Вы когда-нибудь задумывались, как свет может почти мгновенно превратить жидкость в твердое тело? Фоточувствительные смолы, используемые во всем - от 3D-печати до медицинских приборов, - претерпевают химические изменения под воздействием ультрафиолетового света. В этой статье мы рассмотрим их типы, состав и то, как инновации делают их более безопасными и эффективными. Окунитесь в научный мир этих удивительных материалов и узнайте об их широком применении в различных отраслях.
Фоточувствительные смолы относятся к смолам, которые подвергаются химической полимеризации или сшивке при воздействии определенного светового излучения, облегчаемого фотоинициаторами, что приводит к полимеризации мономеров или олигомерной основы. Как правило, среди различных типов светового излучения ультрафиолетовое (УФ) излучение имеет энергию активации, наиболее близкую к той, которая требуется для химических реакций полимеризации.
Поэтому фоточувствительные смолы обычно отверждаются с помощью ультрафиолетового света и часто называются УФ-чувствительными смолами, УФ-отверждаемыми смолами, безтеневыми УФ-клеями, фоторезистами и т.д. Каждый продукт на основе фоточувствительной смолы имеет различные компоненты и реагирует на определенные длины волн, обычно в диапазоне 250-400 нм.
Важно отметить, что ультрафиолетовое излучение может быть опасным, повреждая ткани и клетки, а озон, образующийся при его взаимодействии с воздухом, также может влиять на рабочую среду. Поэтому исследователи изучают фоточувствительные смолы, которые отверждаются под воздействием видимого или синего света, что привело к публикации патентов на изобретения смол, чувствительных к синему свету.
Фоточувствительные смолы в основном состоят из светочувствительного преполимера, фотоинициатора (или фотосенсибилизатора) и разбавителя.
Фоточувствительный преполимер, также известный как олигомер, представляет собой низкомолекулярный преполимер, способный к фотоотверждению, с молекулярной массой, как правило, в пределах 1000-5000. Он служит основой для фоточувствительных смол и является решающим фактором, определяющим их конечные характеристики.
Основные типы фоточувствительных преполимеров включают акрилатно-модифицированные эпоксидные смолы, ненасыщенные полиэфиры, полиуретаны и тиол-еновые фотоотверждаемые смоляные системы.
Фотоинициаторы и фотосенсибилизаторы способствуют началу полимеризации в процессе отверждения, но при этом существенно различаются. Фотоинициаторы участвуют в реакции путем образования активных форм, таких как свободные радикалы или катионы, при поглощении световой энергии и расходуются в процессе. Фотосенсибилизаторы действуют скорее как катализаторы, передавая энергию без расходования.
Фотоинициаторы можно разделить на три категории по механизму инициирования: свободно-радикальный тип, катионный тип и гибридный тип (включающий оба механизма). Типичным свободнорадикальным фотоинициатором является 2-гидрокси-2-метил-1-фенил-1-пропанон (CAS-1173), а распространенные катионные фотоинициаторы включают соли ферроцениума и йодиниума.
Механизм действия фотосенсибилизаторов включает перенос энергии, абсорбцию водорода и образование комплексов с переносом заряда. К основным фотосенсибилизаторам относятся бензоин, кетон Михлера, тиоксантон и производные бензофенона.
Реактивные разбавители в первую очередь относятся к низкомолекулярным эпоксидным соединениям, содержащим эпоксидные группы, которые могут участвовать в реакции отверждения эпоксидных смол, становясь частью сшитой сетевой структуры отвержденной эпоксидной смолы.
В зависимости от количества реактивных функциональных групп в молекуле реактивные разбавители можно разделить на монофункциональные, дифункциональные и полифункциональные.
Примеры включают монофункциональные разбавители, такие как стирол (St), N-винилпирролидон (NVP), винилацетат (VA), бутилакрилат (BA), 2-этилгексилакрилат (EHA) и гидроксиэтил (мет)акрилат (HEA, HEMA, HPA); дифункциональные разбавители, такие как 1,6-гександиол диакрилат (HDDA), трипропиленгликоль диакрилат (TPGDA) и неопентилгликоль диакрилат (NPGDA); и полифункциональный разбавитель триметилолпропан триакрилат (TMPTA), среди прочих.
Как правило, чем больше функциональных групп в разбавителе, тем выше скорость фотополимеризации, выше степень сшивки, лучше твердость и износостойкость, но выше скорость усадки. Типы функциональных групп в основном включают акрилоилокси, метакрилоилокси, винил и аллил, причем реакционная способность при фотополимеризации уменьшается в следующем порядке: акрилоилокси > метакрилоилокси > винил > аллил.
Энергия активации, возникающая при облучении, может привести к разрыву связей C=C в фоточувствительных форполимерах (мономерах или олигомерах) с образованием функциональных групп. Одновременно она может побудить радикалы в фотоинициаторах к химической полимеризации или реакции сшивания с вышеупомянутыми функциональными группами.
В результате мелкие молекулярные цепи матрицы смолы сплетаются в более крупные молекулярные цепи или даже трехмерные сетевые молекулярные цепи, как показано на рис. 4-63. Таким образом, смола переходит из жидкого в твердое состояние. Следует отметить, что кислород обычно препятствует вышеупомянутым реакциям полимеризации или сшивания в большинстве матриц фоточувствительных смол.
Процесс CLIP эффективно использует эту особенность для предотвращения полимеризации смолы в чане.
Фоточувствительные смолы можно разделить на различные типы, основываясь на различных методах классификации.
В зависимости от используемого растворителя фоточувствительные смолы можно разделить на растворители и на водной основе. Фоточувствительные смолы на основе растворителей гидрофобны и могут растворяться только в органических растворителях, но не в воде.
Обычные фоточувствительные смолы на основе растворителей включают УФ-полиэфирные акрилаты. Фоточувствительные смолы на водной основе являются гидрофильными, способными разлагаться или диспергироваться в воде. Эти смолы содержат определенное количество гидрофильных групп и ненасыщенных групп, которые делают светочувствительные смолы на водной основе гидрофильными, как, например, полиуретановые акрилаты на водной основе.
Прозрачная фотополимерная смола: Эта смола прозрачна от природы и может быть отполирована до полупрозрачной или полностью прозрачной поверхности. В основном она используется для визуальной и структурной проверки различных изделий, позволяя получать высокодетализированные и экономически эффективные поверхности.
Фотополимерная смола сплошного цвета: Естественный цвет смолы - сплошной, а ее поверхность можно полировать, красить или наносить гальваническое покрытие. В основном она используется для проверки структуры изделий, позволяя получить чрезвычайно тонкую отделку поверхности при максимальной рентабельности.
Высокотемпературная фотополимерная смола: Натуральный цвет смолы - телесный, используется в основном для изделий, требующих определенного уровня устойчивости к высоким температурам. Она может выдерживать температуру до 100-110°C, что немного выше, чем у стандартных фотополимеров.
Фотополимерная смола высокой прочности: Обычно желто-зеленого цвета, эта смола обладает чуть большей прочностью, чем стандартные фотополимеры, позволяя слегка изгибаться.
В сфере настольных 3D-принтеров по цене и универсальности в настоящее время доминируют принтеры, работающие по технологии моделирования методом плавленного напыления (FDM), завоевавшие широкую популярность как на внутреннем, так и на международном рынке.
Однако, когда требуется более высокая точность и детализация поверхности, недорогие 3D-принтеры со стереолитографией (SLA) и цифровой обработкой света (DLP) имеют явное преимущество. Растущая доступность недорогих 3D-принтеров SLA и DLP стимулирует развитие технологии фотополимерных материалов.
Смола общего назначения: Изначально производители смол для 3D-печати продавали свои запатентованные материалы, но по мере роста спроса на рынке появилось множество производителей смол, включая MadeSolid, MakerJuice и Spot-A. Изначально смолы для настольных компьютеров были ограничены по цвету и характеристикам, материалы обычно были доступны только в желтом и прозрачном цвете.
Последние разработки расширили цветовые решения, добавив оранжевый, зеленый, красный, желтый, синий, белый и другие цвета.
Жесткая смола: Фотополимерные смолы, используемые в настольных 3D-принтерах, как правило, хрупкие, склонны к поломкам и растрескиванию. Чтобы решить эти проблемы, многие компании начали производить более прочные и долговечные смолы.
Например, компания Formlabs представила новый материал Tough Resin, в котором соблюден баланс между прочностью и удлинением, что обеспечивает 3D-печатным прототипам повышенную ударопрочность и прочность. Это особенно полезно для прототипов прецизионных компонентов или защелкивающихся соединителей.
Литейная смола для литья по выплавляемым моделям: Традиционные процессы литья по выплавляемым моделям могут быть сложными и длительными, а ограничения формы часто ограничивают свободу дизайна. Это особенно верно по сравнению с 3D-печатными восковыми моделями, которые не требуют изготовления форм для восковых моделей.
Заливаемые смолы отличаются низким расширением и требуют полного выгорания полимера в процессе литья, чтобы конечный продукт имел безупречную форму, поскольку остатки пластика могут привести к дефектам и деформации отливки. Такие смолы предлагают производители оборудования, такие как SprintRay, и производители специализированных материалов, такие как Fun ToDo.
Отечественная компания Su-Cheng Technology также выпустила смолу CA для литья по выплавляемым моделям. На рисунке 4-64 показаны некоторые модели для литья по выплавляемым моделям, изготовленные с использованием этого типа смолы.
Гибкая смола: Среди производителей гибких смол - Formlabs, FSL3D, Spot-A, Carbon и Su-Cheng Technology. Эти смолы имеют среднюю твердость, износостойки и способны к многократному растяжению. Этот материал используется для изготовления таких деталей, как шарниры, фрикционные устройства и компоненты, требующие многократного растяжения. На рисунке 4-65 показаны модели, изготовленные из гибкой смолы.
Эластичная смола - это материал, который демонстрирует отличную эластичность при высокопрочной экструзии и многократном растяжении. Эластичная смола Formlabs - это очень мягкий резиноподобный материал, который становится довольно податливым при печати тонкими слоями и очень эластичным и ударопрочным при печати толстыми слоями. Его потенциальные возможности применения безграничны.
Этот новый материал способен произвести революцию в производстве идеальных шарниров, демпферов, контактных поверхностей и т.д., удовлетворяя потребности тех, кто имеет фантазийные идеи и дизайн. На рисунке 4-66 показана модель, изготовленная из эластичной смолы.
Высокотемпературные смолы, несомненно, являются центром исследований и разработок многих производителей смол. Это связано с тем, что проблема старения этих пластмасс уже давно является проблемой при продвижении смолы от потребительского к промышленному применению. Смола на основе цианатного эфира может похвастаться температурой теплоотдачи до 219°C, сохраняя хорошую прочность, жесткость и долговременную термостабильность при высоких температурах.
Он идеально подходит для изготовления пресс-форм и механических деталей в автомобильной и аэрокосмической промышленности. В настоящее время для высокотемпературных смоляных материалов сложной задачей является достижение температуры теплового деформирования (HDT) до 289°C (552°F). Компания Formlabs также представила свой новейший высокотемпературный материал.
Материал Dental SG от Formlabs для настольных 3D-принтеров соответствует стандартам EN-ISO10993-1:2009/AC:2010 и USP Class VI, обеспечивая безопасность и экологическую чистоту для человеческих тканей. Благодаря полупрозрачности смолы ее можно использовать в хирургических материалах и в качестве направляющих для хирургических сверл. Хотя эта смола разработана для стоматологической промышленности, она также применима и в других областях, в частности, в медицинском секторе.
Керамика, созданная путем фотополимеризации прекерамических мономеров с помощью УФ-излучения, отличается равномерной усадкой и практически полным отсутствием пористости. После 3D-печати эта смола может быть спечена для получения плотных керамических деталей. Сверхпрочный керамический материал, полученный с помощью этой технологии, может выдерживать температуру свыше 1700°C.
Распространенные на рынке технологии фотополимеризации керамики предполагают равномерное диспергирование керамического порошка в фотополимеризуемом растворе с помощью высокоскоростного перемешивания, в результате чего образуется керамическая суспензия с высоким содержанием твердого вещества и низкой вязкостью.
Затем эта суспензия послойно затвердевает на фотополимеризационной формовочной машине для получения зеленого керамического тела, которое впоследствии высушивается, дебридируется и спекается для получения готовых керамических деталей.
Смола дневного света - это удивительный тип смолы, которая, в отличие от смол, отверждаемых под ультрафиолетовым светом, может затвердевать при обычном дневном освещении. Это устраняет зависимость от источников ультрафиолетового света, позволяя использовать для полимеризации жидкокристаллический дисплей. Эта смола обещает значительно снизить стоимость фотополимеризационной 3D-печати и имеет очень многообещающие перспективы.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO