紫外光衰减对陶瓷光固化浆料聚合的影响

供稿人:武向权，连芩

清华大学摩擦学国家重点实验室的Xinyi Li, Kehui Hu等人研究了陶瓷光固化中紫外光穿透固化层并衰减后对前一层固化的影响，并以此来解释层界面间的化学键结合，取得了初步进展。

层界面之间的弱结合强度会严重影响光固化制造的陶瓷部件的质量。因此，使用化学键来增强这些部分内的粘合是合理的。固化层的二次转化定义为在后一层的曝光中由衰减的紫外（UV）光引起的该层转化率增加。二次转化受到包括入射能量剂量和传播长度在内的参数的影响。这些参数的优化有助于实现更高的化学键转化率。

图1 固化过程的多曝光模型

要评估层之间的粘合类型，模型必须至少包含两层。根据光固化的自下而上曝光的方式，提出了一种多曝光模型，如图1所示。固化层位于最近固化的层下面，夹层是感兴趣的区域。在曝光过程中，当施加固化光时，在固化层中发生光聚合，将其从液体转变为固体。层界面同时形成。固化光在其通过固化层的传播过程中衰减，并且任何剩余的衰减光会施加到先前固化的层上。因此，如果要在层界面检测到化学键转化，则需要满足三个条件：（i）在最近固化的层内部存在残余单体; （ii）残余单体在衰减的固化光下进一步聚合; （iii）衰减能量剂量大于阈值。

图 2（a）紫外线强度衰减测量系统，（b）温度测量系统

研究者们采取了三个步骤来量化二次转化的水平。首先，用衰减定律来确定浆料固化吸收的固化光能量，以及在第二次曝光期间将多少能量转移到前一固化层。其次，检查该值以确定该能量是否足以引起二次反应。由于光聚合是放热反应，可以通过温度变化来指示。第三，如果检测到二次反应，则使用FTIR确定固化的二次转化量。图 2为他们采用的紫外线强度衰减测量系统和固化放热温度测量系统。

图3（a）不同入射光强度下的温度变化,（b）不同传播长度下的温度变化

图4 不同入射能量剂量下的转化率

实验结果如图3，假设恒定的光传播长度，随着入射光强度的增加，第一次固化温度增加，第二次固化增量小于第一次固化增量。在图3b中，假设恒定的入射能量剂量，随着光传播长度的增加，第二次固化增量实际上降低了。如图4，在恒定传播长度下，随着入射能量剂量的增加，第一次固化转化率增加，同时二次转化率降低。但是，总转化率增加，直到达到最终转化率。

该研究证实了由衰减的入射光引起的固化层中转化率增加，且其过程发生温度变化。初级和次级转换的程度受入射能量剂量和传播长度的影响。当入射能量为35.6mJ / cm2，传播长度为50μm时，固化层达到最终转化率并具有最高的二次转化率，此时固化层处于最高强度并具有最高转化率。

参考文献：
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:武向权，连芩
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室