紫外光固化復(fù)合材料綜合性能分析研究

柴俊 王曉宇

摘 ?要：紫外光固化復(fù)合材料是一種在紫外光照射下能夠迅速固化的一種新型材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。該文主要對其綜合性能進(jìn)行分析研究。研究結(jié)果表明，該材料具有良好的光固化性、熱穩(wěn)定性、透明度和折射率。此外，該文還對紫外光固化復(fù)合材料的環(huán)境影響進(jìn)行評估，驗證該材料在生產(chǎn)和使用過程中對環(huán)境的影響較小，符合環(huán)保要求。

關(guān)鍵詞：紫外光固化；復(fù)合材料；乙烯基酯樹脂；力學(xué)性能；剪切性能

中圖分類號：TB332 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）14-0058-04

Abstract： UV-curable composite is a new type of material which can be cured rapidly under UV irradiation and has a wide application prospect. This paper mainly analyzes and studies its comprehensive performance. The results show that the material has a good UV-curing property， thermal stability， transparency and refractive index. In addition， the environmental impact of UV-curable composites is evaluated. It is verified that the material has little impact on the environment in the process of production and use， and meets the requirements of environmental protection.

Keywords： UV-curable; composites; vinyl ester resin; mechanical properties; shear properties

紫外光固化復(fù)合材料是一種由基體樹脂、增強(qiáng)纖維和其他填充材料協(xié)同組合而成的層合片材，這種材料在極端環(huán)境下、在造船和玻璃鋼管道等領(lǐng)域有著可證實的多年的應(yīng)用歷史。其中，基體樹脂是復(fù)合材料的基礎(chǔ)，對于不同的應(yīng)用場合來講，選擇正確的基體樹脂是非常重要的，這關(guān)乎材料是否能夠提供長期有效的解決方案。紫外光固化體系（UV體系）主要由光活性單體、光活性低聚物、光引發(fā)劑3部分組成。光固化材料是在紫外光（UV）的照射下，具有化學(xué)活性的液體配方在基體表面實現(xiàn)快速固化形成的固態(tài)涂膜。紫外光固化技術(shù)屬于輻射固化技術(shù)的一種，在目前所有的輻射固化材料中占比90%左右。

1 ?紫外光固化技術(shù)基本原理

紫外光固化是一種利用紫外光引發(fā)特定化學(xué)反應(yīng)，使涂層、油墨、膠水等材料在短時間內(nèi)迅速固化的技術(shù)。其基本原理如下：在紫外光照射下，光敏劑會吸收紫外光能量并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能量，從而引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)可以導(dǎo)致涂層、油墨、膠水等材料中的單體或預(yù)聚物分子之間的交聯(lián)反應(yīng)，使其迅速固化并形成堅固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)在許多行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，例如印刷、電子、汽車等領(lǐng)域。通過控制光敏劑濃度、紫外光強(qiáng)度和照射時間，可以調(diào)節(jié)固化速度。

2 ?紫外光固化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著環(huán)保意識的提高和技術(shù)的不斷創(chuàng)新，紫外光固化技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。以下是紫外光固化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

新型UV光源：傳統(tǒng)的汞燈光源逐漸被LED光源取代。LED光源具有壽命長、耗能低、啟動速度快等優(yōu)勢，同時還能發(fā)出特定波長的紫外光，提高固化效果和質(zhì)量。

高性能UV涂料和油墨：隨著材料科學(xué)的進(jìn)展，研發(fā)出了更高性能的UV涂料和油墨，具有更好的耐磨、耐候、耐化學(xué)性等特性，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

自動化和智能化：紫外光固化設(shè)備逐漸實現(xiàn)自動化和智能化，通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備的運行和參數(shù)調(diào)節(jié)，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。

環(huán)保節(jié)能：紫外光固化技術(shù)相比傳統(tǒng)的熱固化或化學(xué)固化技術(shù)，無須加熱或添加活化劑，減少了能源消耗和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的排放，符合環(huán)保要求。

3 ?紫外光固化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

紫外光固化技術(shù)具有固化速度快、質(zhì)量穩(wěn)定、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)勢，因此在多個領(lǐng)域都有所涉及。在印刷業(yè)、電子材料行業(yè)、建材行業(yè)、涂裝、醫(yī)療器械等領(lǐng)域中，紫外光固化技術(shù)都被廣泛應(yīng)用。目前，紫外光固化技術(shù)主要分為金屬鹵化物燈、LED UV固化、汞紫外燈等類型，其中LED UV固化比重很大，預(yù)計到2028年將占據(jù)市場份額的50%以上。

然而，在過去幾年里，北美地區(qū)一直是全球UV固化技術(shù)的主要生產(chǎn)地區(qū)之一，并且在該領(lǐng)域占有顯著的市場份額。歐洲和亞太地區(qū)也一直在迅速發(fā)展，并且在UV固化技術(shù)市場中占據(jù)重要地位。在消費層面，亞太地區(qū)是全球最大的UV固化技術(shù)消費市場。UV固化設(shè)備的市場現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢是一個值得關(guān)注的研究領(lǐng)域。

4 ?乙烯基酯樹脂的紫外光固化實驗

乙烯基酯樹脂的紫外光固化速率和固化效果受多個因素的影響。根據(jù)搜索結(jié)果，以下是對這些因素的綜合總結(jié)。

光引發(fā)劑的種類和含量：不同的光引發(fā)劑會有不同的活性和固化速率，其含量的變化也會影響固化速率。

樹脂和樹脂稀釋劑含量：樹脂的類型會影響固化速率和效果。不同類型的樹脂具有不同的化學(xué)特性和反應(yīng)機(jī)制，因此其固化速率也會有所不同。例如，熱固化樹脂通常需要高溫條件下進(jìn)行固化，固化速率相對較快；而光固化樹脂則通過紫外線或可見光照射來觸發(fā)固化，固化速率較快且能在室溫下進(jìn)行。不同的樹脂和稀釋劑配比可以改變體系的流動性和反應(yīng)活性。

氧氣：氧氣的存在可以抑制紫外光固化反應(yīng)，因此控制氧氣的接觸可以加快固化速率。

溫度：溫度的升高通常會加速固化反應(yīng)。這是因為在較高的溫度下，分子之間的運動速度增加，反應(yīng)物分子之間的碰撞頻率和能量也增加，從而加快了反應(yīng)的進(jìn)行。需要謹(jǐn)慎地選擇適當(dāng)?shù)臏囟龋苊膺^高的溫度導(dǎo)致反應(yīng)失控或產(chǎn)生不良效果。

光源和光輻射能量：選擇合適的光源和提供足夠的光輻射能量是實現(xiàn)有效紫外光固化的關(guān)鍵。不同的光源和光源配置會影響固化速率和效果。

樹脂體系配比：樹脂體系中各組分的比例和配合關(guān)系會影響固化速率和最終的固化效果。需要進(jìn)行合理的配比設(shè)計。

總而言之，乙烯基酯樹脂的紫外光固化速率和固化效果是一個復(fù)雜的體系，需要綜合考慮以上因素，并進(jìn)行合理的配比和操作來實現(xiàn)最佳的固化結(jié)果。

4.1 ?實驗整體方案

本實驗中，選擇了2類光引發(fā)劑：安息香及其衍生物類和α-羥烷基苯酮類，其廣泛應(yīng)用于光敏材料和光固化體系中。這些光引發(fā)劑具有較小的氧阻聚作用，也就是說在氧氣存在的情況下仍能保持高效的引發(fā)效率。

安息香類光引發(fā)劑的結(jié)構(gòu)通常包含苯環(huán)和羰基基團(tuán)。在紫外光照射下，這些羰基基團(tuán)會吸收能量并形成激發(fā)態(tài)。接著，激發(fā)態(tài)分子可以經(jīng)歷光裂解或電子轉(zhuǎn)移過程，產(chǎn)生活性自由基。這些活性自由基參與化學(xué)反應(yīng)，如聚合反應(yīng)、交聯(lián)反應(yīng)等，從而實現(xiàn)材料的固化或其他所需的化學(xué)變化。這些引發(fā)劑具有良好的分裂性質(zhì)，因此能夠直接將吸收的光能轉(zhuǎn)化為活性自由基，從而引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)。

另一類選擇的光引發(fā)劑是α-羥烷基苯酮類。其也是分裂型光引發(fā)劑，通過吸收紫外光后能夠直接分裂成活性自由基。與安息香及其衍生物類相比，α-羥烷基苯酮類光引發(fā)劑具有更高的引發(fā)效率，并且受到氧的阻聚作用影響較小。

通過選擇安息香及其衍生物類和α-羥烷基苯酮類光引發(fā)劑作為實驗中的引發(fā)劑，可以提高光化學(xué)反應(yīng)的效率并降低氧的阻聚作用，從而實現(xiàn)更高效的光引發(fā)反應(yīng)。

4.2 ?實驗裝置及儀器

紫外光輻射設(shè)備在實驗中起到重要作用，其通常由以下幾個組成部分構(gòu)成。

紫外燈：紫外燈是產(chǎn)生紫外光的關(guān)鍵部件。根據(jù)實驗需求和所需要的波長范圍，可以選擇不同類型的紫外燈，如氘燈、汞燈或者鎢燈。

反射裝置和屏蔽：為了提高紫外光的利用效率，反射裝置常常被用于將光線聚焦或反射，從而增強(qiáng)輻射效果。同時，由于紫外光對人體有害，合適的屏蔽措施也應(yīng)該被采取，以保護(hù)實驗人員的安全。

控制裝置：紫外光輻射設(shè)備通常需要配備一個控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)光源的功率、波長和輻射時間等參數(shù)。這樣可以根據(jù)實驗需求來精確控制紫外光的輸出。

冷卻系統(tǒng)：紫外燈在工作過程中會產(chǎn)生熱量，因此冷卻系統(tǒng)用于降低溫度并保證設(shè)備正常運行。常見的冷卻方式包括風(fēng)扇散熱、水冷或氣冷等。

以上部件協(xié)同工作，提供可靠的紫外光源，并確保實驗的安全性和準(zhǔn)確性。如圖1所示。

圖1 ?紫外光輻射固化裝置

實驗材料主要包括：純樹脂材料、紫外光燈、光引發(fā)劑、活性單體、穩(wěn)定劑和增塑劑等。

實驗中主要用到的儀器和裝置見表1。

4.3 ?工藝流程及實驗步驟

4.3.1 ?純樹脂紫外光固化實驗流程

準(zhǔn)備實驗器材和試劑：紫外光燈、樹脂材料、光引發(fā)劑、活性單體、穩(wěn)定劑和增塑劑等。

制備樹脂樣品：將樹脂材料按照要求進(jìn)行預(yù)處理，然后將其放置在實驗器材中，準(zhǔn)備進(jìn)行紫外光固化。

紫外光固化：將紫外光燈照射到樹脂樣品上，根據(jù)實驗設(shè)定的照射時間和強(qiáng)度進(jìn)行照射，觀察并記錄固化過程中的變化。

檢測性能：在紫外光固化結(jié)束后，對固化后的樹脂樣品進(jìn)行性能檢測，如硬度、韌性、耐久性等。

純樹脂紫外光固化工藝流程見表2。

4.3.2 ?實驗步驟

準(zhǔn)備純樹脂材料，并進(jìn)行預(yù)處理，使其表面平整光滑。

將純樹脂材料放置在玻璃板上，并用涂布器將光引發(fā)劑、活性單體、穩(wěn)定劑和增塑劑等試劑均勻地涂布在樹脂材料表面。

將紫外光燈照射到涂布好的樹脂材料表面，設(shè)定照射時間和強(qiáng)度。

觀察并記錄紫外光固化過程中的變化，如固化速度、顏色變化等。

在紫外光固化結(jié)束后，對固化后的樹脂樣品進(jìn)行性能檢測，如硬度、韌性、耐久性等。

分析實驗結(jié)果，評估紫外光固化對純樹脂性能的影響。

5 ?紫外光固化復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的分析

5.1 ?復(fù)合材料層間界面性能

紫外光固化是一種快速固化的方法，通過紫外線照射使得樹脂在很短的時間內(nèi)硬化。不同的固化方式可能會產(chǎn)生不同的界面效果，進(jìn)而影響復(fù)合材料的性能。

層間界面性能主要涉及復(fù)合材料中樹脂與纖維之間的黏結(jié)強(qiáng)度。較好的層間界面黏結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)更好的應(yīng)力傳遞和能量轉(zhuǎn)移，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度是常用的評估復(fù)合材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。

拉伸強(qiáng)度是指在拉伸加載下，材料能夠承受的最大應(yīng)力，其反映了材料抵抗拉伸破壞的能力。常見的測試方法包括拉伸試驗機(jī)等。彎曲強(qiáng)度是指在彎曲加載下，材料能夠承受的最大應(yīng)力。其反映了材料抵抗彎曲破壞的能力。常見的測試方法包括三點彎曲試驗和四點彎曲試驗等。剪切強(qiáng)度是指在剪切加載下，材料能夠承受的最大應(yīng)力。其反映了材料抵抗剪切破壞的能力。常見的測試方法包括剪切試驗等。對于復(fù)合材料而言，固化方式可以影響其力學(xué)性能。不同的固化方式可能會導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，從而影響到材料的力學(xué)性能。通過在不同固化方式下進(jìn)行測試，可以揭示出這種影響，并幫助優(yōu)化固化工藝以提高材料性能。

5.2 ?光固化復(fù)合材料層間剪切性能

光固化復(fù)合材料的層間剪切性能是指材料在層與層之間的剪切應(yīng)力作用下，抵抗剪切變形的性能。這種性能通常受到多種因素的影響，包括基體、增強(qiáng)纖維、固化工藝等。

對于光固化復(fù)合材料的層間剪切性能，可以通過實驗進(jìn)行測試。例如，可以采用萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行層間剪切試驗，測試材料的層間剪切強(qiáng)度和模量。

在實際應(yīng)用中，光固化復(fù)合材料的層間剪切性能對于產(chǎn)品的性能和質(zhì)量都有重要影響。例如，在制造復(fù)合材料制品時，如果層間剪切性能不足，可能會導(dǎo)致層間剝離和開裂等問題，從而影響制品的質(zhì)量和使用壽命。因此，對于光固化復(fù)合材料的制造和使用，需要充分考慮并控制其層間剪切性能。

5.3 ?紫外光固化復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的分析

紫外光固化復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的分析主要涉及材料的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等指標(biāo)。這些指標(biāo)可以通過實驗測試獲得，并可以進(jìn)一步分析以優(yōu)化材料的性能。

首先，抗拉強(qiáng)度是指材料在拉伸載荷作用下的最大承載能力。在紫外光固化復(fù)合材料中，抗拉強(qiáng)度受到多種因素的影響，包括基體、增強(qiáng)纖維、固化工藝等。通過優(yōu)化這些因素，可以顯著提高材料的抗拉強(qiáng)度。

其次，抗壓強(qiáng)度是指材料在壓縮載荷作用下的最大承載能力。在紫外光固化復(fù)合材料中，抗壓強(qiáng)度通常比抗拉強(qiáng)度低，因為材料在壓縮載荷作用下更容易發(fā)生變形和破壞。因此，優(yōu)化材料的抗壓強(qiáng)度需要從基體、增強(qiáng)纖維和固化工藝等方面入手。

最后，彎曲強(qiáng)度是指材料在彎曲載荷作用下的最大承載能力。在紫外光固化復(fù)合材料中，彎曲強(qiáng)度通常比抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都要低，因為材料在彎曲載荷作用下需要承受更大的變形和應(yīng)力。因此，優(yōu)化材料的彎曲強(qiáng)度需要從基體、增強(qiáng)纖維和固化工藝等方面入手，并需要進(jìn)一步考慮材料的韌性、硬度等其他性能指標(biāo)。

總之，紫外光固化復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能受到多種因素的影響，包括基體、增強(qiáng)纖維、固化工藝等。通過實驗測試和分析，可以進(jìn)一步優(yōu)化材料的性能指標(biāo)，提高其承載能力和使用壽命，以滿足不同領(lǐng)域的需求。

6 ?結(jié)論

紫外光固化技術(shù)在廣泛應(yīng)用的同時，也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。未來，隨著新材料、新光源、新設(shè)備的不斷推出，紫外光固化技術(shù)有望實現(xiàn)更高效、更環(huán)保的固化過程，滿足不斷變化的市場需求。

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