實驗步驟

4.3.1 ?純樹脂紫外光固化實驗流程

準備實驗器材和試劑：紫外光燈、樹脂材料、光引發(fā)劑、活性單體、穩(wěn)定劑和增塑劑等。

制備樹脂樣品：將樹脂材料按照要求進行預處理，然后將其放置在實驗器材中，準備進行紫外光固化。

紫外光固化：將紫外光燈照射到樹脂樣品上，根據(jù)實驗設定的照射時間和強度進行照射，觀察并記錄固化過程中的變化。

檢測性能：在紫外光固化結束后，對固化后的樹脂樣品進行性能檢測，如硬度、韌性、耐久性等。

純樹脂紫外光固化工藝流程見表2。

4.3.2 ?實驗步驟

準備純樹脂材料，并進行預處理，使其表面平整光滑。

將純樹脂材料放置在玻璃板上，并用涂布器將光引發(fā)劑、活性單體、穩(wěn)定劑和增塑劑等試劑均勻地涂布在樹脂材料表面。

將紫外光燈照射到涂布好的樹脂材料表面，設定照射時間和強度。

觀察并記錄紫外光固化過程中的變化，如固化速度、顏色變化等。

在紫外光固化結束后，對固化后的樹脂樣品進行性能檢測，如硬度、韌性、耐久性等。

分析實驗結果，評估紫外光固化對純樹脂性能的影響。

5 ?紫外光固化復合材料層合板力學性能的分析

5.1 ?復合材料層間界面性能

紫外光固化是一種快速固化的方法，通過紫外線照射使得樹脂在很短的時間內硬化。不同的固化方式可能會產生不同的界面效果，進而影響復合材料的性能。

層間界面性能主要涉及復合材料中樹脂與纖維之間的黏結強度。較好的層間界面黏結能夠實現(xiàn)更好的應力傳遞和能量轉移，從而提高復合材料的力學性能。

拉伸強度、彎曲強度和剪切強度是常用的評估復合材料力學性能的重要指標。

拉伸強度是指在拉伸加載下，材料能夠承受的最大應力，其反映了材料抵抗拉伸破壞的能力。常見的測試方法包括拉伸試驗機等。彎曲強度是指在彎曲加載下，材料能夠承受的最大應力。其反映了材料抵抗彎曲破壞的能力。常見的測試方法包括三點彎曲試驗和四點彎曲試驗等。剪切強度是指在剪切加載下，材料能夠承受的最大應力。其反映了材料抵抗剪切破壞的能力。常見的測試方法包括剪切試驗等。對于復合材料而言，固化方式可以影響其力學性能。不同的固化方式可能會導致材料內部結構的差異，從而影響到材料的力學性能。通過在不同固化方式下進行測試，可以揭示出這種影響，并幫助優(yōu)化固化工藝以提高材料性能。

5.2 ?光固化復合材料層間剪切性能

光固化復合材料的層間剪切性能是指材料在層與層之間的剪切應力作用下，抵抗剪切變形的性能。這種性能通常受到多種因素的影響，包括基體、增強纖維、固化工藝等。

對于光固化復合材料的層間剪切性能，可以通過實驗進行測試。例如，可以采用萬能材料試驗機進行層間剪切試驗，測試材料的層間剪切強度和模量。

在實際應用中，光固化復合材料的層間剪切性能對于產品的性能和質量都有重要影響。例如，在制造復合材料制品時，如果層間剪切性能不足，可能會導致層間剝離和開裂等問題，從而影響制品的質量和使用壽命。因此，對于光固化復合材料的制造和使用，需要充分考慮并控制其層間剪切性能。

5.3 ?紫外光固化復合材料層合板力學性能的分析

紫外光固化復合材料層合板力學性能的分析主要涉及材料的抗拉強度、抗壓強度、彎曲強度等指標。這些指標可以通過實驗測試獲得，并可以進一步分析以優(yōu)化材料的性能。

首先，抗拉強度是指材料在拉伸載荷作用下的最大承載能力。在紫外光固化復合材料中，抗拉強度受到多種因素的影響，包括基體、增強纖維、固化工藝等。通過優(yōu)化這些因素，可以顯著提高材料的抗拉強度。

其次，抗壓強度是指材料在壓縮載荷作用下的最大承載能力。在紫外光固化復合材料中，抗壓強度通常比抗拉強度低，因為材料在壓縮載荷作用下更容易發(fā)生變形和破壞。因此，優(yōu)化材料的抗壓強度需要從基體、增強纖維和固化工藝等方面入手。

最后，彎曲強度是指材料在彎曲載荷作用下的最大承載能力。在紫外光固化復合材料中，彎曲強度通常比抗拉強度和抗壓強度都要低，因為材料在彎曲載荷作用下需要承受更大的變形和應力。因此，優(yōu)化材料的彎曲強度需要從基體、增強纖維和固化工藝等方面入手，并需要進一步考慮材料的韌性、硬度等其他性能指標。

總之，紫外光固化復合材料層合板的力學性能受到多種因素的影響，包括基體、增強纖維、固化工藝等。通過實驗測試和分析，可以進一步優(yōu)化材料的性能指標，提高其承載能力和使用壽命，以滿足不同領域的需求。

6 ?結論

紫外光固化技術在廣泛應用的同時，也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。未來，隨著新材料、新光源、新設備的不斷推出，紫外光固化技術有望實現(xiàn)更高效、更環(huán)保的固化過程，滿足不斷變化的市場需求。

參考文獻：

[1] 朱寶.高性能紫外光固化樹脂的制備與性能研究[D].北京：北京石油化工學院，2020.

[2] 唐玉山.紫外光固化乙烯基酯樹脂的合成及改性研究[D].武漢：武漢理工大學，2016.

[3] 許大蔚，黎杰鵬，吳丁財，等.不飽和聚酯樹脂的紫外光固化研究[J].熱固性樹脂，2015（2）：7-12.

[4] 馬建.紫外光快速固化環(huán)氧樹脂及其復合材料研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[5] 劉玉真，張麗華，陳黨團.環(huán)氧乙烯基酯樹脂的性能研究[J]．中國膠粘劑，2007，16（1）：16－18.

[6] 李鵬，楊小平，余鼎聲.引發(fā)劑對乙烯基酯樹脂的固化動力學及力學性能的影響[J]．高分子材料科學與工程，2005，21（4）：240－243.