适用于3D打印的新型光固化体系研究

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近年来,随着人们对于个性化、定制化产品的需求日益增多,光固化3D打印技术因其成型速度快、操作方便等优势受到越来越多地关注,在航天航空、生物医疗、能源动力等领域都有着广泛应用。在光固化3D打印过程中,光固化树脂体系作为影响最终打印成品质量的关键因素,对其进行研究具有十分重要的意义。目前,商品化的光固化树脂材料种类虽然已经较为丰富,但是现有的光固化材料也还存在着精度不高、力学性能不好等问题。此外,如今有很多3D打印的应用场景需要高打印分辨率、高透光、高弹性、生物相容性好等各种特殊功能的材料。因此在已有3D打印光固化树脂的基础上,进一步提升性能,发展新型的3D打印光固化材料体系的研究仍大有可为。本文分别研究了乙烯基醚阳离子光固化体系、丙烯酸酯改性自由基光固化体系以及自由基-阳离子混杂光固化体系。在乙烯基醚阳离子光固化体系的研究中,选取了乙烯基醚单体作为体系的主体成分。乙烯基醚阳离子光固化体系中,常用的阳离子引发剂芳基碘鎓盐、芳基硫鎓盐的主要吸收波长在220–310 nm的短波长紫外区间,而3D打印的曝光光源一般为365 nm或405 nm,造成乙烯基醚树脂的引发、聚合反应速率低,还较少用于光固化3D打印的应用中。在阳离子引发聚合的体系中引入夺氢型自由基光引发剂,可以促进芳基鎓盐型引发剂光照分解产生碳正离子,引发乙烯基醚单体的聚合。我们以2-异丙基硫杂蒽酮为夺氢型自由基光引发剂、六氟锑酸辛氧基苯基苯基碘鎓盐为阳离子光引发剂,研究了乙烯基醚单体在365nm波长下光引发的聚合速率,表明在夺氢型自由基光引发剂的辅助下确实可大幅度提升阳离子单体的聚合速率。为了进一步调控体系光固化材料的性能,通过定量研究了各类助剂在体系中的用量,确定了体系中各组分的比例。之后,通过固化厚度测试表明该体系光固化薄膜材料的厚度能低至30μm,有利于提高体系的打印精度;通过聚合速率测试证明了该体系能在较短时间内快速聚合,提高打印效率;此外,还进行了热稳定性测试、粘度测试等,并最终进行光固化3D打印,证明了该体系可以用于打印微米级的精细结构。在丙烯酸酯改性自由基光固化体系中,利用不同自由基单体材料的复配,分别得到了高强度光固化材料和高透明光固化材料。通过拉伸强度测试和邵氏硬度测试表明高强度光固化材料的拉伸强度达到61 MPa,邵氏硬度为62 HD;通过粘度测试,该体系的粘度仅为9.66 m Pa·s,有利于提高光固化3D打印的效率。通过透光率测试,发现得到的两种高透明光固化材料的透光率分别达到了93%和90%,证明了两种光固化材料优异的透光性能。在自由基-阳离子混杂光固化体系研究中,主要对于混杂体系的力学性能进行了探究,一方面,得到了一种高断裂伸长率的混杂体系,该体系的断裂伸长率可达37%;另一方面,还得到了一种力学性能较好的混杂体系,通过拉伸强度测试和邵氏硬度测试表明该体系的拉伸强度达到40 MPa,邵氏硬度为62 HD。之后又探究了后固化温度和时间对于该体系力学性能的影响,发现后固化温度和时间不会明显提升固化材料的拉伸强度,但会对固化材料的断裂伸长率造成较大影响。
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