郭天喜,陳 遒
(1.浙江廣播電視大學德清學院,浙江 德清 313201;2.杭州師范大學有機硅化學及材料技術(shù)教育部重點實驗室,浙江 杭州 311121)
用于光固化三維快速成型(SLA)的光敏樹脂研究現(xiàn)狀與展望
郭天喜1,陳 遒2
(1.浙江廣播電視大學德清學院,浙江 德清 313201;2.杭州師范大學有機硅化學及材料技術(shù)教育部重點實驗室,浙江 杭州 311121)
概述了近年來用于光固化三維快速成型(SLA)的光敏樹脂研究現(xiàn)狀,討論了其基礎(chǔ)樹脂成分、引發(fā)劑體系對3D打印工藝及成型物性能的影響,并展望了光固化三維快速成型(SLA)材料的研究趨勢.
光固化三維快速成型;光敏樹脂;3D打印
快速原型制造(Rapid Prototyping)技術(shù)是一種先進的工業(yè)制造技術(shù),其中被稱為3D打印(Three Dimensional Printing)的三維快速成型技術(shù)近年來發(fā)展尤其令人矚目.它運用金屬、陶瓷、聚合物等材料,通過多層疊加打印方式制造產(chǎn)品.目前,三維快速成型技術(shù)的使用已波及工業(yè)、醫(yī)療、文化創(chuàng)意等多個領(lǐng)域,應(yīng)用前景廣闊.3D打印行業(yè)已成為眾多研發(fā)人員、資金投向的熱點領(lǐng)域.
在主流的三維快速成型技術(shù)中,有包括光固化三維成型技術(shù)(SLA)、熔融沉積成型技術(shù)(FDM)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)、三維粉末粘接(3DP)技術(shù)等.其中,光固化三維成型技術(shù)(SLA)就是通過在計算機控制下的紫外激光束,以計算機模型的各分層截面為路徑逐點掃描,使掃描區(qū)內(nèi)的光敏樹脂薄層產(chǎn)生光聚合或光交聯(lián)反應(yīng)而固化.當一層固化完成后,在垂直方向移動工作臺,使先前固化的樹脂表面覆蓋一層新的液態(tài)樹脂,再逐層掃描、固化,最終獲得三維原型.該技術(shù)優(yōu)點是精度高、表面質(zhì)量好,可以加工結(jié)構(gòu)外形復雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具.在光固化三維成型技術(shù)(SLA)中,合適的液態(tài)光敏樹脂是這類三維快速成型技術(shù)的重要組成部分,同時也決定了成型物的各項性能[1-5].
1.1 SLA光敏樹脂體系的化學組成
用于光固化三維成型(SLA)技術(shù)的光敏樹脂的基礎(chǔ)化學組成與傳統(tǒng)的紫外光固化物質(zhì)一樣,主要由可光固化的預聚物、活性稀釋劑、光引發(fā)劑及輔助材料組成.早期用于SLA技術(shù)光敏樹脂體系中主要的預聚物及稀釋劑以丙烯酸酯類物質(zhì)為主,采用自由基型光引發(fā)劑固化體系,這種體系的樹脂在用激光打印時固化速度快,但材料在光固化時收縮率大,成型后的器件變形厲害.另外,成型物的機械性能和耐溫性也不好,實際用途小.為此,現(xiàn)在的SLA光敏樹脂采用的是以丙烯酸酯和環(huán)氧化合物為主體的混合物,自由基和陽離子光引發(fā)劑雙重引發(fā)的物質(zhì)體系[6-8].如Lapin等人報道一種用于三維成型的光固化物的光敏樹脂,其組分包括30%~70%質(zhì)量分數(shù)脂肪族和芳香族的環(huán)氧樹脂,15%~50%質(zhì)量分數(shù)的至少一種多官能度的丙烯酸酯化合物,5%~30%質(zhì)量分數(shù)的羥基化合物,1%~6%質(zhì)量分數(shù)的陽離子光引發(fā)劑和1%~6%質(zhì)量分數(shù)的自由基引發(fā)劑等物質(zhì)[9].Yamamura 等人報道的液態(tài)光敏樹脂組分包括30%~70%質(zhì)量分數(shù)的至少含一個脂環(huán)族環(huán)氧基的化合物,5%~45%質(zhì)量分數(shù)的的丙烯酸酯或丙烯酰胺類的化合物,5%~35%質(zhì)量分數(shù)含3~6個羥基的多元醇,3%~30%質(zhì)量分數(shù)的納米橡膠顆粒,陽離子光引發(fā)劑和自由基光引發(fā)劑等物質(zhì)[10].
1.2 SLA光敏樹脂特性與三維快速成型工藝及成型物性能關(guān)系的研究
一種優(yōu)良的用于SLA技術(shù)的光敏樹脂除了要求與常規(guī)紫外光固化材料有相似的特性外,如:固化前化學物理穩(wěn)定性要好,固化成型時材料的收縮率要小,成型物的機械性能和熱穩(wěn)定性要好等,還應(yīng)有其它一些特性,如:樹脂粘度要低,固化產(chǎn)物的耐溶劑性能要好,樹脂對相應(yīng)頻率的激光有較高的光學響應(yīng)性,在3D打印時,固化速度要快,同時保持良好的成型精度及較高的力學強度等.這些特性是與光固化三維快速成型的工藝技術(shù)相匹配的.用于3D打印的光敏樹脂化學成分的特性將直接影響SLA技術(shù)成型器件的質(zhì)量好壞.
從文獻報道中用于SLA技術(shù)3D打印樹脂的化學組成來看,目前使用的預聚物均是含不飽和官能團化合物及環(huán)氧樹脂類的化合物.其中含不飽和基團化合物的組分在激光照射下固化速度快,可為成型物提供較強的初始強度,實現(xiàn)快速成型的要求.常用的這類化合物有:(甲基)丙烯酸酯、聚酯或聚醚改性的丙烯酸酯、聚氨酯改性的丙烯酸酯、環(huán)氧改性的丙烯酸酯、丙烯酰胺及乙烯基醚等[11-14].
這些預聚物在實際使用時往往是幾種單官能團或多官能團化合物組合使用.但是含不飽和基團化合物最大的缺點是固化收縮率大,成型時及成型后易變形,要得到較高的加工成形精度非常困難.究其原因是由于化合物的不飽和鍵在聚合后,材料體系中原先分子間部分范德華力的距離變成了共價鍵距離.由于共價鍵距離小于范德華力距離,光反應(yīng)后會造成材料的體積收縮.這種收縮的存在,直接導致成型器件的翹曲變形,嚴重時會導致3D打印失敗[15].
在光敏樹脂中加入環(huán)氧類化合物可以彌補含不飽和官能團化合物的不足.環(huán)氧化合物在激光照射下發(fā)生陽離子開環(huán)聚合反應(yīng).由于開環(huán)后形成的結(jié)構(gòu)單元尺寸大于未開環(huán)的結(jié)構(gòu)單元尺寸,所以材料在光固化反應(yīng)時存在著一定的體積膨脹,相對于單純的丙烯酸酯物質(zhì),加入環(huán)氧化合物的混合體系體積收縮更小.因此使用自由基和陽離子光引發(fā)復合體系的光敏樹脂可以在三維快速成型中實現(xiàn)高精度的造型.眾多文獻報道的環(huán)氧化合物有脂肪族環(huán)氧化合物、芳香族環(huán)氧化合物,包括三元環(huán)、四元環(huán)等環(huán)氧結(jié)構(gòu).從光固化反應(yīng)及成型物的性能來看,脂肪族的環(huán)氧化合物,尤其是脂環(huán)族的化合物反應(yīng)活性較高,成型后器件的韌性相對較好.常用的這些物質(zhì)有3,4-環(huán)氧環(huán)己基甲酸-3’,4’-環(huán)氧環(huán)己基甲酯,己二酸二(3,4-環(huán)氧環(huán)己基甲基)酯等.芳香族的環(huán)氧化合物中最常用的是雙酚A、雙份F等,芳香族的環(huán)氧化合物可以為成型物提供更高的硬度,但也帶來了材料的脆性,使成型器件韌性變差.近來有文獻報道,在光敏樹脂中添加四元環(huán)結(jié)構(gòu)的氧雜環(huán)丁烷不僅可以改善成型物的柔韌性,而且在光固化成型過程中成型物很少出現(xiàn)卷曲和變形的現(xiàn)象,最終可得到成型精度更高的器件[10, 16-18].這些氧雜環(huán)丁烷主要如圖1所示有幾種.
圖1 用于光固化三維快速成型的氧雜環(huán)丁烷的結(jié)構(gòu)Fig. 1 The structures of oxetane used in stereolithography
1.3 SLA光敏樹脂中光引發(fā)劑與三維快速成型技術(shù)關(guān)系的研究
由于SLA光敏樹脂的基本成分采用的是丙烯酸酯和環(huán)氧化合物的混合物,所以采用自由基和陽離子光引發(fā)劑雙重引發(fā)的物質(zhì)體系進行光固化反應(yīng).
常用的自由基引發(fā)劑包括苯偶姻衍生物、苯偶酰縮酮、苯乙酮衍生物及芳香酮類化合物.對于使用355 nm激光器的SLA 3D打印,芐基甲基縮酮、1-羥基環(huán)己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲?;交趸⒑?-芐基-2-二甲基氨基-1-(4-嗎啉代苯基)-1-丁酮是光敏樹脂體系優(yōu)選的光引發(fā)劑.
對于400 nm以上波長進行3D打印的光敏樹脂的光引發(fā)劑可選擇離子型染料-配對離子化合物,這些化合物能夠吸收光能產(chǎn)生自由基,從而引發(fā)丙烯酸酯固化[19-21].合適的離子型染料-配對離子化合物有陰離子型染料-碘鎓離子、陰離子型染料-吡喃鎓離子配合物及陽離子染料-硼酸鹽陽離子化合物.
常用的陽離子光引發(fā)劑有碘鎓鹽、硫鎓鹽及芳茂金屬鹽等.文獻報道較優(yōu)的有六氟合銻酸三芳基硫鎓鹽、四(全氟苯基)合硼酸碘鎓鹽等[22-24].而芳茂鐵鹽在近紫外有較強的吸收,在可見光區(qū)也有吸收,因此可用于400 nm以上波長的光固化3D打印材料體系.
由于光引發(fā)劑即使沒有紫外光照,也會因熱等因素導致液態(tài)樹脂粘度增加,使體系不穩(wěn)定,保質(zhì)期下降.特別對于反應(yīng)性的陽離子光引發(fā)劑這現(xiàn)象表現(xiàn)得更明顯. Melisaris等人報道,在雙引發(fā)體系的激光3D打印光敏樹脂中加入5-5000 ppm的芐基-N,N-二甲胺,可以延時或阻止樹脂粘度的增大[25].Lawton等人通過加入0.0001~0.5 g/L,pKa大于3.0的堿金屬或堿土金屬元素的弱酸鹽來穩(wěn)定液態(tài)樹脂[26],防止樹脂變質(zhì).
約翰·威·馮等人使用至少兩種在光敏樹脂中具有不同熱穩(wěn)定性的陽離子光引發(fā)劑,一種是含六氟磷酸根的硫鎓鹽,它可以增加樹脂體系的穩(wěn)定性,但是反應(yīng)活性較差.另一種是六氟銻酸根的硫鎓鹽,它具有高的反應(yīng)活性,但隨時間的增加導致樹脂不穩(wěn)定.而兩種以上的陽離子引發(fā)劑共同使用,可以起到性能上的互補,兼顧了液態(tài)樹脂的熱穩(wěn)定性和固化成型物的力學性能[27].
六氟銻酸根的硫鎓鹽因反應(yīng)活性高被廣泛應(yīng)用于環(huán)氧化合物等組分的光固化反應(yīng)中,但是銻元素存在著生理毒性,其應(yīng)用范圍受到限制.所以,在3D打印光敏樹脂中,使用無銻的光引發(fā)劑逐漸被重視,F(xiàn)ong等報道了在三維快速光固化成型樹脂中使用六氟磷酸三芳基硫鎓鹽,可以通過3D打印得到既有良好初始強度又無毒性的器件[28].
1.4 SLA光敏樹脂特性參數(shù)對三維快速成型的影響研究
在SLA三維快速成型技術(shù)中,固化成型速度和成型精度主要取決于激光能量和分層厚度,而這些數(shù)據(jù)的確定則依據(jù)光敏樹脂的臨界曝光量(Ec)和透射深度(Dp)這兩個參數(shù).它們反映了光敏材料的光固化性能.
1.4.1 光敏樹脂的臨界曝光量和透射深度
照射到光敏樹脂上的激光強度是影響光固化成型的主要因素.光敏樹脂的臨界曝光量(Ec)是指使光敏樹脂發(fā)生凝膠的最低能量.臨界曝光量(Ec)越低,光敏樹脂越容易固化.透射深度(Dp)是指光敏樹脂中激光能量密度衰減成入射能量密度1/e時的深度.反映了材料對紫外激光吸收性能的強弱.因此對于特定的光敏樹脂,透射深度(Dp)值越大,表示該樹脂對激光能量的吸收越小.
三維快速成型技術(shù)中的光固化行為遵循Lambert-Beer定律:E(z)=Eexp(-z/Dp).其中E為入射能量密度,E(z)為透射到z深度時激光的能量密度.當液態(tài)光敏樹脂接收到的紫外激光能量(E)超過一定值后,引起光敏樹脂凝膠固化,該臨界值Ec就是光敏樹脂的臨界曝光量.此時固化深度Cd=Dpln(E/Ec).該表達式也就是光敏樹脂的光固化方程.反映了光敏樹脂的光固化性能.
1.4.2 SLA光敏樹脂特性參數(shù)與光固化三維快速成型工藝的關(guān)系研究
在光固化三維快速成型中,丙烯酸酯樹脂類的自由基型光敏樹脂在光固化時存在著氧阻聚的問題,它是液態(tài)樹脂難于固化的一個重要因素.氧阻聚的存在使得臨界曝光量(Ec)會變大,固化深度Cd變小.其結(jié)果是大幅降低了3D打印的速度.所以,一種良好的光敏樹脂必須在光固化時盡量減小或避免氧阻聚,降低臨界曝光量(Ec).從化學材料的角度來看,通常的解決方法是采取使用較高光學活性的預聚體,在材料體系中加入抗氧阻聚的化合物,也可以采用添加光敏劑與光引發(fā)劑協(xié)同作用等手段,來提高三維成型速度.
較小的透射深度(Dp)意味著在相同激光功率照射下,光敏樹脂固化成型的層厚越薄.層厚越薄,三維成型器件的精度就越好.但是透射深度(Dp)值過小,又會降低光固化成型的速度.另外,在光固化三維快速成型中,SLA設(shè)備操作中的分層厚度工藝參數(shù)設(shè)定不能大于透射深度(Dp)值,如果分層厚度大于透射深度(Dp),成型時固化層之間不能有效地粘結(jié)在一起,最終會導致3D打印失敗.所以,合理地控制光敏樹脂的特性參數(shù)是光敏樹脂材料能否實現(xiàn)三維快速成型的關(guān)鍵[29-30].
2.1 可高速打印和高精度成型的光敏樹脂研發(fā)
雖然三維快速成型技術(shù)已走向?qū)嶋H的生產(chǎn)及商業(yè)領(lǐng)域,但是很多使用者抱怨3D打印的速度問題,一件幾十克左右的物件,成型時間往往在4~5小時以上.3D打印速度慢增加了使用者的商業(yè)成本,使“快速”兩字大打折扣.另外,由于三維快速成型技術(shù)本質(zhì)上是“層疊加”,因此在光固化時材料層與層之間的界面難以連續(xù),這樣就產(chǎn)生了成型精度有限的問題.所以,實現(xiàn)高速、高精度打印是打印機和耗材研發(fā)者共同追求的目標.近日美國Carbon 3D團隊報道了光固化3D打印的CLIP技術(shù),該技術(shù)就是利用光敏樹脂的氧阻聚,在液態(tài)光敏樹脂界面上實現(xiàn)連續(xù)固化成型.這項技術(shù)使3D打印的速度比傳統(tǒng)工藝提高了幾十倍,并大大提高了成型精度[31].
2.2 功能化的光敏樹脂的研發(fā)
由于現(xiàn)用的SLA光敏樹脂化學與物理性能的局限,使得SLA技術(shù)的應(yīng)用絕大多數(shù)集中在模具、文物保護及文化創(chuàng)意等領(lǐng)域,很少能作為直接安裝使用的機械零件.如果材料可以滿足使用者在材料功能上的需求,如:抗沖擊性、導電性、耐高溫性、阻燃性、耐溶劑性、高透光性及生物相容性等,那么三維快速成型技術(shù)將會大大擴展其應(yīng)用領(lǐng)域,實現(xiàn)質(zhì)的飛躍.從最近幾年文獻報道來看,SLA技術(shù)應(yīng)用在生物醫(yī)療領(lǐng)域飛速發(fā)展,如開發(fā)出可打印多孔性的骨骼或生物支架的光敏凝膠材料,材料具有生物相容性,可在上面培育細胞,實現(xiàn)生物器官的3D打印[32-34].所以,如何開發(fā)及研究帶有功能性的新型光敏樹脂材料體系是材料研發(fā)者面臨的一大挑戰(zhàn).
2.3 無毒害無環(huán)境污染光敏樹脂的研發(fā)
綠色環(huán)保是當前社會發(fā)展的重要課題.雖然光固化技術(shù)的優(yōu)勢是無或低的碳排放,被譽為綠色化學,但是在光敏樹脂配方中經(jīng)常會用到有毒有害的化合物,如含銻化合物、碘鎓鹽等.這些物質(zhì)的添加影響了三維快速成型技術(shù)在醫(yī)學生物及食品等領(lǐng)域中的應(yīng)用,同時,廢料的排放也會對環(huán)境起到毒害作用.所以研發(fā)新型無毒光引發(fā)體系及綠色環(huán)保的光敏樹脂越來越被人重視,已成為一個必然的發(fā)展趨勢.
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The Research State and Prospect of Photosensitive Resin Used in Stereolithography (SLA)
GUO Tianxi1, CHEN Qiu2
(1.Deqing College, Zhejiang Radio and Television University, Deqing 313201, China; 2.Key Laboratory of Organosilicon Chemistry and Material Technology of Ministry of Education, Hangzhou Normal University, Hangzhou 311121, China)
The research state of photosensitive resin used in stereolithography was discribed, and the effects of the main components and photoinitiator in photosensitive resin on 3D printing process and mechanical properties was also discussed. The prospect of the development trend of stereolithographic resin was presented.
stereolithography; photosensitive resin; 3D printing
2015-06-30
杭州市創(chuàng)新鏈產(chǎn)業(yè)鏈重大科技創(chuàng)新專項 ( 20132111A05 ).
陳 遒( 1966—),男,高級實驗師,碩士,主要從事材料化學研究.E-mail:chenqiu1966@163.com
10.3969/j.issn.1674-232X.2016.02.006
O6-1
A
1674-232X(2016)02-0143-06