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3D打印光敏树脂:改性纳米二氧化硅对光敏树脂力学性能的影响

更新时间: 2019-10-21 16:14:53  查看次数: 282    
改性纳米二氧化硅对光敏树脂的影响
光敏树脂的收缩是因为化学键的键距离发生变化,光敏树脂中加入无机填料,可有效降低收缩率。2005年美国专利局授予了一种用纳米和微米级填料改性光敏树脂的技术(专利号为0040562A1);德国PH.Espiard等将丙烯酸酯接枝到二氧化硅上制的了PEA/SiO2纳米级复合材料。国内学者在这方面也做过大量的研究工作,安徽理工大学李爱元等人将纳米二氧化硅加入到紫外光固化体系中,制得了纳米二氧化硅/环氧丙烯酸复合材料,其收缩率减少了67.6%,冲击强度提高了3倍;南京理工大学王宏新等人研究了纳米二氧化硅改性光固化涂料,其二氧化硅粒子分散性好,硬度显著提高;华中科技大学唐福兰用纳米SiO2改性光固化成型材料也取得了较好的效果。


改性纳米二氧化硅对光敏树脂硬度及凝胶含量的影响

在光敏树脂中,树脂固化时可能会发生翘曲,翘曲产生的原因不仅与收缩率有关,还与树脂其他性能有关。测定了二氧化硅的加入量对树脂硬度的影响,同时测定二氧化硅对凝胶含量的影响,结果如下:


二氧化硅的加入使树脂的凝胶含量略微下降,这可能是因为纳米二氧化硅为非聚合反应物质,不参加固化反应,它的加入使可参加反应的官能团密度下降,从而引起凝胶含量的下降,还有可能是二氧化硅微粒引起紫外光的反射,使得用于固化光敏树脂的紫外光功率下降。由于二氧化硅的添加量较小因此对凝胶含量的影响较小。


随着二氧化硅的加入,树脂的硬度呈现先增加后下降的规律。二氧化硅为无机填料,硬度较高,因此二氧化硅的加入一方面会使树脂的硬度增加,另一方面填料的增加又会使凝胶含量下降,从而引起树脂的硬度下降,两者共同作用,使得树脂硬度呈现先上升后下降,当二氧化硅的含量为1%时树脂的硬度最大,最大为70。


改性纳米二氧化硅对收缩率的影响

用比重瓶法测定不同二氧化硅含量的光敏树脂树脂收缩率,其结果如下:


根据图表可以看出,纳米二氧化硅的加入可以有效降低体系的收缩率,且添加量越多,体系收缩率降低的越多。二氧化硅在固化反应中并未参加反应,因此与液态光敏树脂相比化学键并未变化,同时二氧化硅的加入可以填充因树脂固化收缩而产生的空隙,从而使收缩率下降。但是二氧化硅的加入并非越多也好,过量的二氧化硅会降低树脂的凝胶含量,同时容易引起团聚和其他性能的下降。


改性纳米二氧化硅对光敏树脂力学性能的影响

对不同含量的二氧化硅的固化件进行拉伸性能测试,研究二氧化硅对力学性能的影响,结果如下图:随着二氧化硅的增加,树脂的拉伸强度先增加后减小。当填料的含量为1%时,树脂的拉伸强度提高了18.8%,拉伸强度接近14MPa。主要原因为纳米有机改性二氧化硅具有一定的刚性,同时由于纳米材料尺寸小,比表面积大,材料表面含有大量的有机基团,通过化学和物理作用,可以与高分子链更多的结合,形成一种交联网状结构。当一根分子链受到应力时,填料可以传递到其他分子链上,同时一根分子链断裂时,填料可以阻碍裂纹的扩展从而起到增强的作用。当二氧化硅添加量过多时,一方面影响树脂的凝胶含量;另一方面过量的纳米填料会发生多次团聚,均匀分散的难度加大,材料的微观结构会发生非均匀性的转变,产生应力集中,材料失去纳米效应,力学强度下降。