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本人學過高分子化學對本問談談自己的認識。光敏樹脂,顧名思義對光敏感的樹脂,但這光不是一般的可見光,而是在一定波段內能量更高(波長更短)的紫外光(ultraviolet簡稱UV),因而也稱該樹脂為UV樹脂。
光敏樹脂主要由樹脂單體、預聚體、光引發劑以及促進劑、稀釋劑、交聯劑、著色劑等其他助劑等成分構成。其中,樹脂單體、預聚體與光引發劑構成該樹脂的固化體系即主要成分,單體為初始聚合的原料,主要為有機化學合成帶官能團、雙鍵等2-官能團體系、2-2官能團體系、2-3官能團體系等低分子有機物如烯烴類、醇類、醛類、胺類等,預聚體為這些有機物的二元或多元較低聚合度的縮聚物,主要用於調節體系的某些物理特性如柔性、熱效能等,並且大幅縮短聚合反應時間,光引發劑是觸發聚合反應的作用,其他助劑如稀釋劑調節粘稠度、交聯劑增加體系交聯度等輔助作用。
本問中光敏樹脂為何能在水下固化,是因為光敏樹脂遇特定波段的UV光即可發生化學反應將單個分子鏈透過反應活性點交聯形成網路化的結構。其機理為自由基聚合反應,可分為三個階段:
第一階段鏈引發:即光引發劑經UV照射發生化學鍵斷裂生成兩個自由基,形成初級自由基,該自由基活潑性強,能量高,易攻擊單體形成單體自由基,形成反應活性中心。
該過程需要較高的外界能量去引發,比如能量較高的紫外光,活化能較大,引發速率慢,因此稱慢引發。
第二階段鏈增長:單體自由基透過攻擊單體形成二聚物、三聚物…或與樹脂預聚體上的弱化學鍵發生結合或經分子鏈內電子轉移形成較長高分子鏈自由基,該分子鏈自由基活性位點又陸續攻擊其他單體或高分子鏈,分子鏈發生連鎖反應不斷增長。
該過程活化能較低,反應迅速,加之反應放熱量大促進反應速率加快,有一段明顯加速過程,分子量迅速增加,因此稱快增長。
第三階段鏈終止:
當分子鏈反應至一定程度,分子量越來越大,體系變粘稠,分子鏈活動受阻,增長趨
緩,此時聚合反應將發生兩種方式終止:
①偶合終止
②歧化終止
該終止反應非常迅速,因此稱速終止。
整個反應過程速率呈“S”型趨勢,即剛開始反應比較慢,中間鏈增長階段有個明顯加速過程,反應後期因分子鏈活動能力受阻而趨緩。
本問中的光敏樹脂在水下由紫外光解離引發劑化學鍵後發生上述反應形成三維立體網路而固化成型。光敏樹脂UV固化有快速固化之優點,在快速固化成型領域以及本人從事的半導體行業光刻膠中的應用比較多,感興趣可以深入瞭解。
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雖然我們確實聽說過環氧樹脂在光線下會固化,但通常所有物質都必須暴露在外。但是,現在只需少量的一種新新增劑也能使樹脂固化。此外,它還可以在水下使用。由維也納工業大學開發的專有化合物可以以液態或糊狀形式新增到現有的環氧樹脂中。
最初,它是透明的。但是,當樹脂的任何一部分被閃光照射時,會發生化學反應,從而產生熱量。熱量散佈在整個樹脂中,從而導致級聯效應,使所有材料在幾秒鐘內固化並硬化-甚至包括可能從光中隱藏,在內部裂紋或其他任何地方都看不到的碎片。此時樹脂會變成較深的顏色,使使用者知道該過程已完成。
目前,取決於其配方,該新增劑可由紫外線或高強度可見光觸發。重要的是,當樹脂與碳纖維混合時,它仍然有效,這意味著它可用於生產或修復複合材料。此外甚至可以塗覆含有新增劑的樹脂,然後在水下固化。最初,科學家們認為樹脂內部產生的熱量會散發到水中,從而阻止材料固化。然而,事實證明,化學反應導致樹脂周圍的水立即沸騰,從而在材料表面形成了一層水蒸氣保護層。
該大學現在正在尋找可能對該技術進行商業化的行業合作伙伴。研究認為這項技術最終可以在航空航天、造船、結構修復或管道維修等應用中找到用途。
由Robert Liska教授領導的有關研究的論文最近發表在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》雜誌上。