紫外光衰減對(duì)陶瓷光固化漿料聚合的影響

供稿人:武向權(quán)，連芩

清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Xinyi Li, Kehui Hu等人研究了陶瓷光固化中紫外光穿透固化層并衰減后對(duì)前一層固化的影響，并以此來(lái)解釋層界面間的化學(xué)鍵結(jié)合，取得了初步進(jìn)展。

層界面之間的弱結(jié)合強(qiáng)度會(huì)嚴(yán)重影響光固化制造的陶瓷部件的質(zhì)量。因此，使用化學(xué)鍵來(lái)增強(qiáng)這些部分內(nèi)的粘合是合理的。固化層的二次轉(zhuǎn)化定義為在后一層的曝光中由衰減的紫外（UV）光引起的該層轉(zhuǎn)化率增加。二次轉(zhuǎn)化受到包括入射能量劑量和傳播長(zhǎng)度在內(nèi)的參數(shù)的影響。這些參數(shù)的優(yōu)化有助于實(shí)現(xiàn)更高的化學(xué)鍵轉(zhuǎn)化率。

圖1 固化過(guò)程的多曝光模型

要評(píng)估層之間的粘合類型，模型必須至少包含兩層。根據(jù)光固化的自下而上曝光的方式，提出了一種多曝光模型，如圖1所示。固化層位于最近固化的層下面，夾層是感興趣的區(qū)域。在曝光過(guò)程中，當(dāng)施加固化光時(shí)，在固化層中發(fā)生光聚合，將其從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。層界面同時(shí)形成。固化光在其通過(guò)固化層的傳播過(guò)程中衰減，并且任何剩余的衰減光會(huì)施加到先前固化的層上。因此，如果要在層界面檢測(cè)到化學(xué)鍵轉(zhuǎn)化，則需要滿足三個(gè)條件：（i）在最近固化的層內(nèi)部存在殘余單體; （ii）殘余單體在衰減的固化光下進(jìn)一步聚合; （iii）衰減能量劑量大于閾值。

圖 2（a）紫外線強(qiáng)度衰減測(cè)量系統(tǒng)，（b）溫度測(cè)量系統(tǒng)

研究者們采取了三個(gè)步驟來(lái)量化二次轉(zhuǎn)化的水平。首先，用衰減定律來(lái)確定漿料固化吸收的固化光能量，以及在第二次曝光期間將多少能量轉(zhuǎn)移到前一固化層。其次，檢查該值以確定該能量是否足以引起二次反應(yīng)。由于光聚合是放熱反應(yīng)，可以通過(guò)溫度變化來(lái)指示。第三，如果檢測(cè)到二次反應(yīng)，則使用FTIR確定固化的二次轉(zhuǎn)化量。圖 2為他們采用的紫外線強(qiáng)度衰減測(cè)量系統(tǒng)和固化放熱溫度測(cè)量系統(tǒng)。

圖3（a）不同入射光強(qiáng)度下的溫度變化,（b）不同傳播長(zhǎng)度下的溫度變化

圖4 不同入射能量劑量下的轉(zhuǎn)化率

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3，假設(shè)恒定的光傳播長(zhǎng)度，隨著入射光強(qiáng)度的增加，第一次固化溫度增加，第二次固化增量小于第一次固化增量。在圖3b中，假設(shè)恒定的入射能量劑量，隨著光傳播長(zhǎng)度的增加，第二次固化增量實(shí)際上降低了。如圖4，在恒定傳播長(zhǎng)度下，隨著入射能量劑量的增加，第一次固化轉(zhuǎn)化率增加，同時(shí)二次轉(zhuǎn)化率降低。但是，總轉(zhuǎn)化率增加，直到達(dá)到最終轉(zhuǎn)化率。

該研究證實(shí)了由衰減的入射光引起的固化層中轉(zhuǎn)化率增加，且其過(guò)程發(fā)生溫度變化。初級(jí)和次級(jí)轉(zhuǎn)換的程度受入射能量劑量和傳播長(zhǎng)度的影響。當(dāng)入射能量為35.6mJ / cm2，傳播長(zhǎng)度為50μm時(shí)，固化層達(dá)到最終轉(zhuǎn)化率并具有最高的二次轉(zhuǎn)化率，此時(shí)固化層處于最高強(qiáng)度并具有最高轉(zhuǎn)化率。

參考文獻(xiàn)：
Li X, Hu K, Lu Z. Effect of light attenuation on polymerization of ceramic suspensions for stereolithography[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2019.

供稿人:武向權(quán)，連芩
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室