快速深层固化（通用4篇）
快速深层固化 篇1
脱醇型室温硫化有机硅橡胶因具有较优的耐候性、对基材无腐蚀、不污染环境等特点,已在建筑、航天航空、汽车工业等领域得到广泛应用[1,2,3,4,5]。目前,绝大多数脱醇型有机硅密封胶均采用α,ω-二羟基聚硅氧烷(107胶)为基胶,原因是其价格便宜。然而,采用107胶作为基胶制备脱醇型有机硅密封胶也存在一些难以克服的缺点,如固化速度过慢、生产过程中会出现黏度高峰、贮存稳定性差等[6],限制了其作为灌封胶的应用。尽管也有专利报道称,采用端烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷代替107胶作为基础聚合物,可以显著改善脱醇型有机硅密封胶的工艺性能和应用性能[7],但这种基础聚合物在国内市场上很少见,且价格昂贵,难以推广普及。较好的解决方案是,仍然采用廉价的107胶为基胶,且能实现快速深层固化。本文以107胶为基胶,以硅微粉、钛白粉为填料,以甲基三甲氧基为交联剂、钛酸酯络合物为催化剂,制备了一种单组分快速深层固化的脱醇型有机硅灌封胶,并研究了催化剂浓度及用量,交联剂、快速固化剂的用量对灌封胶固化速度的影响。
1 实验部分
1.1 主要原料及试剂
α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷,黏度为10 Pa·s,江西星火有机硅厂;二甲基硅油,黏度为0.4 Pa·s,江西星火有机硅厂;钛白粉,株洲市江泰化工有限公司;硅微粉,燕华化工实业有限公司;气相二氧化硅,浙江新安化工集团股份有限公司;甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、钛酸酯催化剂,湖北新蓝天新材料股份有限公司;快速固化剂YH4020,广州市华邦化工科技有限公司。
1.2 主要设备设备
带加热套的行星搅拌机,佛山市南海区诺星机械设备有限公司;水分测定仪,广州市艾安得仪器有限公司;烘箱,立德泰克力(上海)科学仪器有限公司。
1.3 试样制备
将硅微粉放入烘箱中干燥至少24 h后,与α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷(107胶)、二甲基硅油、钛白粉及气相二氧化硅一起投入到行星搅拌釜中,搅拌升温至120℃后,抽真空到0.09 MPa以下并干燥3.5h;用水分快速测定仪测定基料的含水量,当含水量低于0.8%以下时,通入冷却水进行冷却;温度冷却到50℃以下后,加入交联剂甲基三甲氧基硅烷,抽真空的同时搅拌至均匀(约15 min);然后,加入一定浓度的钛酸酯催化剂、有机硅偶联剂、快速固化剂,继续抽真空搅拌约25 min后(黏度峰值已过),用塑料密封管出料,密封保存,备用。
1.4 性能测试
1)表干时间
用手指轻触胶层表面,记录胶从挤出到不粘手所用的时间。
2)24 h深层固化厚度
在相同规格的一次性杯里,倒入相同量的灌封胶,然后把胶杯置于恒温恒湿房内,24 h后取出,剥离表面已固化层,并快速用干净干燥的布条抹干,然后用游标卡尺测其厚度,即该样品24 h深层固化厚度。共测10组数据,然后取平均值。
3)储存稳定期
把样品装在透明密封瓶内,置于室温下,每5 d观察里面的胶样颜色及状态是否发生变化。
4)加速老化实验
恒温恒压的烘箱温度设定为70℃,待恒温后,将装有灌封胶的透明塑料密封管置于其中,开始计时;连续烘18 h后,让其自然冷却,然后打胶观察胶层颜色并测定其表干时间。通常情况下,颜色越深以及表干时间越长,则其耐老化性能越差。
2 结果与讨论
脱醇型有机硅灌封胶的基础配方见表1。
2.1 钛酸酯催化剂浓度的确定
按照表1中的基础配方,固定基胶及所有助剂的用量,分别采用有效浓度为5%、8%、9%的钛酸酯催化剂,制得脱醇型有机硅灌封胶,并测试其表干时间及24 h深层固化厚度。详细测试结果如表2所示。
从表2可以看出,在用量相同的情况下,钛酸酯催化剂的有效浓度对有机硅灌封胶的表干时间及24h深层固化厚度都有一定的影响。具体来说,随着催化剂有效浓度的增大,有机硅灌封胶的表干时间逐渐变短(表干速度变快);而24 h深层固化厚度却呈先增大后减小的趋势。出现上述结果是因为催化剂浓度较低时,其催化活性也相对较弱,导致灌封胶固化速度很慢(表干时间长);而催化剂浓度过高时,其反应活性大大提高,灌封胶表面快速发生固化(固化速度快),导致空气中的水蒸气很难或无法进入胶体内部,其深层固化厚度反而下降。根据实验结果,宜选择有效浓度为8%的钛酸酯催化剂。
2.2 催化剂用量对有机硅灌封胶固化性能的影响
选择有效浓度为8%的钛酸酯催化剂,固定基胶及其他助剂的用量,考察催化剂用量对有机硅灌封胶固化性能的影响,详细结果如图1所示。
如图1所示,钛酸酯催化剂的用量同样会对有机硅灌封胶的表干时间和24 h深层固化厚度产生一定的影响。随着钛酸酯催化剂用量的增加,灌封胶的表干时间逐渐变短(表干速度变快);24 h深层固化厚度呈先增大后减小的趋势。这一结果与浓度选择试验结果在本质上是一致的,催化剂用量适当增加,整个灌封胶体系的反应活性增大,灌封胶的表干时间和24 h深层固化厚度均增大;催化剂用量过量时,灌封胶表面快速固化,空气中的水分很难进入胶体内部,深层固化厚度反而减小。按照试验结果,钛酸酯催化剂的最佳用量约为28 g。
2.3 交联剂用量对有机硅灌封胶固化性能的影响
按照表1中的基础配方,固定基胶及其他助剂的用量,考察交联剂的用量对有机硅灌封胶固化性能的影响,详细结果见图2所示。
如图2所示,交联剂用量对有机硅灌封胶表干时间几乎没有影响,但对其深层固化厚度的影响较为明显。随着交联剂用量的增加,有机硅灌封胶的深层固化厚度呈先增大后逐渐变小的趋势。这主要是因为随着交联剂用量适当增加,整个灌封胶体系内的交联点数量逐渐增多,整体体系的固化速度也会变快,表现为深层固化厚度的增大;而继续增加交联剂的用量,灌封胶体系内的交联点数量进一步增加,导致体系交联密度过大,空气中的水分不易往灌封胶内部渗透,深层固化厚度反而有所下降。按照试验结果,交联剂的用量宜为107胶总质量的5%(约35 g)。
2.4 醇型快速固化剂YH4020对有机硅灌封胶固化性能的影响
加入一定量的醇型快速固化剂YH4020可以加快有机硅灌封胶的固化速度,使其在更短的时间内达到所需的深层固化厚度。但是,YH4020添加量过多反而不利于有机硅灌封胶的深层固化,且会增加成本。快速固化剂用量对有机硅灌封胶固化性能的影响见图3。
从图3可以看出,随着YH4020用量的增加,有机硅灌封胶的表干时间呈递减趋势;而深层固化厚度则也是呈现先增大后减小的趋势。当YH4020用量仅为107胶总质量的2%时,深层固化厚度达到最高值3 mm。YH4020对加速有机硅灌封胶的深层固化有比较明显的促进作用,其用量最终确定为2%。
2.5 偶联剂类型对有机硅灌封胶老化性能的影响
本研究选择了密封胶制备常用的4种硅烷偶联剂,乙烯基三乙氧基硅烷(YDH-171)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-792),分别制得有机硅灌封胶后,在温度设定为70℃的恒温恒压箱中进行人工加速老化实验,并测试老化后有机硅灌封胶的性能,详细试验结果见表3。
如表3所示,采用带有氨的偶联剂(KH-550、KH-792)制得的有机硅灌封胶,经人工加速老化试验后颜色出现明显变黄,采用KH-792制得的有机硅灌封胶颜色变黄最为严重;而采用YDH-171制备的有机硅灌封胶,老化后几乎没有明显的颜色变化。而上述几种偶联剂制得的有机硅灌封胶与同一种基材(如铝型材或玻璃)的粘结性能则刚好呈相反的趋势,KH-550与KH-792最好,YDH-171最差。因此,实际工程中要综合考虑需要的粘结强度及耐老化性能来选择偶联剂。本文中的灌封胶选择两种性能都比较适中的KH-560偶联剂。
2.6 快速深层固化有机硅灌封胶的综合性能指标
按上述优化后的配方,制得快速深层固化有机硅灌封胶,其与市面上常见的几种灌封胶性能对比列于表4。本文制备的有机硅灌封胶在深层快速固化方面有明显的优势。
3 结论
1)随着钛酸酯催化剂的有效浓度或用量的增大,有机硅灌封胶的表干时间逐渐变短(表干速度变快);而24 h深层固化厚度则呈先增大后减小的趋势。按照试验结果,宜选择有效浓度为8%的钛酸酯催化剂,其最佳用量约为28 g。
2)随着交联剂用量的增加,有机硅灌封胶的表干时间没有明显变化;但其深层固化厚度呈先增大后逐渐变小的趋势。按照试验结果,交联剂的用量宜为107胶总质量的5%(约35 g)。
3)加入醇型快速固化剂YH4020,对加速有机硅灌封胶的深层固化有明显的促进作用,但用量不宜过多,最佳为107胶总质量的2%。
4)有机硅灌封胶不宜选用带氨基的偶联剂(老化后变黄);也不宜选用YDH-171偶联剂(粘结性能差),本实验选择的是两方面性能均适中的KH-560。
5)按优化配方制备的有机硅灌封胶表干时间为1 2 min,24 h深层固化厚度达3.85 mm,完全固化只需3 d,具有快速固化的特点。
参考文献
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[4]王秀彦,董宪武,周非,等.LED灌封胶研究进展[J].中国胶粘剂,2014,23(5):46-49.
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[7]袁素兰,王有治,卢麟,等.单组分室温快速硫化脱醇型硅酮结构密封胶及其制造方法:中国,101012364A[P].2007-08-08.
快速固化道砟喷涂树脂的研制 篇2
关键词：喷涂树脂,聚氨酯,快速固化
在铁路大发展的今天,列车的速度和轴重不断增加,有砟轨道在使用过程中会出现道砟飞溅,桥隧与土质路基间道床刚度突变严重,道床横向阻力偏低,重载运煤专线还会出现道床板结等一系列病害,严重影响行车安全。根据相关资料,国外针对这一状况采取的措施主要是采用道砟喷涂树脂(俗称道砟胶)对有砟轨道进行固化,使之成为更为紧密、具有黏结性的整体结构,这种结构与无砟轨道轨下基础相比,具有更好的弹性、减振降噪和可维修性能,与碎石道床相比具有更好的稳定性和抗变形、抗沉降性能,从而延缓轨道变形,减少养护维修工作量,延长道床使用寿命[1,2]。目前在我国没有大规模应用,西南交通大学、北京交通大学等科研单位曾进行过相关研究,主要是针对道砟胶与石子固化后对轨道参数的影响,没有对道砟胶材料本身进行过系统研究。通过分析,目前最常用最合适的道砟胶材料为聚氨酯喷涂树脂[3,4,5]。本研究通过配方设计、讨论各组分对材料性能的影响得到了适用于现场喷涂的聚氨酯树脂。
1 实验部分
1.1 主要原料
聚醚多元醇YD-1010(羟值:109-115mgKOH/g,f=2)、YD-2020(羟值:53-59mgKOH/g,f=2)、YD-,330N(羟值:53-59mgKOH/g,f=2),河北亚东化工集团有限公司;改性二甲苯基甲烷二异氰酸酯(100LL,工业级),烟台万华聚氨酯有限公司;邻苯二甲酸二丁酯(DBP,工业级),北京市京平化商贸有限公司;辛酸亚锡(试剂级),国药集团化学试剂有限公司;抗氧剂1010(工业级),爱丽汶森化学科技有限公司;异辛酸铅(试剂级),上海长风助剂厂;交联剂,自制。
1.2 主要设备
电子万能试验机(DXLL-100),上海登杰机器设备有限公司;喷涂试验机(Reactor E-10),美国GRACO公司;旋转粘度仪(NDJ-1B型),上海昌吉地质仪器有限公司。
1.3 试样制备
1.3.1 A组分的制备
在装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入计量好的聚醚1000,并升温至110℃真空脱水2h,测定水分含量小于0.2%时,停止抽真空并降至常温。加入计量好的改性MDI,通入N2,升温并保持体系在80℃反应4h,当测定体系的NCO含量达到理论值时停止反应,作为A组分备用。
1.3.2 B组分的制备
在装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入计量好的交联剂、抗氧剂1010、抗紫外线剂、DBP、催化剂并升温至110℃真空脱水2h,测定水分含量小于0.2%时,停止抽真空并静置作为B组分备用。
1.4 基本配方
2 结果与讨论
2.1 体系黏度的影响因素
喷涂树脂的黏度对喷涂效果有很明显的影响。过高的黏度会导致喷涂树脂混合效果及雾化效果不佳。在本配方体系中,A组分为预聚物体,是黏度较高的组分,因此,控制A组分黏度就成为控制整个体系黏度的关键。其中,影响A组分体系黏度的因素主要包括:(1)多元醇的黏度;(2)增塑剂的用量。
2.1.1 多元醇的选择
我们选择了以下几种多元醇,测试其黏度,并在其他组份不变的情况下测试样品的物理性能。表2列出的是不同种类多元醇的黏度及物理性能。可以看出,分子量相对较低的线性多元醇聚醚1000所制备的样品在剪切强度和断裂伸长率上都处于中游,且黏度较低,根据在保证树脂性能的前提下尽量选择黏度低的多元醇的原则,我们最终选用了具有较低黏度的聚醚1000。
2.1.2 增塑剂用量的影响
在多元醇种类选定的情况下,增塑剂用量为另一个对体系黏度具有明显影响的因素。表3可以看出,随着增塑剂用量的提高,A组分黏度成下降趋势,但从10质量份增加到15质量份的增塑剂,A组分黏度下降并不多,而且,在实验中发现增塑剂加入过多,固化后的树脂会出现析出的现象。因此,我们最后确定,A组分中增塑剂的用量为10质量份。
2.2 交联剂用量对树脂性能的影响
确定了异氰酸酯及多元醇种类的情况下,交联剂用量就成为树脂固化后力学性能最重要的影响因素。图1、图2、及图3是交联剂用量对产品性能影响的关系曲线。
从图1、图2、图3可以看出,随着交联剂用量的升高,树脂固化后的剪切强度、黏接强度都呈增大趋势,但断裂伸长率有比较明显的下降。分析原因,随着交联剂用量的提高,液化MDI的用量也随之提高,树脂体系内刚性苯环含量逐渐提高,反映到宏观性能上表现为树脂黏接强度和剪切强度的提高,而交联剂用量的提高同时也提高了交联点数量,使树脂体系内更多的呈现网状结构而不是线性结构,因此,树脂的断裂伸长率降低。从有利于道砟捣固的角度看,对于固化增强树脂而言,与道砟的黏接强度应较高,而断裂伸长率不应过高。根据国外同类产品的性能参数,我们控制产品的断裂伸长率在100%左右,最终确定交联剂的用量为10质量份。
2.3 催化剂对树脂固化速度的影响
作为快速固化树脂,树脂固化速度的调整也是重要的技术指标。聚氨酯催化剂通常有2类:有机金属催化剂和胺类催化剂。因此在催化剂的选择上,尝试了两种有机金属催化剂和一种胺催化剂。试验中,我们用选定好的A、B组分配方尝试不同的催化剂配比,观察树脂在道砟上的指干时间,以此表征树脂的固化效果。试验结果如表4所示。可以看出,辛酸亚锡锡与异辛酸铅同时使用时,树脂体系的固化速度有比较理想的效果,可以达到快速固化的要求。分析原因,胺催化剂和辛酸亚锡均属于前效性催化剂,反应初期放热比较明显,但后期固化速度相对较慢,而异辛酸铅的反应后期固化速度较快,但反应初期的生热慢,因此与胺或者锡催化剂共同使用可以达到比较理想的固化效果。辛酸亚锡和胺催化剂相比,前期反应放热更明显,因此,树脂的固化速度更快。因此,最终确定使用辛酸亚锡与异辛酸铅作为催化剂。
2.4 道砟喷涂树脂现场施工
经过试验室试验及中试,铁科院与太原局合作与2011年进行了大秦重载铁路的道床固化试验。试验结果表明,树脂固化速度良好,在施工结束后1h测试道床刚度就有明显的提高,同时有效的解决了列车高速通过时的道砟易飞溅问题,取得了良好的试验效果。
图4、图5所示所示为喷涂设备及现场施工情况。
3 结论
(1)采用分子量1000的线性聚醚多元醇,液化MDI、交联剂、增塑剂、催化剂制备了一种配比为1:1的,可规模化生产道床固化用聚氨酯喷涂树脂;
(2)通过试验确定了多元醇、增塑剂、交联剂及催化剂的种类及用量对树脂的黏度、固化速度及固化后物理性能的影响;
(3)本研究设计的树脂已经在重载线上进行了现场试验,取得了良好的试验效果。
参考文献
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[2]刘春明.防止列车高速运行时道碴飞散的有效措施[J].铁道建筑设计,2004(1):58-60.
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[4]钟一平,肖友军.聚氨醋弹性体合成研究[J].南方冶金学院学报,2001(7):296-298.
快速深层固化 篇3
快速成型是20世纪80年代后期发展起来的一项快速成型技术。快速成型加工的核心思想是离散堆积成型[1,2]。目前,比较成熟的快速成型技术有激光固化快速成型(SLA)、叠材选择性切割(LOM)、粉末选择性烧结(SLS)、熔融沉积制造(FDM)和三维打印成型(3DP),其中,激光固化快速成型法(SLA)是最早出现的快速原型制造工艺,经过20余年的发展,成为成熟度高、市场占有率第一的快速成型工艺。由于其制作精度高,表面质量好,材料利用率及生产效率较高等优点[3],在产品概念设计、模具设计制造、玩具、医疗和汽车等领域得到了较多的应用。
1 激光固化快速成型简介
激光固化快速成型设备是利用特定波长的紫外光按照特定路径照射光敏树脂使其快速固化形成所需工件的设备。一般包括紫外光发生器、工作台装置和液面涂覆装置,示意图如图1所示。
激光固化快速成型的工件是通过重复多次的分层固化堆积而成。如何将粘稠度高的光敏树脂快速地在工件已固化层的表面形成一层厚度均匀的待固化树脂层在工件的制作中至关重要,它直接影响工件成型的尺寸精度。将光敏树脂适当加热可以降低其粘稠度[4],增加流动性,可以在工件已固化层的表面上快速地涂覆一层厚度均匀的待固化的光敏树脂。所以树脂的有效加热直接影响成型工件的加工效率、尺寸精度,甚至影响工件的机械性能,有必要对树脂的加热器进行研究,以更好地对树脂进行加热。
2 树脂加热器研究
2.1 主要树脂加热器现状研究
现有树脂的加热器主要是加热板、导热油和加热棒组合的加热器。
加热板加热器直接贴在树脂槽四周和底部来对树脂进行加热,加热板直接加热树脂槽,通过树脂槽把热量传递给树脂,由于加热板升温较快,树脂的导热系数又不高,要使整槽树脂达到设定的温度需一段时间,可使树脂温度呈现区域性的梯度变化,直接影响工件的成型精度。另外,跟加热板距离较近的树脂温度长时间偏高,容易造成树脂热分解或出现热固化现象,严重者导致整槽树脂报废。加热板在空气中加热和冷却,热量利用率较低,并容易造成老化,寿命较短。
导热油和加热棒组合由两条或以上的加热棒和导热油组成,两者缺一不可。和这种加热器配合使用的是具有夹层结构的树脂槽,示意图如图2所示。
通过加热棒加热导热油,导热油再加热树脂。导热油加热均匀,调温控温准确,传热效果好,可以在更宽的温度范围内满足不同温度加热的工艺需求,可以大大降低高温加热系统的操作压力和安全要求。这种加热器也会出现加热板所出现的不足,但效果比后者要好,另外,和此种加热器配合使用的树脂槽制作工艺和技术要求较高,成本也较高,导热油也会对树脂槽产生一定的腐蚀。
2.2 热风加热器设计研究
近年来,热风加热树脂工艺得到遍应用,对热风加热器的研究却很少有文献报道。热风加热器是通过加热流动的冷空气形成热风,再由热风加热树脂的加热器。有采用工业用热风机作为加热器进行空气加热的,热风机可实现工作温度、风量的调控。但热风机价格高,体积大且重量重,并且和树脂温度的联动控制复杂且精度不高。因此有必要研究用在激光固化快速成型设备上空气加热的加热器,这种加热器需具备以下条件:
(1)结构简单,容易制作、安装;
(2)风阻小,散热面积大且分布均匀,以使空气加热均匀;
(3)发热温度可精确测量,以更好地控制树脂的温度。
根据以上三个原则,设计方案如图3所示,图3(a)为方案的装配图,图3(b)为方案的截面图。设计方案由加热棒、导热棒、导风锥、散热片、加热棒固定块、固定支架等构成。
加热棒放置在导热棒中,导热棒安装在散热片的孔中,两者之间全部采用导热胶进行填充,以使热量传导的效率更高。加热棒固定块把加热棒固定在导热棒内,加热棒固定块和导热棒采用螺纹连接固定,导风锥可减小空气流动的阻力,和导热棒连接。固定支架固定在导风锥和加热棒固定块上,用于固定整个加热器。温度传感器安装在加热棒固定块上,可精确的监测加热棒的温度,以达到和树脂温度的联动控制,也保护了加热棒,使之安全使用。
导热棒的作用是使发热棒发出的热量更加均匀地传递到散热片上,使散热片对空气的加热更为均匀,材料选用导热系数大的材料,可使热量更快的传递到散热片上,提高加热效率。
散热片截面如图4所示,散热片采用太阳花散热片,此种散热片叶片分布均匀,风机使空气顺着散热片之间的间隙流过,减小了风阻,同时,又使流动的空气得到了充分的均匀加热。散热片材料一般为铝合金材料,因为铝的传热较快,可使流动的空气更快的升温。
3 结论
鉴于用于激光固化快速成型设备热风加热器设计研究的相关文献很少,提出了热风加热器的设计方案,并分析了该方案的可行性。本设计方案结构简单,成本低,制作安装方便,风阻小,散热面积大并且可使空气均匀受热。温度传感器布置在加热棒旁,更好地监测其温度以更好地控制树脂的温度。本方案在长期的实际应用中较好地满足了使用要求,此方案可行,对激光固化快速成型设备热风加热器设计具有一定的工程价值。
摘要：对激光固化快速成型技术进行了简单阐述,介绍分析了树脂加热的两种主要的加热器,提出了一种热风加热器的设计方案,此方案在实际应用中能较好地满足使用要求,具有一定的工程意义。
关键词：激光固化快速成型,树脂,加热器
参考文献
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快速深层固化 篇4
快速成形技术(Rapid Prototyping,RP)是一种基于数字化的新型成形技术,其叠层累加的思想突破了传统的加工模式,是制造技术领域的一次重大突破。某些液态树脂材料被特定波长的光束照射时,因发生聚合反应,而具有迅速地从液态变成固态的特性。利用树脂的这种特性,逐层、有选择地固化液态树脂,成形三维实体的方法称之为立体光固化快速成形法(Stereo Lithography Apparatus,SLA)。
紫外光固化的发展离不开紫外光源,可以说,紫外光源的特性,如波长、光强、光源体积、工作条件、功率、价格等等,是制约紫外光固化快速成形技术发展的关键因素之一。目前,用于光固化快速成形设备中的紫外光源分为两类:高端快速成形设备大都采用紫外激光器,如美国3D Systems Corporation公司的快速成形设备;低端快速成形设备采用紫外灯,如西安交通大学研发的CPS快速成形设备[1]。
激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等优点,是进行材料加工的理想光源。快速成形设备中常用的紫外激光光源包括氦镉(He–Cd)激光器(325 nm)、氩离子(Ar+)激光器(351~364 nm)、N2激光器(337 nm)、二极管泵浦Nd:YOV4三倍频激光器(355 nm)等。但激光系统(包括激光器、冷却器、电源和外光路)的价格及维护费用昂贵,导致快速成形设备的制造成本和使用成本过高,在一定程度上限制了紫外光固化快速成形技术的推广。另一方面,紫外灯以其价格优势占据了紫外光固化快速成形设备的低端市场。尽管紫外灯的成本较低,但其使用寿命短、光束质量差,且环境污染较严重。
随着LED(Light Emitting Diode,LED)材料生长技术的发展和制备工艺的完善,商品化LED的发光效率几乎每十年提高一个数量级,其性能的提高推动了LED的应用发展,从汽车车灯到白光照明,从全彩色大屏幕显示到多媒体信息存储等,应用范围日益广泛。相对激光器和汞灯等传统光源,LED具有成本低、体积小、无环境污染、耗电量低、寿命长等优点,其内在特征决定了它有较高的性价比。虽然目前已出现基于LED的新型紫外光固化用点光源产品,但这类产品不足之处在于输出光束光斑较大,无法满足光固化快速成形加工工艺的要求。为此,针对我国光固化快速成形的现状,面向各类院校和中小企业教育、研发需求,本研究设计了一个基于单片紫外LED(Ultraviolet Light Emitting Diode,UV LED)的光源系统,应用于光固化快速成形设备。
1 光固化快速成形中的光源系统
对不同波长的光,光敏树脂有不同的吸收率。基于光固化成形机理,光源辐射出的光线应与光敏树脂的光吸收谱线相匹配,使光敏树脂同光线相互作用而发生光化学反应、引发固化成形。由于大部分光敏剂在紫外区的光系数较大,较低的光能量密度就可使树脂固化,所以光固化成形工艺通常采用波长范围一般为250~380 nm,光波输出功率大于20 mW,工作状态为连续波的紫外光源。
在光固化成形中,光敏树脂对紫外光的吸收遵循Beer-Lambert定律[2],即:紫外光的能量密度E随着透射深度的增加呈指数衰减。理论及试验表明,只有当液态光敏树脂接受的紫外线能量密度E超过一定的阈值EC后,才会产生凝胶(凝胶态是液态和固态之间的临界状态),固化深度Cd与EC的关系可写成[3]:
式中:Dp为光敏树脂的透射深度,定义为光能量密度衰减为入射能量密度的1/e时的深度。Dp越小,表明单位体积树脂对紫外光吸收越多。Emax为树脂表面最大能量密度,其与光源功率PL、扫描速度Vs、固化面上光点半径ω0及固化阈值EC之间满足:
进一步化简,固化深度Cd:
固化的线宽Lw:
对于光固化快速成形系统,只有当固化深度大于固化层厚度时,相邻两层之间才能有效地粘结,否则,制件层间会产生剥离,影响制件精度,甚至导致制件失败。式(3)~式(4)表明,固化深度,扫描线宽与扫描速度、固化面上聚焦光斑的大小及功率等指标有关。扫描速度快,树脂固化需要的光功率大;光斑大,则树脂固化深度浅,扫描线宽。因此,紫外光源系统是紫外光固化快速成形设备的重要组成部分,其光学技术指标,如聚光能力、均匀性、光斑大小等,将直接影响到树脂固化的最终效果。
2 光固化快速成形中的紫外LED光源系统设计
LED实质上是利用半导体材料制作的正向偏置的P-N结二极管[4],当P-N结两端注入正向电流时,注入的非平衡载流子(电子-空穴对)在扩散过程中复合发光。与激光不同,这种发射过程属于自发发射过程,发射的是非相干光。
本研究设计了一个基于单片紫外LED的光源系统,应用于光固化快速成形设备。在25℃环境温度下,所选LED芯片的波长在360~370 nm范围,且典型波长为365 nm波段;发光面尺寸为1 mm×1 mm,发散角为±60°左右;在500 mA工作电流驱动下,发射的光功率为110~154 mW。
所设计的单片紫外LED光源系统示意框图如图1所示,光源系统主要由电路部分和光学部分组成,其中电路部分包括光源的驱动电路;光学部分则具体包括光源耦合系统、整形聚焦系统。
如前所述,UV LED光学系统的特性将直接决定着树脂固化成形质量及效率。结合所研发的新型光固化快速成形设备的特点,该UV LED光源应满足以下技术指标:
1)树脂固化面上的光功率≥20 mW,光斑直径D≤0.3 mm;
2)光源系统结构紧凑,体积小,距液面工作距离≥5 mm;
3)光源功率可调;
4)光源系统稳定,且能长时间运行。
2.1 基于单片LED的光学整形聚焦系统设计
严格意义上讲,LED是面光源。为简化设计,结合所选LED芯片特点,本研究近似地将LED芯片看成是类点光源,LED与聚焦系统直接耦合,采用多透镜系统对光源进行整形聚焦。
由于单片UV LED的发散角偏大,且光功率相对较低,为满足光固化快速成形工艺的要求,所设计的单片UV LED聚焦系统是一个大数值孔径、短焦距的光学系统。如图2,单片UV LED发出的光束先经倒置的非球面聚焦透镜扩束成平行光,再经第二片非球面透镜、第三片透镜聚焦于工作面。非球面透镜有很好的光学性能,引入的球差小,能很好地校正波前误差,无需在光学系统中加入特殊元件进行象差校正。使用非球面透镜能使光学系统大大简化,在小尺寸条件下设计出性能较好、结构简单的高精度透镜结构。
通过Zemax光学设计软件[5],光源系统的数值孔径NA≥0.5,聚焦光斑直径D≤0.3 mm,焦距为5 mm,树脂固化面上的光功率≥30 mW。光学系统的材料采用紫外通用的高透过率石英玻璃,且为减小菲涅尔反射损耗,各镜双面均镀365 nm光学增透膜。
2.2 LED光源驱动系统设计
光固化成形为材料的叠层累加工艺,系统的运行时间长达数十小时,因此,光源驱动系统应保证LED芯片长时间发射出功率稳定、波长稳定的紫外光束。
研究表明,LED的工作特性,特别是长时间运行时的工作特性如波长、功率等受控制电流、环境温度等的影响较大。一方面,LED为电流驱动型器件,其输出特性不仅跟本身的材料、工艺有着紧密的联系,驱动电流的稳定性也将直接影响波长和输出功率的稳定性;另一方面,LED芯片的工作物质是P-N结,其特点是易受温度影响,对温度变化敏感。温度升高不仅使输出功率下降,而且影响波长的稳定性。通常,工作温度的不稳定是LED性能恶化、寿命减少的主要因素,只有提供恒定的工作温度,才能保证LED芯片具有稳定的输出功率和最大的工作效率。
如图3所示,本研究所设计的恒稳控制系统由UV LED控制器及其外围电路组成,主要完成对温度、功率的采样、计算;对外部控制指令的接收和处理。为保证LED芯片运行于恒温环境,本研究采用半导体电致冷器TEC(Thermoelectric Cooling,TEC)作为LED芯片温度调节的执行器件。TEC依据帕尔帖效应工作,通过控制电流的方向实现TEC致冷和加热;通过电流大小的改变,控制TEC致冷量和加热量。TEC具有体积小、致冷效率高、无污染等特点,特别适用于有限空间的致冷。数字式温度传感器对UV LED芯片进行温度检测,当检测温度小于设定温度值时,通过驱动电路使TEC致热;当检测信号大于设定温度值时,通过驱动电路使TEC致冷,从而实现UV LED芯片的恒温控制。光敏二极管用于对光功率进行检测,实时调整工作电流,实现对LED的恒功率控制。
试验表明,此驱动系统实现了对单片UV LED芯片的恒稳控制,树脂固化面上的光波长、功率稳定,达到了预期指标,满足光固化快速成形工艺的要求。
3 结论
本研究对紫外LED光源在光固化快速成形设备上的应用进行了探讨,并将所设计的单片UV LED光源系统应用于华中科技大学材料科学与工程学院快速成形中心所研发的紫外光固化快速成形设备上,光源实验装置见图4。结果表明,采用本研究设计的紫外LED光源,光强分布均匀稳定、能够满足紫外光固化过程对光源的指标要求,具有可操作性。
该单片紫外LED光源系统具有结构简单的突出优点,采用优化的光学聚焦系统,使发散角≥100°的LED光束聚焦,且树脂固化面上的光功率≥30 mW,光斑直径D≤0.3 mm。该系统设计已获国家发明专利授权[6]。
对紫外LED光源在光固化快速成形中的应用研究刚起步,受目前紫外LED芯片技术参数(特别是功率大小)的限制,所设计的基于单片LED光源系统聚焦后的光斑大小尚不能与激光光源聚焦后的光斑大小媲美;同时,因聚焦面上功率较弱,导致制件加工速度较慢。未来,提高LED光源功率,以便进行高速光固化成形的方法有两个,其一,增加LED芯片的数量,采用阵列结构,配合先进的耦合技术,在树脂固化面上获得较高功率的紫外光;其二,随着LED技术的发展,高功率的紫外LED芯片问世。
与配置激光器、汞灯等光源的光固化成形设备相比,以LED为光源的成形机在保证一定制件精度和速度的基础上,具有低设备造价和低运行成本的突出特点,具有较高的性能价格比。它的研制和开发,为快速成形技术的发展提供了一个新的思路,有助于推动快速成形技术在我国的研究和应用。
参考文献
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[4]Neamen Donald A.半导体器件导论[M].北京:清华大学出版社,2006:616-621.Neamen Donald A.An Introduction to Semiconductor Devices[M].Beijing:Tsinghua University Press,2006:616-621.
[5]ZEMAX Development Corporation.Zemax Optical Design Program[Z].