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光敏树脂材料的应用解析

2017-03-18 09:42
水墨黯月
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光固化材料早在4000多年前就被古埃及人应用在木乃伊的制作上。据记载,古埃及人用浸涂上沥青的亚麻布条包封木乃伊,由于沥青中含有不饱和化合物,置于阳光下便可以固化。我国民间使用桐油浸涂木制器具并置于太阳光下固化,也能在木器表面形成防水防漏的耐磨保护层,实际上这也是光固化技术的应用。在20世纪40年代,第一个被授权的紫外光固化涂料专利是由不饱和聚酯和苯乙烯组成。1968年,德国的一家公司首先利用不饱和树脂与安息香醚的紫外光固化系统制成了商品化的产品,开发了第一代紫外光固化涂料。20世纪70年代初,美国的两家化学公司先后研制出紫外光固化油墨。随后他们很快开发了丙烯酸系光固化涂料,在美国形成了光固化涂料的热潮,仅1972年一年内就装配了16条大型流水线,线速度达120米/分钟,在涂料干燥史上创造了前所未有的高速度,引起了涂料界的极大关注。这被称为第二代光固化涂料。

树脂是生产塑料制品的一种原材料,种类很多,包括天然树脂和人造树脂。如果限制在对紫外光敏感的树脂(光敏树脂),树脂的选择性就不多了。光敏树脂材料适用于光聚合成型3D打印技术,主要包括光固化成型(SLA)、数字光处理(DLP)、聚合物喷射(PolyJet),以及新兴的连续液界制造技术(CLIP)、双光子3D打印(TPP)。

光敏树脂也称为UV树脂,是一种具有多方面优越性的特殊树脂,由光敏预聚体、活性稀释剂和光敏剂组成。光敏树脂一般为液态,它在一定波长的紫外光(250 nm~400 nm)照射下立刻引起聚合反应,完成固化。光敏树脂用途非常广泛,可用于制作高强度、耐高温、防水材料,具有节约能源、污染小、固化速度快、生产效率高等特点。

合格的适用于3D打印的光敏树脂需要满足以下几点要求。

1.对特定波长光源的高敏感性。3D打印大多使用特定波长的光源作为引发反应的光源,这就需要光敏树脂材料对光源具有高敏感性。

2.合适的光固化速度。3D打印光敏树脂必须要有高的固化速度,以确保下一层树脂和上层树脂能够快速实现固化,但也不能固化速度过快。作为黏结剂使用的光敏树脂必须保证固化速度低于树脂渗透速度,以避免树脂尚未渗透到位就被固化而导致树脂无法继续流动,造成黏结性能欠佳。

目前常见的光敏树脂分为两大类,丙烯酸酯类和环氧树脂类。

1 环氧树脂

环氧树脂(Epoxy Resin,简称EP)是3D打印最常见的一种光敏树脂。1930年,环氧树脂首先由瑞士的Pierre Castan和美国的S.Q. Greenlee合成,属于热固性塑料。我国自1958年开始对环氧树脂进行研究,并以很快的速度投入工业生产,这些树脂可广泛应用于国防、国民经济各部门,作浇注、浸渍、层压料、粘结剂、涂料等用途。

环氧树脂作为3D打印的材料,可利用纳米粘土薄片来增强黏性,此外还有碳化硅和碳纤维作为填充物。通过改变这些填充物的组合,科学家可以自由控制材料的强度来满足各种需求。这个新材料可以用来制造更轻的汽车或飞机,或者作为建筑结构件用在轻质建筑中,可谓是一种十分理想的材料。

环氧树脂加约1%体积的碳纤维复合材料3D打印蜂窝结构

环氧树脂在3D打印中的另一个重要用途就是作为黏结剂使用。环氧树脂与无机、金属粉末材料有良好的相容性,能够迅速浸润无机或金属粉末表面。环氧树脂作为光敏涂料在人们日常生活中已得到了广泛的研究和应用,产品种类繁多,适用面广,在不同体系中均可找到相对应的环氧树脂光敏材料使用。

设计公司Kol/Mac利用环氧树脂打印的“树根座椅”,耗时一个半月(图片来源:IT时报)

环氧树脂材料打印的模型(图片来源:ejdyin.com)

2 丙烯酸酯

丙烯酸酯具有色浅、耐光耐热、耐化学腐蚀等特点,因此,用丙烯酸酯制造的涂料,用途广泛、种类繁多。3D打印技术在与丙烯酸酯单体联用时,丙烯酸酯单体可与光引发剂混合,而光引发剂在紫外光区吸收一定波长的能量,该引发剂产生自由基。自由基聚合反应的优势在于其反应速度快,所需的固化时间较短。但是自由基聚合反应受到氧气的影响:自由基会与空气中的氧气发生反应,从而被消耗,导致聚合反应受阻。宏观表现为,光敏树脂固化后的表层没有完全固化,手感粘黏。

此外,陶瓷和金属也可作为打印材料。将陶瓷粉以1:1的比例与丙烯酸酯混合后,树脂可起到黏合剂的作用。加入了陶瓷粉的树脂会在一定程度上实现固化,其硬度正好足以保持实物的形状。之后,再通过熔炉对加入了陶瓷粉的成品进行烧制,以除掉其中的聚合物,并将陶瓷成分黏合到一起,使最终成品中的陶瓷含量高达99%。这种方法也同样适用于含有金属粉的丙烯酸酯类树脂。

用丙烯酸酯材料制作的3D打印物品

利用丙烯酸酯打印的城市模型(图片来源:Shapeways)

Somos 19120是一种铸造专用材料,成型后可用于蜡模原型,拥有低留灰烬和高精度的特点。

利用丙烯酸酯打印的火车(图片来源:Shapeways)

世界首例丙烯酸3D打印椎骨植入物,用来替换第五节椎骨(图片来源:3ders.com)

利用丙烯酸酯打印的透明制品(图片来源:3ders.com)

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