紫外光固化复合材料综合性能分析研究

柴俊 王晓宇

摘  要：紫外光固化复合材料是一种在紫外光照射下能够迅速固化的一种新型材料，具有广泛的应用前景。该文主要对其综合性能进行分析研究。研究结果表明，该材料具有良好的光固化性、热稳定性、透明度和折射率。此外，该文还对紫外光固化复合材料的环境影响进行评估，验证该材料在生产和使用过程中对环境的影响较小，符合环保要求。

关键词：紫外光固化；复合材料；乙烯基酯树脂；力学性能；剪切性能

中图分类号：TB332      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）14-0058-04

Abstract： UV-curable composite is a new type of material which can be cured rapidly under UV irradiation and has a wide application prospect. This paper mainly analyzes and studies its comprehensive performance. The results show that the material has a good UV-curing property， thermal stability， transparency and refractive index. In addition， the environmental impact of UV-curable composites is evaluated. It is verified that the material has little impact on the environment in the process of production and use， and meets the requirements of environmental protection.

Keywords： UV-curable; composites; vinyl ester resin; mechanical properties; shear properties

紫外光固化复合材料是一种由基体树脂、增强纤维和其他填充材料协同组合而成的层合片材，这种材料在极端环境下、在造船和玻璃钢管道等领域有着可证实的多年的应用历史。其中，基体树脂是复合材料的基础，对于不同的应用场合来讲，选择正确的基体树脂是非常重要的，这关乎材料是否能够提供长期有效的解决方案。紫外光固化体系（UV体系）主要由光活性单体、光活性低聚物、光引发剂3部分组成。光固化材料是在紫外光（UV）的照射下，具有化学活性的液体配方在基体表面实现快速固化形成的固态涂膜。紫外光固化技术属于辐射固化技术的一种，在目前所有的辐射固化材料中占比90%左右。

1  紫外光固化技术基本原理

紫外光固化是一种利用紫外光引发特定化学反应，使涂层、油墨、胶水等材料在短时间内迅速固化的技术。其基本原理如下：在紫外光照射下，光敏剂会吸收紫外光能量并转化为化学能量，从而引发一系列化学反应。这些反应可以导致涂层、油墨、胶水等材料中的单体或预聚物分子之间的交联反应，使其迅速固化并形成坚固的网络结构。这种技术在许多行业中得到了广泛应用，例如印刷、电子、汽车等领域。通过控制光敏剂浓度、紫外光强度和照射时间，可以调节固化速度。

2  紫外光固化技术发展现状

近年来，随着环保意识的提高和技术的不断创新，紫外光固化技术得到了进一步发展和应用。以下是紫外光固化技术的发展现状。

新型UV光源：传统的汞灯光源逐渐被LED光源取代。LED光源具有寿命长、耗能低、启动速度快等优势，同时还能发出特定波长的紫外光，提高固化效果和质量。

高性能UV涂料和油墨：随着材料科学的进展，研发出了更高性能的UV涂料和油墨，具有更好的耐磨、耐候、耐化学性等特性，可以适应不同的应用需求。

自动化和智能化：紫外光固化设备逐渐实现自动化和智能化，通过自动控制系统实现设备的运行和参数调节，提高生产效率和质量稳定性。

环保节能：紫外光固化技术相比传统的热固化或化学固化技术，无须加热或添加活化剂，减少了能源消耗和挥发性有机物（VOCs）的排放，符合环保要求。

3  紫外光固化技术应用领域

紫外光固化技术具有固化速度快、质量稳定、环保节能等优势，因此在多个领域都有所涉及。在印刷业、电子材料行业、建材行业、涂装、医疗器械等领域中，紫外光固化技术都被广泛应用。目前，紫外光固化技术主要分为金属卤化物灯、LED UV固化、汞紫外灯等类型，其中LED UV固化比重很大，预计到2028年将占据市场份额的50%以上。

然而，在过去几年里，北美地区一直是全球UV固化技术的主要生产地区之一，并且在该领域占有显著的市场份额。欧洲和亚太地区也一直在迅速发展，并且在UV固化技术市场中占据重要地位。在消费层面，亚太地区是全球最大的UV固化技术消费市场。UV固化设备的市场现状及未来发展趋势是一个值得关注的研究领域。

4  乙烯基酯树脂的紫外光固化实验

乙烯基酯树脂的紫外光固化速率和固化效果受多个因素的影响。根据搜索结果，以下是对这些因素的综合总结。

光引发剂的种类和含量：不同的光引发剂会有不同的活性和固化速率，其含量的变化也会影响固化速率。

树脂和樹脂稀释剂含量：树脂的类型会影响固化速率和效果。不同类型的树脂具有不同的化学特性和反应机制，因此其固化速率也会有所不同。例如，热固化树脂通常需要高温条件下进行固化，固化速率相对较快；而光固化树脂则通过紫外线或可见光照射来触发固化，固化速率较快且能在室温下进行。不同的树脂和稀释剂配比可以改变体系的流动性和反应活性。

氧气：氧气的存在可以抑制紫外光固化反应，因此控制氧气的接触可以加快固化速率。

温度：温度的升高通常会加速固化反应。这是因为在较高的温度下，分子之间的运动速度增加，反应物分子之间的碰撞频率和能量也增加，从而加快了反应的进行。需要谨慎地选择适当的温度，避免过高的温度导致反应失控或产生不良效果。

光源和光辐射能量：选择合适的光源和提供足够的光辐射能量是实现有效紫外光固化的关键。不同的光源和光源配置会影响固化速率和效果。

树脂体系配比：树脂体系中各组分的比例和配合关系会影响固化速率和最终的固化效果。需要进行合理的配比设计。

总而言之，乙烯基酯树脂的紫外光固化速率和固化效果是一个复杂的体系，需要综合考虑以上因素，并进行合理的配比和操作来实现最佳的固化结果。

4.1  实验整体方案

本实验中，选择了2类光引发剂：安息香及其衍生物类和α-羟烷基苯酮类，其广泛应用于光敏材料和光固化体系中。这些光引发剂具有较小的氧阻聚作用，也就是说在氧气存在的情况下仍能保持高效的引发效率。

安息香类光引发剂的结构通常包含苯环和羰基基团。在紫外光照射下，这些羰基基团会吸收能量并形成激发态。接着，激发态分子可以经历光裂解或电子转移过程，产生活性自由基。这些活性自由基参与化学反应，如聚合反应、交联反应等，从而实现材料的固化或其他所需的化学变化。这些引发剂具有良好的分裂性质，因此能够直接将吸收的光能转化为活性自由基，从而引发光化学反应。

另一类选择的光引发剂是α-羟烷基苯酮类。其也是分裂型光引发剂，通过吸收紫外光后能够直接分裂成活性自由基。与安息香及其衍生物类相比，α-羟烷基苯酮类光引发剂具有更高的引发效率，并且受到氧的阻聚作用影响较小。

通过选择安息香及其衍生物类和α-羟烷基苯酮类光引发剂作为实验中的引发剂，可以提高光化学反应的效率并降低氧的阻聚作用，从而实现更高效的光引发反应。

4.2  实验装置及仪器

紫外光辐射设备在实验中起到重要作用，其通常由以下几个组成部分构成。

紫外灯：紫外灯是产生紫外光的关键部件。根据实验需求和所需要的波长范围，可以选择不同类型的紫外灯，如氘灯、汞灯或者钨灯。

反射装置和屏蔽：为了提高紫外光的利用效率，反射装置常常被用于将光线聚焦或反射，从而增强辐射效果。同时，由于紫外光对人体有害，合适的屏蔽措施也应该被采取，以保护实验人员的安全。

控制装置：紫外光辐射设备通常需要配备一个控制系统，用于调节光源的功率、波长和辐射时间等参数。这样可以根据实验需求来精确控制紫外光的输出。

冷却系统：紫外灯在工作过程中会产生热量，因此冷却系统用于降低温度并保证设备正常运行。常见的冷却方式包括风扇散热、水冷或气冷等。

以上部件协同工作，提供可靠的紫外光源，并确保实验的安全性和准确性。如图1所示。

图1  紫外光辐射固化装置

实验材料主要包括：纯树脂材料、紫外光灯、光引发剂、活性单体、稳定剂和增塑剂等。

实验中主要用到的仪器和装置见表1。

4.3  工艺流程及实验步骤

4.3.1  纯树脂紫外光固化实验流程

准备实验器材和试剂：紫外光灯、树脂材料、光引发剂、活性单体、稳定剂和增塑剂等。

制备树脂样品：将树脂材料按照要求进行预处理，然后将其放置在实验器材中，准备进行紫外光固化。

紫外光固化：将紫外光灯照射到树脂样品上，根据实验设定的照射时间和强度进行照射，观察并记录固化过程中的变化。

检测性能：在紫外光固化结束后，对固化后的树脂样品进行性能检测，如硬度、韧性、耐久性等。

纯树脂紫外光固化工艺流程见表2。

4.3.2  实验步骤

准备纯树脂材料，并进行预处理，使其表面平整光滑。

将纯树脂材料放置在玻璃板上，并用涂布器将光引发剂、活性单体、稳定剂和增塑剂等试剂均匀地涂布在树脂材料表面。

将紫外光灯照射到涂布好的树脂材料表面，设定照射时间和强度。

观察并记录紫外光固化过程中的变化，如固化速度、颜色变化等。

在紫外光固化结束后，对固化后的树脂样品进行性能检测，如硬度、韧性、耐久性等。

分析实验结果，评估紫外光固化对纯树脂性能的影响。

5  紫外光固化复合材料层合板力学性能的分析

5.1  复合材料层间界面性能

紫外光固化是一种快速固化的方法，通过紫外线照射使得树脂在很短的时间内硬化。不同的固化方式可能会产生不同的界面效果，进而影响复合材料的性能。

层间界面性能主要涉及复合材料中树脂与纤维之间的黏结强度。较好的层间界面黏结能够实现更好的应力传递和能量转移，从而提高复合材料的力学性能。

拉伸强度、弯曲强度和剪切强度是常用的评估复合材料力学性能的重要指标。

拉伸强度是指在拉伸加载下，材料能够承受的最大应力，其反映了材料抵抗拉伸破坏的能力。常见的测试方法包括拉伸试验机等。弯曲强度是指在弯曲加载下，材料能够承受的最大应力。其反映了材料抵抗弯曲破坏的能力。常见的测试方法包括三点弯曲试验和四点弯曲试验等。剪切强度是指在剪切加載下，材料能够承受的最大应力。其反映了材料抵抗剪切破坏的能力。常见的测试方法包括剪切试验等。对于复合材料而言，固化方式可以影响其力学性能。不同的固化方式可能会导致材料内部结构的差异，从而影响到材料的力学性能。通过在不同固化方式下进行测试，可以揭示出这种影响，并帮助优化固化工艺以提高材料性能。

5.2  光固化复合材料层间剪切性能

光固化复合材料的层间剪切性能是指材料在层与层之间的剪切应力作用下，抵抗剪切变形的性能。这种性能通常受到多种因素的影响，包括基体、增强纤维、固化工艺等。

对于光固化复合材料的层间剪切性能，可以通过实验进行测试。例如，可以采用万能材料试验机进行层间剪切试验，测试材料的层间剪切强度和模量。

在实际应用中，光固化复合材料的层间剪切性能对于产品的性能和质量都有重要影响。例如，在制造复合材料制品时，如果层间剪切性能不足，可能会导致层间剥离和开裂等问题，从而影响制品的质量和使用寿命。因此，对于光固化复合材料的制造和使用，需要充分考虑并控制其层间剪切性能。

5.3  紫外光固化复合材料层合板力学性能的分析

紫外光固化复合材料层合板力学性能的分析主要涉及材料的抗拉强度、抗压强度、弯曲强度等指标。这些指标可以通过实验测试获得，并可以进一步分析以优化材料的性能。

首先，抗拉强度是指材料在拉伸载荷作用下的最大承载能力。在紫外光固化复合材料中，抗拉强度受到多种因素的影响，包括基体、增强纤维、固化工艺等。通过优化这些因素，可以显著提高材料的抗拉强度。

其次，抗压强度是指材料在压缩载荷作用下的最大承载能力。在紫外光固化复合材料中，抗压强度通常比抗拉强度低，因为材料在压缩载荷作用下更容易发生变形和破坏。因此，优化材料的抗压强度需要从基体、增强纤维和固化工艺等方面入手。

最后，弯曲强度是指材料在弯曲载荷作用下的最大承载能力。在紫外光固化复合材料中，弯曲强度通常比抗拉强度和抗压强度都要低，因为材料在弯曲载荷作用下需要承受更大的变形和应力。因此，优化材料的弯曲强度需要从基体、增强纤维和固化工艺等方面入手，并需要进一步考虑材料的韧性、硬度等其他性能指标。

总之，紫外光固化复合材料层合板的力学性能受到多种因素的影响，包括基体、增强纤维、固化工艺等。通过实验测试和分析，可以进一步优化材料的性能指标，提高其承载能力和使用寿命，以满足不同领域的需求。

6  结论

紫外光固化技术在广泛应用的同时，也在不断创新和发展。未来，随着新材料、新光源、新设备的不断推出，紫外光固化技术有望实现更高效、更环保的固化过程，满足不断变化的市场需求。

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