光敏树脂

同义词: UV树脂 光固化树脂 液态光敏树脂 Photopolymer Resin UV Cureable Resin
  • 更新:
  • 来源: 硅之家
  • 作者: 硅小秘
  • 人气: 7

光敏树脂又称光固化树脂,或称液态光敏树脂,是指用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂,由树脂单体(monomer)及预聚体(oligomer)组成,含有活性官能团,主要由齐聚物、光敏剂(light initiator)、稀释剂组成,是一种受光线照射后,能在较短的时间内迅速发生物理和化学变化,进而交联固化的低聚物。

光固化树脂是一种相对分子质量较低的感光性树脂,具有可进行光固化的反应性基团,如不饱和双键或环氧基等。光固化树脂是光固化涂料的基体树脂,它与光引发剂、活性稀释剂以及各种助剂复配,即构成光固化涂料。

光敏树脂材料

一、简介

有些物质遇光会改变其化学结构,光敏树脂就是这样一种物质。它是由高分子组成的胶状物质。这些高分子如同散乱的链式交连的篱网状碎片。在紫外线照射下,这些分子结合成长长的交联聚合物高分子。在键结时,聚合物由胶质树脂转变成坚硬物质。

这种树脂用来做印刷感光版和微晶片电路图模。在印刷中,先把底片放在光敏树脂上,用紫外光照射。底片透明部分下的树脂光照后变硬,而暗区仍然柔软。清除掉柔软区,留下了明显的凸形条纹,便可复制底片图像。

二、成份

3D打印用光敏树脂和其他行业使用的光敏树脂基本一样是由以下几个组分构成。

1、光敏预聚体

光敏预聚体是指可以进行光固化的低分子量的预聚体,其分子量通常在1 000~5 000之间。它是材料最终性能的决定因素。

光敏树脂材料预聚体主要有丙烯酸酯化环氧树脂、不饱和聚酯、聚氨酯和多硫醇/多烯光固化树脂体系几类。

2、活性稀释剂

活性稀释剂主要是指含有环氧基团的低分子量环氧化合物,它们可以参加环氧树脂的固化反应,成为环氧树脂固化物的交联网络结构的一部分。

活性稀释剂按其每个分子所含反应性基团的多少,可以分为单官能团活性稀释剂、双官能团活性稀释剂和多官能团活性稀释剂,如单官能团的苯乙烯(St)、乙烯基吡咯烷酮(NVP)、醋酸乙烯酯(VA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸异辛酯(EHA)、(甲基)丙烯酸羟基酯(HEA、HEMA、HPA)等;双官能团的1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)、三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)、新戊二醇二丙烯酸酯(NPGDA)等;多官能团的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)等。按官能团的种类,则可分为(甲基)丙烯酸酯类、乙烯基类、乙烯基醚类、环氧类等。按固化机理也可分为自由基型和阳离子型两类。从结构看,自由基型的活性稀释剂都是具有C=C不饱和双键的单体,如丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基、乙烯基、烯丙基,光固化活性依次为:丙烯酰氧基>甲基丙烯酰氧基>乙烯基>烯丙基。

3、光引发剂和光敏剂

光引发剂和光敏剂都是在聚合过程中起促进引发聚合的作用,但两者又有明显区别,光引发剂在反应过程中起引发剂的作用,本身参与反应,反应过程中有消耗;而光敏剂则是起能量转移作用,相当于催化剂的作用,反应过程中无消耗。

光引发剂是通过吸收光能后形成一些活性物质如自由基或阳离子从而引发反应,主要的光引发剂包括安息香及其衍生物、苯乙酮衍生物、三芳基硫铃盐类等。

光敏剂的作用机理主要包括能量转换、夺氢和生成电荷转移复合物三种,主要的光敏剂包括二苯甲酮、米氏酮、硫杂蒽酮、联苯酰等。

UV树脂材料模型

三、特性

光敏树脂一般是液化状态,使用该材料打印物体一般具备高强度、耐高温、防水等特点。然而,光敏树脂材料长期不使用容易导致硬化。

用于SLA的光固化树脂和下面介绍的普通的光固化预聚物基本相同,但由于SLA所用的光源是单色光,不同于普通的紫外光,同时对固化速率又有更高的要求,因此用于SLA的光固化树脂一般应具有以下特性。

1、粘度低:光固化是根据CAD模型,树脂一层层叠加成零件。当完成一层后,由于树脂表面张力大于固态树脂表面张力,液态树脂很难自动覆盖已固化的固态树脂的表面.必须借助自动刮板将树脂液面刮平涂覆一次,而且只有待液面流平后才能加工下一层。这就需要树脂有较低的黏度,以保证其较好的流平性,便于操作。现在树脂黏度一般要求在600 cp·s(30℃)以下。

2、固化收缩小:液态树脂分子间的距离是范德华力作用距离,距离约为0.3~0.5 nm。固化后,分子发生了交联,形成网状结构分子间的距离转化为共价键距离,距离约为0.154 nm,显然固化前后分子间的距离减小。分子间发生一次加聚反应距离就要减小0.125~0.325 nm。虽然在化学变化过程中,C=C转变为C—C,键长略有增加,但对分子间作用距离变化的贡献是很小的。因此固化后必然出现体积收缩。同时,固化前后由无序变为较有序,也会出现体积收缩。收缩对成型模型十分不利,会产生内应力,容易引起模型零件变形,产生翘曲、开裂等,严重影响零件的精度。因此开发低收缩的树脂是目前SLA树脂面临的主要问题。

3、固化速率快:一般成型时以每层厚度0.1~0.2 mm进行逐层固化,完成一个零件要固化百至数千层。因此,如果要在较短时问内制造出实体,固化速率是非常重要的。激光束对一个点进行曝光时问仅为微秒至毫秒的范围,几乎相当于所用光引发剂的激发态寿命。低固化速率不仅影响固化效果,同时也直接影响着成型机的工作效率,很难适用于商业生产。

4、溶胀小:在模型成型过程中,液态树脂一直覆盖在已固化的部分工件上面,能够渗入到固化件内而使已经固化的树脂发生溶胀,造成零件尺寸发生增大。只有树脂溶胀小,才能保证模型的精度。

5、高的光敏感性:由于SLA所用的是单色光,这就要求感光树脂与激光的波长必须匹配,即激光的波长尽可能在感光树脂的最大吸收波长附近。同时感光树脂的吸收波长范围应窄,这样可以保证只在激光照射的点上发生固化,从而提高零件的制作精度。

6、固化程度高:可以减少后固化成型模型的收缩,从而减少后固化变形。

7、湿态强度高:较高的湿态强度可以保证后固化过程不产生变形、膨胀、及层间剥离。

四、应用原理

光敏树脂材料是SLA快速成型专用3D打印材料,SLA(StereoLithographyApparatus)立体印刷3D打印成型,也称液态光敏树脂选择性固化,通常简称为光固化成型。SLA技术是基于液态光敏树脂的光固化原理,这种树脂材料在一定波长和强度的紫外光(激光波长位于紫外波段,入一325nm)的照射下能迅速发生交联反应而生成固化物。

光敏树脂SLA用材料一般都是液态光敏树脂,如光敏环氧树脂、光敏乙烯醚、光敏环氧丙烯酸脂、光敏丙烯树脂等。光敏树脂由两大部分组成,即光引发剂和树脂(树脂由预聚物、稀释剂及少量助剂组成)。光引发剂受到一定波长(3oonm一4oonm)的紫外光辐射时,吸收光能,由基态变为激发态,然后再生成活性自由基,引发预聚物和活性单体进行聚合固化反应;稀释剂主要是起稀释的作用,保证光敏树脂在室温下有足够的流动性,以便在制作下一层前流匀。

3D打印光固化树脂材料模型

光引发剂和稀释剂的用量对光敏树脂的固化速度和固化质量有着重要的影响。在一定的范围内,增加光引发剂的用量可以适当加快固化速度,但若超出一定范围,继续增加,固化速度不是加快,反而是降低;稀释剂用量对液面流平速度影响较大,用量大则液体粘度降低,流平性好,但过量时,各线性分子链间隔过大,彼此相遇发生交联的机会下降,势必会影响固化速度和质量。光引发剂和稀释剂用量比例恰当,此时不但固化速度快,而且固化质量也较好。

选用光敏树脂材料要求有以下性能特点:在一定频率的单色光的照射下迅速固化并具有较小的临界曝光和较大的固化穿透深度;固化收缩小,固化收缩导致零件产生变形、翘曲、开裂等,从而影响到成型零件的精度,低收缩性树脂有利于成型出高精度零件;粘度低,成型中低粘度有利于树脂在己固化层上面流平;溶胀小,湿态成型件在液态树脂中的溶胀造成零件尺寸偏大;快速原型件要具有足够的强度和良好的表面光洁度,且成型时毒性较小等等。当然成型清洗之后是没有毒没有污染的,不用担心使用。

五、用途

光敏树脂是一种节能环保、力学性能优、收缩率低的复合型光固化新材料。

广泛应用于航空航天、汽车摩托车、电子电器、生物医学、玩具、工艺品等领域是国家快速制造的新工艺、新方法,其制造工艺科学先进、周期短、成本低、精度高,是一项革命性的快速制造技术。

3D打印光敏树脂牙齿

光固化复合树脂广泛应用于临床,其性能好,色泽美观持久,操作简便,成本低,深受欢迎,是口腔科常用的充填、修复材料,由于它的色泽美观,具有一定的的抗压强度,因此在临床应用中起着重要的作用,我们用于前牙各类缺损及窝洞修复取得满意的效果。

六、现状

通常我们所提到的3D打印光敏树脂大多为环氧树脂,环氧树脂是一种便于铸造的激光快速成型树脂,它含灰量极低(800℃时的残留含灰量<=0.01%,可用于熔融石英和氧化铝高温型壳体系,而且不含重金属锑,可用于制造极其精密的快速铸造模型。

光敏树脂材料的3D打印的成品细节很好,表面质量高,可通过喷漆等工艺上色。但是光敏树脂打印的物品如果长时间曝露在光照条件下,会逐渐变脆、变黄。这种材料多用于打印对模型精度和表面质量要求较高的精细模型、复杂的设计模型,比方说手板、手办,首饰或者精密装配件等等。但不适合打印大件的模型,如需打印大件的,需要拆件打印。

光敏树脂材料不单成型效果好,而且比较便宜,所以才成为了打印手板的首选材料。对于产品上市前打个样品进行外观和功能验证是否可行,这笔打样费实在是非常划算,相对于没有打样直接生产,可以省掉很大一部分钱。

TAG标签: 树脂