在光固化材料體系中，丙烯酸酯和環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成了兩大核心支柱，它們憑借各自獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)、固化機(jī)理和性能特點(diǎn)，滿足了不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
UVEB大平臺(tái)編者將深入探討這兩大光固化材料體系的特性與應(yīng)用，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供參考。
光固化材料是指在特定波長(zhǎng)的光照射下能夠快速固化的一類(lèi)材料。光固化技術(shù)（Stereo Lithography Apparatus, 簡(jiǎn)稱(chēng)SLA），原名立體光固化成型技術(shù)，指光固化材料（如光敏樹(shù)脂等）在激光或者其他數(shù)字光（特定波長(zhǎng)）的照射下快速固結(jié)成型。
其核心工作原理是通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)，將液體或半液體有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化為硬塑料狀聚合物。這一反應(yīng)的核心是一種特殊的化合物，稱(chēng)為"光引發(fā)劑"，它在特定波長(zhǎng)的光照射下會(huì)啟動(dòng)固化反應(yīng)。
光固化技術(shù)具有不可逆的特性，光敏材料加熱后只會(huì)燃燒，不會(huì)融化，這使得光固化材料在固化后能夠保持穩(wěn)定的形態(tài)和性能。
20世紀(jì)60年代，紫外線(UV)光固化技術(shù)最初是作為溶劑型、熱干和風(fēng)干工藝以及慢固化硅酮、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯、壓敏膠帶、快干膠酯、改性丙烯酸和其他連接方法的替代品而開(kāi)發(fā)的。
然而，它直到20世紀(jì)80年代初才在工業(yè)制造應(yīng)用中流行起來(lái)。如今，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)，包括汽車(chē)、家電、航空航天、電信、醫(yī)療設(shè)備、軍事和消費(fèi)電子產(chǎn)品以及圖形藝術(shù)，因?yàn)樗鼈優(yōu)橛脩籼峁┝吮绕渌?lèi)型材料更大的優(yōu)勢(shì)。
在過(guò)去的40多年里，光固化材料已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，但丙烯酸酯和環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)性質(zhì)卻保持不變，構(gòu)成了光固化材料的兩大核心體系。
丙烯酸酯光固化體系 化學(xué)結(jié)構(gòu)與特性
丙烯酸酯光固化材料是一類(lèi)在特定波長(zhǎng)光照射下能夠快速固化的材料，其中"丙烯酸酯"一詞是多種材料的簡(jiǎn)稱(chēng)，包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和類(lèi)似的官能團(tuán)。丙烯酸酯光固化材料的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是含有不飽和雙鍵（C=C），這些雙鍵在光引發(fā)劑的作用下能夠發(fā)生聚合反應(yīng)。
常見(jiàn)的丙烯酸酯類(lèi)光固化材料包括聚氨酯丙烯酸酯（PUA）、環(huán)氧丙烯酸酯（EA）和聚酯丙烯酸酯（PEA）等。這些材料通常是由丙烯酸或甲基丙烯酸與各種多元醇或環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)制得的預(yù)聚物，其分子結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)丙烯酸酯基團(tuán)，這些基團(tuán)在光照下能夠快速交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
丙烯酸酯體系表現(xiàn)出非常廣泛的特性。根據(jù)添加劑，可以生產(chǎn)出有色（如紅色、藍(lán)色或黑色）、不透明、發(fā)熒光（通常是半成品檢測(cè)的要求）或?qū)岬谋┧狨ンw系。
丙烯酸酯的物理特性包括粘附性、粘度、硬度和外觀。由于丙烯酸酯可以通過(guò)可見(jiàn)光固化，因此熒光和紅色或藍(lán)色配方很常見(jiàn)。
丙烯酸酯光固化材料采用自由基聚合機(jī)理進(jìn)行固化，這一過(guò)程通常包括以下幾個(gè)階段：
引發(fā)階段：光引發(fā)劑在UVA光（始終）和可見(jiàn)光（在許多情況下）的照射下分解，產(chǎn)生自由基。
增長(zhǎng)階段：自由基與丙烯酸酯分子中的不飽和雙鍵反應(yīng)，形成新的自由基，繼續(xù)與其他分子反應(yīng)。
終止階段：自由基相互結(jié)合或與其他物質(zhì)反應(yīng)，終止聚合過(guò)程。
丙烯酸酯光固化材料的固化速度非常快，通常在0.5-15秒之間完成，固化深度范圍為0.10英寸-0.59英寸（2.5毫米-15毫米）。
值得注意的是，丙烯酸酯光固化材料在固化過(guò)程中會(huì)受到氧氣的抑制，這是因?yàn)榇髿庵械难鯕鈺?huì)干擾樹(shù)脂表面的自由基固化機(jī)理，導(dǎo)致表面粘性。
這種現(xiàn)象被稱(chēng)為"氧抑制"。在大多數(shù)情況下，可以通過(guò)改變固化工藝（增加光強(qiáng)度、延長(zhǎng)固化時(shí)間或稍微調(diào)整所用光的波長(zhǎng)）來(lái)消除表面粘性。
丙烯酸酯光固化材料（LCM）也可以與熱或激活劑配合使用。當(dāng)由于存在"陰影"而無(wú)法使用光來(lái)固化材料時(shí)，這種方法非常有用。丙烯酸酯LCM通常無(wú)法用濕氣或空氣來(lái)固化。
丙烯酸酯光固化材料由于其固化速度快、可定制性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：
涂料行業(yè)：室內(nèi)和室外涂料，從柔性到極硬涂料，觸感（可觸摸）表面。對(duì)木材、金屬、玻璃和各種塑料具有絕佳的附著力。
印刷行業(yè)：UV油墨，快速固化印刷材料。
粘合劑：高性能粘合劑，特別是需要快速固化的應(yīng)用場(chǎng)景。
3D打印：光固化3D打印材料，特別是需要快速成型的應(yīng)用。
電子行業(yè)：電子元件封裝，保形涂層。
醫(yī)療行業(yè)：牙科材料，醫(yī)療器械。
環(huán)氧樹(shù)脂光固化體系 化學(xué)結(jié)構(gòu)與特性
環(huán)氧樹(shù)脂光固化材料是一類(lèi)在特定波長(zhǎng)光照射下能夠固化的材料，其核心結(jié)構(gòu)特征是含有環(huán)氧基團(tuán)（環(huán)氧環(huán)）。環(huán)氧樹(shù)脂光固化材料也被稱(chēng)為"陽(yáng)離子體系"，這一名稱(chēng)來(lái)源于其固化過(guò)程中使用的陽(yáng)離子光引發(fā)劑的類(lèi)型，而非樹(shù)脂的化學(xué)組成。
環(huán)氧樹(shù)脂光固化材料的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是含有環(huán)氧基團(tuán)，這些環(huán)氧基團(tuán)在光引發(fā)劑的作用下能夠發(fā)生開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)。環(huán)氧基團(tuán)是由兩個(gè)碳原子和一個(gè)氧原子組成的三元環(huán)，在適當(dāng)條件下能夠開(kāi)環(huán)形成新的化學(xué)鍵，從而實(shí)現(xiàn)交聯(lián)固化。
常見(jiàn)的環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)光固化材料包括環(huán)脂族環(huán)氧樹(shù)脂和特種氧雜環(huán)丁烷樹(shù)脂等。環(huán)脂族環(huán)氧樹(shù)脂是環(huán)氧涂料的關(guān)鍵成分，具有高附著力、低收縮性和耐化學(xué)性等優(yōu)點(diǎn)。
特種氧雜環(huán)丁烷樹(shù)脂與環(huán)脂族環(huán)氧樹(shù)脂配合使用，可改善固化速度、粘度控制性能、硬度以及對(duì)難粘合基材的附著力。
環(huán)氧樹(shù)脂光固化材料采用陽(yáng)離子聚合機(jī)理進(jìn)行固化，這一過(guò)程通常包括以下幾個(gè)階段：
引發(fā)階段：陽(yáng)離子光引發(fā)劑（通常是鎓鹽）在紫外線照射下產(chǎn)生一種強(qiáng)布朗斯特酸。
擴(kuò)展階段：強(qiáng)酸打開(kāi)環(huán)氧基團(tuán)，形成碳陽(yáng)離子，然后碳陽(yáng)離子與其他環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)。
鏈轉(zhuǎn)移階段：反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，形成交聯(lián)網(wǎng)狀高分子。
陽(yáng)離子固化是環(huán)氧樹(shù)脂的光引發(fā)、酸催化開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)，通過(guò)鎓鹽得以實(shí)現(xiàn)。在紫外線照射而且存在氫供體（通常是配方中的樹(shù)脂成分）的情況下，陽(yáng)離子光引發(fā)劑會(huì)產(chǎn)生一種長(zhǎng)效酸性物質(zhì)。
該物質(zhì)能夠打開(kāi)一個(gè)環(huán)氧基團(tuán)，形成一個(gè)碳陽(yáng)離子，然后碳陽(yáng)離子與其他環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，生成交聯(lián)網(wǎng)狀高分子。
環(huán)氧樹(shù)脂光固化材料的固化過(guò)程通常需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能完全發(fā)揮其性能，因此有時(shí)會(huì)使用熱量來(lái)加速固化。此外，陽(yáng)離子光固化材料的固化會(huì)受到水分/濕度的阻礙，這是其與丙烯酸酯體系的一個(gè)重要區(qū)別。
值得注意的是，環(huán)氧樹(shù)脂光固化材料在固化過(guò)程中不會(huì)受到氧氣的抑制，因此能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)粘性固化，這是其相對(duì)于丙烯酸酯體系的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。
環(huán)氧樹(shù)脂光固化材料由于其強(qiáng)度高、耐熱性好、收縮率低和環(huán)境因素耐受性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：
電子封裝：保護(hù)電子元件免受環(huán)境影響。
光學(xué)應(yīng)用：光學(xué)透明粘合劑（LOCA）。
涂料行業(yè)：高性能防腐涂料，耐化學(xué)性涂料。
3D打印：特別是需要高精度、高強(qiáng)度的應(yīng)用。
復(fù)合材料：作為基體樹(shù)脂用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
粘合劑：特別是對(duì)難粘合材料的粘接。
兩大體系的對(duì)比分析
化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)比
丙烯酸酯和環(huán)氧樹(shù)脂作為光固化材料的兩大核心體系，在化學(xué)結(jié)構(gòu)上存在顯著差異：
丙烯酸酯體系的核心特征是含有不飽和雙鍵（C=C），這些雙鍵在光引發(fā)劑的作用下能夠發(fā)生自由基聚合反應(yīng)。而環(huán)氧樹(shù)脂體系的核心特征是含有環(huán)氧基團(tuán)（環(huán)氧環(huán)），這些環(huán)氧基團(tuán)在光引發(fā)劑的作用下能夠發(fā)生開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)。
這種結(jié)構(gòu)上的差異直接導(dǎo)致了兩大體系在固化機(jī)理、性能特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域上的不同。
固化機(jī)理對(duì)比
丙烯酸酯體系采用自由基聚合機(jī)理進(jìn)行固化，在光引發(fā)劑吸收特定波長(zhǎng)的光能后，分解產(chǎn)生自由基，這些自由基與丙烯酸酯分子中的不飽和雙鍵反應(yīng)，形成新的自由基，繼續(xù)與其他分子反應(yīng)，最終形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
環(huán)氧樹(shù)脂體系采用陽(yáng)離子聚合機(jī)理進(jìn)行固化，陽(yáng)離子光引發(fā)劑在紫外線照射下產(chǎn)生一種強(qiáng)布朗斯特酸，這種酸能夠打開(kāi)環(huán)氧基團(tuán)，形成碳陽(yáng)離子，然后碳陽(yáng)離子與其他環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，形成交聯(lián)網(wǎng)狀高分子。
這種機(jī)理上的差異導(dǎo)致了兩大體系在固化速度、氧抑制和濕度影響等方面的不同表現(xiàn)。
性能特點(diǎn)對(duì)比
丙烯酸酯體系的主要優(yōu)勢(shì)在于固化速度快、可定制性強(qiáng)，可以根據(jù)需要調(diào)整粘附性、粘度、硬度和外觀等物理特性。然而，由于氧氣會(huì)抑制自由基聚合反應(yīng)，丙烯酸酯體系在空氣中固化時(shí)表面可能會(huì)出現(xiàn)粘性，這是其主要缺點(diǎn)之一。
此外，丙烯酸酯體系在固化過(guò)程中會(huì)有一定的收縮率，可能影響產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性。
環(huán)氧樹(shù)脂體系的主要優(yōu)勢(shì)在于強(qiáng)度高、耐熱性好、收縮率低和環(huán)境因素耐受性強(qiáng)。由于不受氧抑制，環(huán)氧樹(shù)脂體系能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)粘性固化，這是其相對(duì)于丙烯酸酯體系的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。
此外，環(huán)氧樹(shù)脂體系對(duì)某些基材（如金屬、玻璃）的附著力優(yōu)異。然而，環(huán)氧樹(shù)脂體系的固化會(huì)受到水分/濕度的阻礙，這是其主要缺點(diǎn)之一。
應(yīng)用差異對(duì)比
兩大體系在應(yīng)用領(lǐng)域上有所重疊，但也各有側(cè)重：
丙烯酸酯體系由于固化速度快、可定制性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于涂料（室內(nèi)外涂料、觸感表面）、印刷（UV油墨）、粘合劑、3D打印、電子封裝和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。特別是在需要快速生產(chǎn)和多樣化外觀的應(yīng)用中，丙烯酸酯體系具有明顯優(yōu)勢(shì)。
環(huán)氧樹(shù)脂體系由于強(qiáng)度高、耐熱性好、收縮率低，主要應(yīng)用于電子封裝、光學(xué)應(yīng)用（如光學(xué)透明粘合劑）、高性能涂料（如防腐涂料）、3D打印（特別是需要高精度、高強(qiáng)度的應(yīng)用）和復(fù)合材料等領(lǐng)域。
特別是在需要高機(jī)械強(qiáng)度、高耐熱性和高尺寸穩(wěn)定性的應(yīng)用中，環(huán)氧樹(shù)脂體系更為適用。
UVEB大平臺(tái)：丙烯酸酯和環(huán)氧樹(shù)脂作為光固化材料的兩大核心體系，各自具有獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)、固化機(jī)理、性能特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。
丙烯酸酯體系以其快速固化和高可定制性著稱(chēng)，適用于需要快速生產(chǎn)和多樣化外觀的應(yīng)用；環(huán)氧樹(shù)脂體系以其高強(qiáng)度、高耐熱性和低收縮率著稱(chēng)，適用于需要高機(jī)械性能和高尺寸穩(wěn)定性的應(yīng)用。
在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體需求選擇合適的光固化材料體系，或者通過(guò)兩大體系的復(fù)合，開(kāi)發(fā)出兼具雙方優(yōu)勢(shì)的新型光固化材料。
隨著科技的不斷進(jìn)步和環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，光固化材料的兩大核心體系將繼續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新，為各行各業(yè)提供更加高效、環(huán)保、多功能的材料解決方案。（完）