紫外光衰減對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)國家重點實驗室的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前一層固化的影響，并以此來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度在內(nèi)的參數(shù)的影響。這些參數(shù)的優(yōu)化有助于實現(xiàn)更高的化學(xué)鍵轉(zhuǎn)化率。

圖1 固化過程的多曝光模型

要評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。在曝光過程中，當(dāng)施加固化光時，在固化層中發(fā)生光聚合，將其從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。層界面同時形成。固化光在其通過固化層的傳播過程中衰減，并且任何剩余的衰減光會施加到先前固化的層上。因此，如果要在層界面檢測到化學(xué)鍵轉(zhuǎn)化，則需要滿足三個條件：（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)度衰減測量系統(tǒng)，（b）溫度測量系統(tǒng)

研究者們采取了三個步驟來量化二次轉(zhuǎn)化的水平。首先，用衰減定律來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)，可以通過溫度變化來指示。第三，如果檢測到二次反應(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)度衰減測量系統(tǒng)和固化放熱溫度測量系統(tǒng)。

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

圖4 不同入射能量劑量下的轉(zhuǎn)化率

實驗結(jié)果如圖3，假設(shè)恒定的光傳播長度，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，隨著光傳播長度的增加，第二次固化增量實際上降低了。如圖4，在恒定傳播長度下，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。

該研究證實了由衰減的入射光引起的固化層中轉(zhuǎn)化率增加，且其過程發(fā)生溫度變化。初級和次級轉(zhuǎn)換的程度受入射能量劑量和傳播長度的影響。當(dāng)入射能量為35.6mJ / cm2，傳播長度為50μm時，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)工程國家重點實驗室