感光樹脂固化技術的改進研究

王愛瓊

（泉州紡織服裝學院，福建 泉州 362700）

光敏樹脂最初是由天然樹脂制造而成，后來才發展到使用人工合成樹脂的階段，其中經歷了大概200年的時間。它的應用領域也有了一定的發展，從照相制版技術到現如今的光刻技術。事實上，光敏樹脂已經大大延伸到了傳統應用領域以外，進入了新的應用領域，比如說快速成型技術，它是一種集光化學技術、計算機技術、光學技術和數控技術于一體的高新技術，最近幾年才在國際上發展起來，它綜合了產品的設計與制造過程，大大節省了開發周期，也節約了人力、物力和財力，已經在一些發達國家率先運用到了機械工業、飛機制造業、玩具工業、生物醫療業和建筑設計等多個領域，也取得了一定的經濟效益和社會效益。因此，它得到了廣泛的關注和重視，并將隨著應用領域的進一步開拓而獲得更快的發展。我國對于該技術的研究還處于初期階段，主要是圍繞光敏樹脂光固化機理和該類光敏樹脂的開發而展開的。

論文著重從光敏樹脂固化的技術角度進行研究闡述，探討光敏樹脂生產在固化技術上的改進。

一、感光樹脂

近年來，天然樹脂由于數量和質量都跟不上日益增長的生產生活需求，現在所謂光敏樹脂指的是人工合成光敏樹脂，人工合成光敏樹脂（下面簡稱光敏樹脂）是指在紫外光作用下進行固化反應的樹脂。

感光樹脂的固化過程經歷大致包括：光敏預聚→光敏引發→光照固化。這三個過程中的每個環節都會影響光敏樹脂材料最終使用性能。

1.光敏引發

近些年來，由于光化學技術不斷地向前發展，研究和開發了多種聚合引發體系，有光敏引發包括雙光子和單電子引發，及無光敏引發，同屬于有自由基聚合，也有自由基聚合與陽離子（光產酸劑）聚合和光催化（光產堿劑）聚合混雜聚合。

相較于自由基聚合體系來說，光陽離子聚合體系具有光固化速度偏低、預聚體和稀釋單體品種少、受濕度和堿氣氛的影響等缺陷。此外，它還具有一個最大的劣勢，就是價格總體上偏貴。因此，光陽離子固化體系仍然在研究與開發之中。但是，它也有著自身的優勢，比如說UV陽離子固化產品已經在市場上有了一定的份額。此外，雜混聚合體系融合了自由基聚合和陽離子聚合的優點自成一個體系，在最近幾年里已經成為了市場的寵兒，并逐步活躍在研究與開發領域。

光陽離子固化，指的就是利用光合作用來使得金翁鹽產生超強酸，并進而引發環氧化合物、乙烯基醚發生陽離子聚合。而且，目前一種全新的UV固化新體系和新的光功能材料正在被奮力研究并開發，其主要原理是利用光產堿來催化環氧樹脂進行聚合。事實上，環氧樹脂在氨催化下發生固化已經被廣泛應用于多個領域，最新的研究產品是光產堿劑。一般來說，這種光產堿劑的性質是穩定的。但是，一旦置于UV光照條件下就會產生堿，這種堿可催化環氧樹脂或環氧高分子發生聚合交聯固化反應。根據這個原理，可以開發出新型的UV固化新材料。環氧樹脂已經有很多定型產品,因此開發這類UV固化新材料其關鍵是研究開發光產堿劑。目前已有兩種光產堿劑，即非離子型和離子型:

非離子型光產堿劑：

離子型光產堿劑：

光敏樹脂的聚合包括預聚物與單體直接光聚合，光引發劑引發聚合兩種，但以后者為主。其中，自由機型引發劑按其產生自由基機理可分為裂解型和提氫型兩種。

在UV光固化材料中，光引發劑是不可缺少的關鍵組成部分，但也存在著一些問題：其一，光引發劑價格比較偏貴；其二，光引發劑加入到配方中的量一般來說是過剩的，經過光照后有相當的殘余引發劑，如果在戶外用，會引起退色甚至引起降解，容易老化；其三，引發劑光照除產生自由基外，一般來說還會產生副產物，比如芳香醛等，有奇怪的氣味，所以，至今UV光固材料不能夠直接用于食品包裝行業；其四，氧的阻聚的作用非常大。因此，近些年來一直研究和開發無引發劑的光固化體系。它由電子受體單體和電子給體單體組成，在光的照射下，生成激發復合物，通過電子轉移生成自由基，引發單體聚合，其過程如下：

無引發劑UV固化體系在食品包裝行業、粉末涂料和戶內UV涂料有一定的前景。

2.光敏預聚

關于稀釋單體和預聚體，原材料生產公司都供應無刺激和低刺激的單體，常見的是用乙氧基或丙氧基改性單體和預聚體，如乙氧基化的或丙氧基化的TMPTA、雙酚A環氧雙丙烯酸酯、新戊二醇雙丙酸酯等。而N-乙烯基吡咯烷酮活性很大，能夠提高親附力和光固速度，但是由于該單體有一定的致癌性，已經被下述單體取代:

預聚體主要向低黏度方向發展以減少配方中單體的用量，生產企業都推出了低黏度的預聚體產品；另外推出具有特殊功能的預聚體，如上述所說的功能性。中國科大施文芳教授研究開發了一類三維球狀結構的星形超支化聚酯預聚體，它具有黏度低特點，可聚合雙鍵多達十幾到二十幾個雙鍵官團，因此，光固化速度快，有望得到推廣應用，從而大面積地生產。

3.光照固化

以氨基甲酸酯丙烯酸預聚反應為例，由于光敏預聚物中丙烯酰基的共軛雙鍵只能吸收短波長的光子，而汞燈中該波長的光能量很有限，因而光敏樹脂的光交聯固化反應的速度很慢，引入光敏引發劑——安息香類后,由于該類光敏引發劑屬于分解反應機理,它所吸收的其他波長的光能可使其共價鍵斷裂，形成初級活性種，即自由基，這種自由基通過與光敏預聚物分子間發生碰撞,將能量傳遞給光敏預聚物分子,使這些分子的雙鍵發生斷裂而成為自由基,然后發生光固化反應。其中，安息香乙醚的分解過程為：

安息香雙甲醚的分解過程：

由于安息香類光敏引發劑所吸收的光子波長360nm-420nm，所以與光敏預物中的丙烯基的吸收波208nm之間沒發生遮光現象，因而增加了光敏樹脂的感光效果，加快了光交聯固化反應的速度。

在光學固化過程中，感光樹脂的固化變形性對各部分形狀和尺寸大小的影響是重要的控制因素。由于光學凝固的生產過程是非常復雜的，而且受到各種參數的影響也很大，很多問題比方內應力和殘留變形總是會存在于大型光學材料加工中。如果在很長一段時間，光學材料的光照參數來源于經驗或者理論分析，或許可行，但卻不是最完美的做法，所以完善樹脂凝固的各種參數勢在必行。采用正交試驗和混合優化設計方法，論文發現了感光樹脂的可行的凝固技術參數，使得凝固變形性最小。

優化設計指的是從可有效改變的一些設置中選擇最好的元素。在光敏樹脂固化加工過程中，樹脂的交聯反應導致大分子鏈的重排，這樣就很難決定它的分子式和技術參數，只能用實驗的方法來大致判斷。

選用SZ-01紫外光處理的丙烯酸甲酯感光樹脂作為實驗物質。紫外光源的功率是7瓦，光照距離是20厘米，被采用的儀器有1cm*1cm的高精度張力金屬薄片和敏感度為0.1μm的高敏感抗靜電張力計算器。

在感光高聚物樹脂固化過程中，有三個技術參數包括：光照強度、光照距離、光照時間等。由于每個技術參數有不同的數值，那么將耗費多余的時間使得不同的實驗具有不同的參數組合。因此，時間節省問題與功效的正交實驗就應運而生了。

采用神經網絡最優化物質功效法，經過遺傳演算法最優設計得出：在感光高聚物樹脂固化過程中，在到達變形最大值之前，變形的變化峰是陡峭的，在那之后，變形的變化量是平坦的。

采用正交試驗方法、神經網絡系統法和遺傳演算優化法，一系列的可行性技術參數被確定，這些參數使得固化變形性最小。試驗結果表明，用于改善感光高聚物樹脂的優化方法是可行的。

二、光敏樹脂的發展歷程及其未來的展望

最近30年來，UV光固化體系獲得了快速發展，主要是由于其具有固化速度快、生產效率高、涂層光澤度高等優異性能。但是，它在實際使用過程中必須加入單體活性稀釋劑來調節自身的黏度和流變性，而具有了一定的危害性。尤其是其中的丙烯酸酯類活性稀釋劑，對于人的眼睛和粘膜具有較強的刺激性，也容易導致皮膚過敏。同時，還有一些反應性稀釋劑在使用過程中無法反應完全而直接影響了固化后產品的安全衛生性能。當然，還有些固化后產品有難聞的氣味散發出來。因此，隨著環保意識的日益加強和環保立法的日益完善，人們開始越來越重視水性光固化體系，并在20世紀80年代中期，歐美和日本一些發達國家開始展開了水性光固化體系方面的研究與開發工作，也已經生產出了一些產品，而我國在這方面相對比較滯后，僅有少數的研究報告。

最近幾年，隨著科學技術的發展及人們日益增長的物質文化生活的需求，不斷地有新的光敏樹脂研制成功，為我國的科學技術增添光彩。

比如，2006年中北大學機械工程系楊麗媛等合成了一種適于光固化快速成型的環氧丙烯酸光敏樹脂,探討了該光敏樹脂的紫外光固化機理,用SEM表征了樹脂體系固化后的微觀結構,用紅外光譜(FTIR)對樹脂體系固化過程進行了分析。研究結果表明:光敏樹脂經紫外光固化后,呈交聯的、不規則體型網絡結構；樹脂在光固化過程中,光引發劑的含量在一定數值范圍內與光敏樹脂中C=C雙鍵的轉化率成正比。

2007年北京工業大學材料學院李振中等采用紫外輻照技術制備了交聯乙烯一乙酸乙烯醋共聚物。研究了實驗溫度、實驗氣氛、試樣厚度及輻照時間等條件以及光引發劑、光交聯劑的種類和濃度等因素對凝膠含量的影響。結果表明：輻照時間2min,溫度為100℃時,交聯效果較好,在此條件下,輻照氛圍及試樣厚度對交聯反應影響不明顯。二苯甲酮的引發效果優于安息香二甲醚,三經甲基丙烷三丙烯酸醋的助交聯效果最佳,兩者的最佳含量均為1%,此時的凝膠含量可達到86.48%。

相信在不久的將來，隨著科學技術進步及日新月異的生活需求，將有更多的更科學的新型光敏固化樹脂產生，也將有更多的固化技術被開發。

[1]范華良，曹向群.光敏樹脂固化機理研究[J].光子學報，1994，（4）：168-173.

[2]楊麗媛，王永禎，王愛玲等.光固化快速成型中光敏樹脂固化機理研究 [J].材料開發與應用，2006，（12）：8-10.

[3]楊永源.近年來輻射固化材料的研究進展[J].熱固性樹脂，2001，（3）：22-28.