光固化原理及应用简介
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光固化原理
光固化是一种通过使用紫外光源对涂层或材料进行固化的过程。
该过程基于紫外线照射能够引发光敏化剂分子的光化学反应,从而促使涂层或材料发生聚合或交联反应,形成固态结构。
光固化过程中,紫外光线通过紫外光源产生,并被一个安装在固化设备内的反射镜反射或引导到待固化的材料表面。
当光线照射到材料上时,光敏化剂分子吸收光能,并在激发态下进行活化。
活化的光敏化剂分子可以与周围的单体或含有活泼氢原子的物质发生反应,引发聚合或交联反应。
这种光敏化剂分子的活化是由紫外线照射能量提供的。
紫外线的能量可以激发电子从其基态跃迁到激发态,从而增加反应发生的可能性。
同时,光敏化剂分子对特定的紫外光波长有选择性吸收,这使得固化过程可以在特定的波长下进行。
光固化的反应速度非常快,因为紫外光可以提供高能量的激发态,从而加速反应的进行。
此外,光固化过程不需要加热或溶剂挥发等辅助手段,因此具有高效、节能、环境友好等优点。
光固化技术广泛应用于涂料、胶粘剂、油墨等领域。
在涂料领域,光固化涂料可以实现迅速固化,提高生产效率和涂层质量。
而在其他领域,光固化技术也为制备精密结构、功能材料等提供了一种高效的工艺方法。
光固化手册光固化是一种常用于工业生产和实验室应用的技术,它能够快速和可靠地固化涂层材料和胶粘剂。
这种技术主要依赖于紫外线或可见光来促使涂层中的单体发生聚合反应,从而形成坚固的固体结构。
光固化手册是一本详细介绍光固化技术原理、应用和操作方法的手册,下面将对光固化手册进行详细描述。
光固化技术原理部分:光固化技术主要基于光敏固化材料的特性和光引发剂的作用机制。
在光敏固化材料中,通常含有一种或多种光敏单体和光引发剂。
当光敏固化材料暴露在紫外线或可见光的照射下时,光敏单体中的双键将发生聚合反应,形成大分子物质,从而导致材料的固化。
光固化技术应用部分:光固化技术广泛应用于涂覆、胶粘、油墨、3D打印等领域。
在涂覆领域,光固化涂料可以在极短的时间内固化,提高生产效率。
在胶粘领域,光固化胶粘剂可以快速固化,降低生产成本。
在油墨领域,光固化油墨具有高速干燥、良好的附着力和耐磨性等特点。
在3D打印领域,光固化3D打印技术可以实现高精度的打印效果。
光固化技术操作方法部分:光固化过程中的操作方法包括光源的选取、固化时间的控制、温度和湿度的调节等。
在选择光源时,需根据材料的固化要求选择合适波长的光源。
固化时间的控制需要根据涂层厚度、光强度和材料的固化特性来确定。
温度和湿度的调节是为了保证固化过程的稳定性和一致性。
总结:光固化手册是一本介绍光固化技术的重要参考资料,它详细介绍了光固化技术的原理、应用和操作方法。
通过光固化手册的学习和实践,人们可以更好地理解和应用光固化技术,提高生产效率和产品质量。
光固化技术的不断发展和创新,将为各个领域的工业生产和科学研究带来更多的可能性和机遇。
UV光固化原理一、UV光固化的概述1. UV光固化的定义UV光固化是一种利用紫外线照射特定材料,使其在极短的时间内发生快速固化反应的技术。
UV光固化广泛应用于印刷、涂料、胶黏剂、3D打印等领域。
2. UV光固化的优势UV光固化具有固化速度快、节能环保、生产效率高、产品性能优良等优势。
它已成为现代工业生产中一种重要的固化技术。
二、UV光固化的原理1. 光引发剂的作用UV光固化过程中,光引发剂吸收紫外线能量,产生激发态。
激发态的光引发剂能够将大量的能量传递给硬化剂,激发硬化剂进一步进行硬化反应。
2. 丙烯酸酯的聚合反应光引发剂作用下,丙烯酸酯等单体发生聚合反应,形成高分子聚合物。
聚合反应是通过自由基机理进行的,光引发剂的生成的自由基与单体发生反应,逐步形成高分子聚合物。
3. 涂层的固化紫外线照射涂层时,光引发剂吸收紫外线能量,产生大量的自由基,进而引发单体的聚合反应。
经过聚合反应的涂层固化后,形成坚韧、耐磨的薄膜。
三、UV光固化技术的应用1. 印刷行业UV光固化技术在印刷行业中得到广泛应用,可以大大提高印刷速度和质量。
利用UV光固化技术,印刷品的表面光泽度高,耐磨性好,且固化时间短,生产效率高。
2. 涂料行业UV光固化涂料具有固化速度快、环保无污染等优势,在涂料行业中应用广泛。
UV光固化涂料具有高硬度、高透明度、耐磨、耐化学品等特性。
3. 电子行业UV光固化技术在电子行业中也有重要应用。
例如,用于制作光纤的涂层、光学器件的粘接等,都离不开UV光固化技术。
UV光固化技术可以提高生产效率,减少生产成本。
4. 3D打印UV光固化技术在3D打印中起到关键作用。
利用UV光固化技术,可以将光敏树脂等打印原料快速固化,实现3D打印制品的快速成型。
四、UV光固化技术的问题与展望1. 需要专门的设备UV光固化需要专门的设备和紫外线光源,成本较高。
同时,对于某些特殊材料,需要经过光适应性测试和硬化剂选择等环节,增加了生产过程中的复杂性。
光固化材料引言光固化材料是一种通过光能激发并进行化学反应的材料。
它们在光照射下可以发生聚合反应或交联反应,从而形成固体结构。
光固化材料广泛应用于3D打印、光学涂层、光学纤维、医疗器械等领域。
本文将对光固化材料的基本原理、种类、应用以及未来发展进行介绍。
基本原理光固化材料的固化过程是光聚合或光交联反应。
当光照射到光固化材料上时,光能会激发材料中的光敏剂。
光敏剂吸收光能后,会发生聚合反应或交联反应,将分子结构重新排列并形成固体结构。
这一固化过程可以通过以下方程式表示:光敏剂 + 光能→ 聚合或交联反应→ 固化材料种类光固化材料根据反应方式的不同,可以分为光聚合材料和光交联材料。
光聚合材料光聚合材料在光照射下会发生自由基聚合反应。
这种材料通常包含光活性单体和光引发剂。
光活性单体是一种可聚合的单体分子,它在光照射下可以发生自由基聚合反应,形成聚合物。
光引发剂则是一种吸收光能并引发聚合反应的物质。
常见的光聚合材料包括环氧树脂、丙烯酸酯等。
光交联材料光交联材料在光照射下会发生交联反应,形成三维网络结构。
这种材料通常包含含有多个双键的单体和光引发剂。
在光照射下,光引发剂会引发双键的光交联反应,将单体分子连接起来形成三维网络结构。
光交联材料具有良好的耐热性和力学性能,常用于制备光学涂层、光学纤维等。
应用光固化材料具有许多优点,如快速固化速度、低能耗、无溶剂等,因此在许多领域有广泛应用。
3D打印光固化材料在3D打印中被广泛应用。
通过激光或LED光源照射光固化材料,可以将其逐层固化成所需的物体形状。
这种制造方式快速高效,并且可以制造出复杂的结构。
光固化材料的选择对于3D打印的质量和性能有重要影响。
光学涂层光固化材料可以用于制备光学涂层。
通过在基材表面涂覆光固化材料,并在光照射下进行固化,可以形成光学涂层。
这种涂层具有高透明度、抗腐蚀性和抗划伤性能。
光学涂层广泛应用于眼镜、显示器、摄像头等光学器件中。
医疗器械光固化材料也被应用于医疗器械制造。
光固化成型原理
光固化成型原理是一种利用紫外线或可见光照射下的光敏物质,使其发生化学反应,从而实现材料固化的技术。
这种技术在现代工业生产中得到了广泛应用,特别是在3D打印、印刷、涂料、胶水等领域。
光固化成型原理的基本原理是利用光敏物质的分子结构发生变化,从而引发化学反应,使材料固化。
光敏物质通常是一种含有双键或环状结构的有机分子,当它们受到紫外线或可见光的照射时,会发生光化学反应,使分子结构发生变化,从而引发固化反应。
在3D打印中,光固化成型原理被广泛应用。
3D打印机通过喷头将液态光敏物质喷射到打印平台上,然后利用紫外线或可见光照射,使光敏物质发生固化反应,从而实现3D打印。
这种技术具有高精度、高效率、低成本等优点,已经成为现代制造业的重要技术之一。
在印刷、涂料、胶水等领域,光固化成型原理也得到了广泛应用。
印刷时,光敏物质被涂在印刷材料上,然后利用紫外线或可见光照射,使光敏物质发生固化反应,从而实现印刷。
涂料和胶水中也常常添加光敏物质,以实现快速固化。
光固化成型原理是一种非常重要的技术,它在现代工业生产中得到了广泛应用。
随着科技的不断发展,光固化成型技术将会越来越成熟,为人类创造更多的价值。
光固化机在家具和室内装饰中的应用案例导语:光固化机已经成为当今家具和室内装饰领域不可或缺的工具,它以快速、高效的特点,使得家具和室内装饰的生产制作更加精细和美观。
本文将探讨光固化机在家具和室内装饰中的应用案例,并介绍光固化机的工作原理和未来发展趋势。
一、光固化机的工作原理光固化机使用紫外线(UV)或可见光(VIS)照射涂层或胶水,通过化学反应使其迅速固化。
具体而言,光固化机利用紫外线灯和光反应剂将涂层或胶水暴露在特定波长的光照下,引发紫外线交联反应,使其在几秒钟内硬化。
这种固化方式具有快速、高效、节能的特点,能够满足制造业对生产效率和品质的要求。
二、光固化机在家具制造中的应用案例1. 无缝板家具无缝板是家具制造中常用的一种材料,光固化机可以在制造过程中对无缝板表面进行光固化处理,使得家具表面更加坚固和美观。
并且,光固化机能够减少涂料使用量,并提高涂料的硬化速度,从而节约生产成本和时间。
2. 定制家具光固化机可以实现对家具的个性化定制。
通过在光固化机中使用不同波长的灯光,可以实现对涂层的不同颜色、光泽和质地的定制,满足消费者对个性化家具的需求。
三、光固化机在室内装饰中的应用案例1. 地板涂层地板涂层是室内装饰的重要部分,通过光固化机的应用,可以实现地板涂层的快速硬化和品质保证。
光固化机不仅能够提高地板涂层的耐磨性和光泽度,还能够减少涂层在制造过程中的挥发物排放,对环境友好。
2. 墙面涂层墙面涂层也是室内装饰的关键元素,光固化机可以使墙面涂层迅速固化,提高质量和效率。
利用光固化机,墙面涂层可以在几秒钟内硬化,减少涂层的干燥时间,提高施工效率。
四、光固化机的未来发展趋势1. 绿色环保随着社会环保意识的增强,光固化机在未来的发展中将更加注重环境友好型涂料和胶水的应用,以减少挥发性有机化合物(VOCs)的排放,保护人类健康和环境。
2. 智能化和自动化未来的光固化机将更加智能化和自动化。
通过应用机器学习和人工智能技术,光固化机将能够自动调节照射时间和波长,以适应不同材料和涂层的需求,提高产品的质量和稳定性。
紫外光固化修复方案随着科技的发展,紫外光固化修复技术在许多领域得到广泛应用。
紫外光固化修复是一种利用紫外光照射材料表面,使其发生固化反应从而修复损伤的方法。
本文将介绍紫外光固化修复的原理和应用,并探讨其优势和局限性。
一、紫外光固化修复的原理紫外光固化修复是利用紫外光照射材料表面,通过引发剂将涂层中的单体聚合成固体的过程。
当紫外光照射到材料表面时,引发剂会吸收紫外光能量并转化为化学反应能量。
引发剂将化学能量传递给涂层中的单体,使其发生聚合反应,形成一个固体层。
这个固体层能够填补损伤或裂缝,从而修复材料的损伤。
二、紫外光固化修复的应用紫外光固化修复在许多领域都有广泛的应用。
其中最常见的应用是在涂料和胶水的制造中。
传统的涂料和胶水需要通过空气中的湿气或热能来固化,这需要较长的时间。
而紫外光固化修复可以在几秒钟内完成固化,大大提高了生产效率。
此外,紫外光固化修复还广泛应用于印刷、电子、医疗器械等行业,用于修复产品表面的损伤或缺陷。
三、紫外光固化修复的优势紫外光固化修复具有许多优势。
首先,固化速度快。
紫外光固化修复可以在几秒钟内完成固化,大大节省了时间。
其次,固化质量好。
紫外光固化修复可以使涂层均匀固化,形成平整、光滑的表面。
再次,环保节能。
紫外光固化修复不需要使用有机溶剂,不会产生污染物,符合环保要求。
此外,紫外光固化修复还可以节约能源,提高生产效率。
最后,紫外光固化修复可以应用于各种材料,包括塑料、玻璃、金属等。
四、紫外光固化修复的局限性虽然紫外光固化修复具有许多优势,但也存在一些局限性。
首先,紫外光固化修复的效果受材料的透明性影响较大。
如果材料对紫外光的透过性较低,固化效果可能不理想。
其次,紫外光固化修复的设备价格较高。
紫外光固化修复需要使用紫外光固化设备,而这些设备价格较高,对于一些小规模企业来说可能无法承担。
最后,紫外光固化修复的操作要求较高。
由于紫外光具有一定的辐射性,操作人员需要采取相应的防护措施,以确保安全。
UV光固化机说明书1. 简介UV光固化机是一种利用紫外线(UV)辐射来快速固化涂层、油墨和粘合剂的设备。
它采用了先进的紫外线技术,能够在短时间内将涂层或粘合剂从液态迅速转变为坚硬的固体。
UV光固化机广泛应用于印刷、涂装、电子、塑料等行业,具有高效、环保、节能等优点。
2. 工作原理UV光固化机主要由以下几个部分组成: - 光源:产生高强度的紫外线辐射。
-输送系统:将待处理物品传送到紫外线辐射区域。
- 控制系统:控制光源和输送系统的运行。
工作流程如下: 1. 待处理物品通过输送系统进入紫外线辐射区域。
2. 光源发出高强度的紫外线辐射,照射到待处理物品上。
3. 紫外线辐射与涂层或粘合剂中的特定化学物质发生反应,使其迅速固化。
4. 固化后的物品继续通过输送系统,进入下一个工序或取出使用。
3. 使用方法以下是使用UV光固化机的步骤: 1. 将待处理物品放置在输送系统上,确保物品表面平整。
2. 打开控制系统,启动光源和输送系统。
3. 根据待处理物品的特性和固化要求,调整紫外线辐射的强度和时间。
4. 待处理物品进入紫外线辐射区域后,观察固化效果。
5. 根据需要调整参数,优化固化效果。
6. 待处理物品完成固化后,关闭光源和输送系统。
7. 将固化好的物品取出并进行下一步工序或使用。
4. 注意事项在使用UV光固化机时,请注意以下事项: - 紫外线具有一定的辐射性,请避免直接暴露于紫外线下,并佩戴适当的防护设备。
- 在操作过程中,请确保所有安全装置正常运行。
- 遵循操作手册中的指导,正确设置和调整设备参数。
- 定期对设备进行维护保养,确保其正常运行和延长寿命。
5. 维护与故障排除UV光固化机的维护与故障排除包括以下几个方面: - 定期清洁设备,确保紫外线辐射区域无灰尘和污染物。
- 检查光源的工作状态,如发现异常需要及时更换。
- 定期检查输送系统的传动装置和导轨,确保其正常运行。
- 如遇到设备故障,请联系售后服务人员进行维修。
光固化机在木材加工中的应用和创新技术随着科技的不断发展,光固化技术逐渐在木材加工行业中得到广泛应用。
光固化机作为一种高效、环保的加工工具,其在木材加工中的应用和创新技术也逐渐得到了重视和探索。
本文将从光固化机的原理、应用领域和创新技术等方面进行探讨。
光固化机是一种利用光线引发化学反应,将涂层固化成薄膜的设备。
其主要原理是通过光敏剂吸收紫外光,引发光引发剂发生光化学反应,从而使涂层固化成薄膜。
在木材加工中,光固化技术具有高效、环保的特点,因此得到了广泛的应用。
首先,在木材表面涂覆薄膜方面,光固化机展现出了非常大的优势。
传统的木材表面涂覆需要使用有机溶剂进行溶解,这会导致挥发性有机物的排放,对环境造成一定的污染。
而光固化机通过光引发固化剂的反应,无需使用有机溶剂,可以大大减少环境污染。
此外,光固化薄膜强度高、附着力好,可以有效地保护木材表面,延长其使用寿命。
其次,在木材拼接方面,光固化技术也展现出了独特的应用价值。
传统的木材拼接需要使用胶水进行粘接,这种胶水往往含有有机溶剂和甲醛等有害物质,对人体健康和环境都造成一定的危害。
而光固化技术可以使用光敏胶水,在紫外光照射下,胶水很快固化形成坚固的连接,无需使用有机溶剂,同时也能够消除有害物质的释放。
此外,光固化技术还可以利用UV光源,对木材进行表面处理。
通过调节UV光源的功率和时间,可以实现木材表面的杀菌、防腐等效果。
这对于木材制品的保护和提高木材的使用寿命具有重要意义。
随着科技的不断进步,光固化技术在木材加工中也不断创新和发展。
一方面,光固化机的体积逐渐减小,操作更加简便。
这使得光固化技术能够应用于更多的场景,满足不同需求。
另一方面,光固化剂的研发也在不断进行。
目前,一些研究者正在尝试开发新型的光固化剂,使其更加环保、高效、经济。
这将为木材加工行业创造更多的机会,推动木材加工技术的发展。
除了创新技术,光固化技术的推广和普及也需要重视。
行业协会和政府部门可以组织开展光固化技术的培训和推广活动,提高专业人员的技术水平和对该技术的认可度。
紫外光固化环氧树脂紫外光固化环氧树脂是一种应用广泛的高分子材料,具有固化速度快、成膜性能优异等特点,在各个领域都有重要的应用价值。
下面将从紫外光固化环氧树脂的原理、应用领域以及优势等方面进行阐述。
一、紫外光固化环氧树脂的原理紫外光固化环氧树脂是通过紫外线照射使其发生光引发剂的活化,从而引发环氧树脂的聚合反应,最终形成固化膜的过程。
紫外线照射在特定波长范围内,能够激发光引发剂,使其转变为活性自由基或离子,进而引发环氧树脂的交联反应,形成硬化膜。
1. 3D打印:紫外光固化环氧树脂在3D打印中得到广泛应用。
其固化速度快,可实现快速成型,且成品具有优异的力学性能和表面质量。
因此,在快速成型、原型制作等领域有着重要的应用。
2. 电子封装:紫外光固化环氧树脂具有优异的电气绝缘性能和耐热性,可用于电子元器件的封装和保护。
其固化速度快,可大幅提高生产效率,同时具有较低的挥发性,有利于环境保护。
3. 涂装领域:紫外光固化环氧树脂作为一种环保型涂料,被广泛应用于木器、金属、塑料等材料的表面涂装。
其固化速度快,可实现快速上色和干燥,具有较高的附着力和耐磨性。
4. 光纤领域:紫外光固化环氧树脂被用于光纤连接器的固化。
由于其固化速度快且光学透明度高,能够快速实现光纤连接器的固化和封装,提高光纤连接的稳定性和可靠性。
三、紫外光固化环氧树脂的优势1. 快速固化:紫外光固化环氧树脂在紫外线照射下,固化速度极快,通常只需要几秒钟即可完成固化过程,大大提高了生产效率。
2. 低能耗:紫外光固化环氧树脂固化过程不需要加热,只需紫外线照射即可,相比传统热固化工艺,能耗更低。
3. 环保无溶剂:紫外光固化环氧树脂不含溶剂,固化过程中无挥发性有机物的释放,符合环保要求。
4. 优异的性能:紫外光固化环氧树脂固化后形成的膜具有优异的物理、化学性能,如硬度高、耐磨性好、电气绝缘性能优良等。
紫外光固化环氧树脂是一种具有快速固化、低能耗、环保无溶剂以及优异性能的高分子材料。
光固化机在光学显微镜和显像设备中的应用光固化技术是一种目前在多个领域中被广泛应用的新兴技术。
随着材料科学、光学仪器和显像设备的不断发展,光固化机作为其中的重要一环,正逐渐在光学显微镜和显像设备中发挥着越来越重要的作用。
本文将从光固化机的原理、光学显微镜和显像设备的基本概念以及光固化机在两者中的具体应用方面进行阐述,以期对读者有所启发。
首先,我们来了解一下光固化机的原理。
光固化是通过特定波长的紫外线照射特定材料后,使其固化变硬的过程。
光固化机是一种能够产生特定波长的紫外线的设备,它通常由光源、光学系统和光反应器等组成。
光源用于产生紫外线,光学系统用于控制和聚焦紫外线的波长和强度,而光反应器则是材料被紫外线照射后进行固化的场所。
在光学显微镜和显像设备中,光固化机具有重要的应用价值。
首先,光固化机可以用于制作光学元件,如光纤、光栅和光学镜片等。
通过将光敏树脂涂覆在透明基底上,利用光固化机将紫外光照射在涂层上,可以实现对光敏树脂的精确控制固化,从而制作出精密的光学元件。
这些光学元件在光学显微镜和显像设备中起到了传导、聚焦和调节光线的作用,提高了设备的成像质量和分辨率。
其次,光固化机还可以用于制作微纳米结构。
在现代光学显微镜和显像设备中,微纳米结构的制备对于提高成像的清晰度和分辨率至关重要。
通过将光敏材料涂覆在基底上,并利用光固化机的紫外光照射固化,可以产生出具有微米或纳米尺寸的结构。
这些微纳米结构可以用于制作微透镜阵列、光栅和微流体芯片等,为光学显微镜和显像设备的成像提供了更好的条件和性能。
另外,光固化机还可以用于制备光敏材料。
在光学显微镜和显像设备中,光敏材料是一种重要的功能材料,具有光学响应、光强应力和光学波导等特性。
通过利用光固化机对光敏树脂进行固化,可以制备出各种光敏材料,如全息光学材料、光学陶瓷材料和光纤传感材料等。
这些光敏材料的制备不仅为光学显微镜和显像设备提供了更多的功能和性能,也为其他相关领域的发展提供了有力的支持。
光固化的原理光固化是一种利用紫外光线或可见光照射物质,使其发生化学反应从而固化的方法。
光固化的原理主要包括光引发剂的激发和光聚合反应。
光引发剂是光固化过程中的关键物质,一般是一种化学物质,能够吸收光能并转化为化学能,从而引发物质的化学反应。
光引发剂的吸光峰位于紫外光或可见光的波长范围内,因此只有在特定波长光照射下才能起到引发作用。
当光引发剂吸收光能后,其电子发生跃迁,进入激发态。
激发态的光引发剂能够与周围的化学物质发生反应,引发出固化的化学反应。
光聚合反应是光固化的关键步骤,也是光引发剂激发后与化学物质发生的化学反应。
光聚合反应主要包括光引发剂与喀巴亚涅双烯的加成反应和聚合反应。
当光引发剂的激发态与喀巴亚涅双烯接触时,光引发剂的电子将从激发态转移到喀巴亚涅双烯的单独双键上,形成游离基。
这个游离基能够引发各种化学反应,如引发单体分子之间的聚合反应。
聚合反应是指单体分子中的双键断裂,通过与其他单体分子进行反应,形成高分子聚合物。
光固化的原理可以通过以下步骤来概括:1.选择合适的光引发剂:根据需要固化的物质类型和波长,选择合适的光引发剂。
光引发剂的波长吸收范围需要与光源的波长匹配,以便能够激发光引发剂的激发态。
2.光引发剂的激发:将光引发剂与需要固化的物质混合,并将混合物暴露于紫外光或可见光源下。
光引发剂吸收光能后,其电子进入激发态。
3.光聚合反应:光引发剂的激发态与物质发生化学反应,引发聚合反应。
光引发剂的电子将从激发态转移到物质的双键上,形成游离基。
这个游离基能够引发其他单体分子之间的聚合反应。
4.固化和硬化:聚合反应导致单体分子之间的连结,形成高分子聚合物。
在这个过程中,物质会逐渐固化和硬化成为固体。
此时,物质的性质将发生明显的改变,具有良好的机械性能和化学稳定性。
光固化是一种快速、高效的固化方法,可广泛应用于涂料、胶粘剂、油墨等领域。
它具有固化速度快、固化度高、环保无污染等优点。
此外,光固化还可以通过选择不同的光引发剂和聚合物体系来调控固化速度和固化度,从而满足不同的应用需求。
第一章 光固化原理及应用简介
第一节、光化学基础 光的透过和吸收光是具有特定频率 (波长)的电磁辐射。电磁辐射涵盖从宇宙射线到无线电波的范围 (图1-1),通常所说的光指的是紫外光(UV)、可见光和红外光,波长范围分别在40~400nm、400~800nm和800nm以上。
图1-1 各种电磁辐射的范围 紫外光是波长为40~400nm的光,又可分为真空紫外(<200nm)、中紫外 (200~300nm)和近紫外 (300~400nm)。在一般光化学研究和光固化应用中有实际意义的是中紫外和近紫外区的紫外光,通常1又划分为 UVA (315~400nm)、UVB(280~315nm)和 UVC(200~280nm)三个波段。一般的光固化体系中应用较多的是UVA和UVB,集成电路制作的光刻技术中则用到UVC段甚至更短波长的光。光固化涂料应用中常常要考虑深层固化的问题,这是由于光穿过吸光物质时其强度会发生衰减。光衰减的程度可以用比尔朗伯(Beer Lambert)定律描述:
式中,I0为入射光的光强;I为透射光的光强;ε称为摩尔消光系数,与被透过物中吸光物质的性质和入射光的波长有关;c为该吸光物质的浓度;l为光程长。留意上式中吸光物质浓度越大,则光衰减越严重,因此在实际应用中,过高的光引发剂浓度不利于深层固化。光的吸收其本质是光的能量转移到吸光物质,使吸光物质分子由低能量状态转化到高能量状态,例如从基态到激发态。吸收的能量与光的波长有如下关系: ΔE=hν=hc/λ 式中,ΔE 为 分 子 激 发 态 和 基 态 的 能 级 差,单 位 J;h 为Planck常数,其值为6.62×10-34J·s;ν为光的频率,单位s;c为光速,其值为3×108m/s=3×1017nm/s;λ为光的波长,单位nm。可见,波长越短则
能量越高。紫外光波长比可见光短,因此,其能量较高,会对生物细胞产生破坏作用,所以应尽量避免紫外光对皮肤的辐照。远紫外线能量高,可用来杀菌消毒,通常用的杀菌灯就是主波长为200~300nm的紫外灯。 二、光化学的几个概念 生色团 虽然光的吸收是一个分子整体的性质,但在有机分子中常常可将某一原子或原子集团看作是光吸收的一个单元,称之为生色团 (或发色团)。典型的有机生色团有C=C,C=O和芳香基团等。表1-1列出了一些重要的有机生色团的最大吸收波长、消光系数和激发类型。我们可以利用物质的吸光性估计或判断分子含有怎样的生色团。反过来,也常常通过在分子中引入特定的生色团,从而改变物质的吸光特性。 表1-1 一些重要的生色团的最大吸收波长 (λmax)、 消光系数 (εmax)和激发类型 在光引发剂的分子设计中,常常通过改变生色团的结构而实现其作用波长的改变。 量子产率 一个光化学反应的量子产率Φ (或量子效率)可以定义为每吸收一个量子所产生的反应物的分子数,这通常是对于特定的波长而言,即 Φ=(生成产物的分子数)/(吸收的量子数) 同样,也可以将量子产率定义为每吸收一个量子发生反应的分子数。 量子产率的测定对于了解光化学反应的过程和机理非常重要,例如,Φ>1表示存在着链式反应。另外,对于光引发剂的引发效率,量子产率是一个重要的衡量指标。 激发态和电子跃迁 分子可因受热而获得进行化学反应所必需的活化能,而光化学反应的活化能是由分子吸收光能而获得的,两种反应所依据的基本化学理论没有根本的区别,但两者在发生反应时分子的电子排布是完全不同的。热化学反应时分子处于基态,而光化学反应时分子处于激发态。 分子吸收光能后处于较低能级轨道的电子可以向较高能级的轨道跃迁,从而生成激发态分子。这种跃迁必须服从一定的规则。服从这些规则的跃迁是 “允许跃迁”,否则是 “禁阻跃迁”。图1-2中用箭头示出了4种可能的跃迁。
必须指出的是,所谓 “禁阻跃迁”实际上并不是完全不能发生,只是其发生的概率很小,表现为其消光系数ε值很小,例如n→π跃迁是一种 “禁阻跃迁”,其ε约为10~100L·mol-1·cm-1。 激发态分子具有较高的能量,它们相对于基态而言是不稳定的,可以通过各种途径失去能量而回到基态,这称为失活。如果在失活过程中分子未发生变化,即回到基态的分子是原来的分子,则此过程称为光物理过程;如果分子在激发态发生了化学反应,此时回到基态的分子已不是原来的分子,则此过程为光化学 (反应)过程。 激发单线态和激发三线态 电子具有自旋,两个电子的自旋方向可以相同 (即自旋平行),也可以相反 (即自旋反平行),分别对应于三线态和单线态。通常以T表示三线态,以S表示单线态。几乎所有的分子在其基态时电子都是配对 (自旋反平行)的,即处于单线态,一般以S0表示。然而激发态分子是由原来配对的2个电子之一跃迁到较高的能级形成的,这2个电子的自旋可能是平行的,也可能是反平行的,相应地称为激发三线态 (T1)和激发单线态 (S1)。图1-3表示电子跃迁时自旋的情况。
三线态的能级常低于单线态的能级,但在分子吸收光能而产生的电子激发态多为单线态,这是因为分子激发时若其多重度保持不变则此跃迁的概率最大。
第二节 光固化反应 通常所讲的光固化过程是指液态树脂经光照后变成固态的过程,所涉及的光固化反应大多数是光引发的链式聚合反应。更广义的光固化还包括可溶性固态树脂光照后变成不溶性的固态的过程,典型的例子是负性光刻胶,其所经历的反应是光交联反应,例如聚乙烯醇肉桂酸酯的二聚环化反应。 光固化涂料通常是从液体树脂变成固态干膜,因而其所经历的光化学过程基本上是链式聚合反应,通过聚合使体系的分子量增加,并形成交联网络,从而变成固态干膜。光引发聚合反应主要包括光引发自由基聚合、光引发阳离子聚合,其中光引发自由基聚合占大多数。本节介绍光固化涂料所涉及的上述两个主要的光引发聚合反应。 光引发自由基聚合 自由基聚合反应通常包括引发、链增长、链转移和链终止过程。光引发自由基聚合与传统的热引发自由基聚合的差别在于引发的机理不同,后者是利用热引发剂受热分解得到具有引发活性的自由基,而前者则是利用光引发剂的光解反应得到活性自由基。具体的聚合过程如下。 光引发剂 (PI)在光照下接受光能从基态变为激发态 (PI*),进而分解成自由基。自由基与单体 (M)的碳碳双键结合,并在此基础上进行链式增长,使碳碳双键发生聚合。其中伴随着增长链上的自由基的转移和终止。例如常用的光引发剂1-羟基-环己基苯酮 (HCPK,商品名Ir-gacure184),其光解反应如式 (1-3)所示
自由基光固化体系是光固化涂料中应用最广泛的体系,优点是固化速度快,原料价格相对低廉。但该体系存在收缩大、氧阻聚等问题,尤其是后者,常常是配方设计中必须克服的问题。空气中的氧分子的阻聚作用体现在两方面。其一,处于基态的三线态氧可以作为猝灭剂,将激发三线态的光引发剂猝灭,氧分子被激发至活泼的单线态,光引发剂从激发态回到基态,阻碍活性自由基的产生。幸而大多数裂解型 (第Ⅰ型)光引发剂的激发三线态寿命较短,在激发态引发剂与分子氧作用前,引发剂就已经分解掉,氧分子与光引发剂发生双分子猝灭作用的概率相对较低,经常可以忽略。其二,基态的氧分子处于三线态,本质上是双自由基,因此对光引发过程中产生的活性自由基有较强的加成活性 (k>109mol-1·s-11)[1..2],形成对乙烯基单体无加成活性的过氧自由基,此过程速率较快,可与活性自由基对单体的加成反应相竞争,对聚合过程的阻碍作用最显著。有关氧分子阻聚的反应如式 (1-4)所示。
为克 服 氧 阻 聚,在实际生产中可采用以下物理及化学方法[3~7]。 (1)物理方法 浮蜡法。在体系中适当加入石蜡,当涂膜展开时,因石蜡与有机树脂体系的不相容性,石蜡成一层很薄的薄膜覆盖在涂层表面,起到阻隔外界氧分子向涂层扩散的作用。 覆膜法。当体系涂展完成后,在其上紧贴覆盖上一层表面惰性的塑料薄膜起隔氧作用,如聚乙烯薄膜,经UV光辐照固化后,揭去薄膜。当然,这样得到的固化涂层光泽度和光泽均匀性将受影响,更主要的是,生产效率大大降低。 强光辐照法。采用强光辐照,光引发剂将同时大量分解,瞬间产生大量活性自由基,活性自由基可对单体加成,也可与氧分子反应,从两反应所占比例来讲,是否用强光辐照,似乎前一反应都不占优势,但引发聚合的绝对速率增加了,而且一旦聚合发,涂层黏度将迅速增加,外界氧分子向高黏度体系的扩散将大大受阻,这就有利于自由基聚合的快速进行。在实际光固化工艺中使用的辐照光源动辄上千瓦,而且常常几只光管并排安装使用,相邻两只光管在重叠辐照区域上的光强具有可加和性。改善光源质量、增加辐照光强度已成为克服氧阻聚的常规手段之一。 两次辐照法。先用短波长 (例如254nm)光源辐照涂层,因短波长光在有机涂层中穿透力差,故光能都在涂层的浅表层被吸收殆尽,相对而言,单位体积内吸收的光能较高,有利于抗氧聚合。这时,聚合固化只发生在涂层浅表层,浅表层固化膜一旦形成,就是底层涂层良好的阻氧膜,接着再用常规中压汞灯辐照,其中较长波长的光线可以穿透整个涂层, 例如313nm、366nm等,引发完成聚合固化。这种辐照方法还可获得一些特别表面效果。 (2)化学方法 ① 添加氧清除剂,如叔胺、硫醇、膦类化合物等。这些化合物作为活泼的氢供体可与过氧自由基迅速反应,将活性自由基再生,同时过氧自由基夺氢生成烷基过氧化氢,并可进一步分解为烷氧自由基与羟基自由基。以叔胺为例,反应如式(1-5)所示。 所使用的活性胺都为至少含αH 的三级胺。夺氢反应再生出来的活泼胺烷基自由基引发聚合,烷基过氧化氢分解释放的烷氧基自由基对乙烯基单体也有一定引发活性,但它的进一步夺氢反应似乎更占主导地位。添加叔胺已成为自由基光固化配方中克服氧阻聚的重要手段。但含有胺的体系其固化产物容易产生黄变,而且体系的储存稳定性较差,这是使用胺类作为抗氧阻聚方法的一大缺点。 ②采用Ⅰ型光引发剂和Ⅱ型光引发剂 (关于Ⅰ型光引发剂和Ⅱ型光引发剂的概念参看第二章第一节)配合的光引发剂体系,例如Ciba公司的光引发剂Irgacure500即是含有等摩尔的Irgacure184和二苯甲酮的混合光引发剂,它在空气中有较好的使用效果。S.P.Pappas[8]认为,这可能是由于二苯甲酮的激发三线态能有效地促进氢过氧化物 (ROOH)的分解,产生的烷氧自由基 (R.O.)和羟基自由基 (.OH)都具有引发作用,而Ⅰ型光引发剂光解产生的自由基与氧的反应消耗了氧,使氧对二苯甲酮激发三线态的猝灭作用受到抑制,可见两者有协同作用。 二、光引发阳离子聚合 光引发阳离子聚合一般是利用阳离子光引发剂在光照下产生的质子酸催化环氧基的开环聚合或富电子碳碳双键 (如乙烯基醚)的阳离子聚合。这类阳离子光引发剂主要有硫盐、碘盐。以碘盐阳离子光引发剂为例,其光解过程可简单地用式(1-6)表示: