紫外光固化注射成型制品微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的研究

常 樂，蔡天澤，丁玉梅，楊衛(wèi)民，謝同維，謝鵬程

（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029）

0 前言

將UV 固化工藝與注射成型技術(shù)相結(jié)合形成了UV 固化注射成型技術(shù)，其具有成型效率高，成型工藝要求低的特點［1］。此前，針對UV 固化注射成型工藝研究者進(jìn)行了初步討論，并指出各成型工藝參數(shù)對制品微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的影響，同時將UV 固化注射成型制品與熱塑性材料注射成型制品的復(fù)制度（微結(jié)構(gòu)形狀與型腔形狀的接近程度）進(jìn)行了相應(yīng)的對比。

與熱塑性材料注射成型相比，UV 材料注射成型有其自身的特點，熱塑性材料注射成型往往使用單一種類材料或幾種材料的物理共混物［2－3］，其注射成型過程中僅僅是材料相態(tài)的改變［4］，而整個熱塑性材料的分子結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變［5］，而UV 材料注射成型是多種材料的共混物后再經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)形成了與最初材料截然不同的高分子材料制品［6－8］。而隨著共混物中各種材料的種類含量的變化，最終形成的制品內(nèi)的分子空間構(gòu)型會發(fā)生很大的改變［9－10］，導(dǎo)致了宏觀上制品的收縮率區(qū)別較大，這也就會引起微結(jié)構(gòu)的復(fù)制度的變化，最終影響到成型制品的品質(zhì)。

本文就UV 單體的種類及含量對成型制品的微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的影響進(jìn)行實驗，對成型的微結(jié)構(gòu)的高度及橫截面形態(tài)進(jìn)行比較，以說明UV 單體的種類及含量對制品微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

雙官能團聚氨酯丙烯酸酯，LE－6702，勵志門化工有限公司；

六官能團聚氨酯丙烯酸酯，LE－6706，勵志門化工有限公司；

單體1，單官能團UV 單體，乙氧基乙氧基乙基丙烯酸酯（EOEOEA），AsiSyn 2880，帝斯曼新力美公司；

單體2，雙官能團UV 單體，二丙二醇二丙烯酸酯（DPGDA），AsiSyn 2833，帝斯曼新力美公司；

單體3，三官能團UV 單體，三羥甲基丙烷三丙烯酸（TMPTA），AgiSyn 2811，帝斯曼新力美公司；

UV 固化劑，IRGACURE 184D，巴斯夫公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

紫外光源輻射設(shè)備，UPECII－4主機、UP－365點光源輻射頭，深圳市尤藍(lán)譜科技有限公司；

形狀輪廓測量顯微鏡，VR－3000，日本基恩士公司。

1.3 實驗方案

本文采取單一變量法進(jìn)行實驗，分別研究UV 單體的種類和UV 單體的含量對制品微結(jié)構(gòu)特征的影響，選取微結(jié)構(gòu)的高度和微結(jié)構(gòu)的截面形態(tài)作為雙重比較原則對成型制品的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。實驗應(yīng)用的成型裝置為自行建立的UV 固化成型裝備，如圖1 所示。實驗中使用的微型腔采用微銑削加工成型，其微結(jié)構(gòu)處側(cè)視放大圖如圖2所示。

圖1 UV 固化成型裝備Fig.1 UV curing equipment

圖2 模具型芯測試微結(jié)構(gòu)處放大圖Fig.2 Side figure of the enlarge mould core

本實驗進(jìn)行的是UV 單體材料對制品微結(jié)構(gòu)特征影響的研究，兩實驗使用的型腔模塊相同，實驗工藝參數(shù)如表1所示。實驗中使用的UV 材料自行配置。依照配料表2將相應(yīng)量的聚氨酯丙烯酸酯，單體以及UV固化劑混合，充分?jǐn)嚢?，待固化劑完全溶解后，抽真空處?4h。

表1 實驗工藝參數(shù)表Tab.1 Experimental process parameters

表2 實驗配料表Tab.2 Formular of UV material for the first experiment

1.4 測量方案

實驗根據(jù)微結(jié)構(gòu)制品的使用情況的不同，分兩種測量方案對制品的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行評測。第一，對微結(jié)構(gòu)的高度進(jìn)行測量，由于微流道混合器一類的制品對成型制品微結(jié)構(gòu)的高度要求較高，不同部位的微棱高度越接近，最終成型制品的成型品質(zhì)越高；第二，對制品的微結(jié)構(gòu)的截面形狀進(jìn)行測量，帶有微結(jié)構(gòu)透鏡一類的制品，不僅微結(jié)構(gòu)的高度復(fù)制度很重要，而且微結(jié)構(gòu)的截面形狀也影響著最終成型制品的品質(zhì)。

1.5 樣本選取與數(shù)據(jù)處理

在同一實驗條件下，成型20個微結(jié)構(gòu)制品，隨機選取3個制品作為測試對象。對掃描測量的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行處理，應(yīng)用image pro plus 6.0對3個制品的3條棱的高度進(jìn)行測量，每條棱進(jìn)行6 次測量，選取18 個測量結(jié)果后以平均值代表制品的高度值，比較不同材料比例下制品成型高度與型腔成型高度理論值的差別。隨機選取不同配料下制品微結(jié)構(gòu)的掃描圖進(jìn)行疊加處理，比較微結(jié)構(gòu)截面形狀的面積情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 單體內(nèi)活性基團數(shù)目對制品微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的影響

通過對不同樣品微結(jié)構(gòu)高度的測量求得1#樣品微結(jié)構(gòu)的高度均值為704μm，與模具型芯的差值為46μm，高度收縮率為6.1%；2#樣品微結(jié)構(gòu)的高度均值為696μm，與模具型芯的差值為54μm，高度收縮率為12.0%；3#樣品微結(jié)構(gòu)的高度均值為654μm，與模具型芯的差值為96μm，高度收縮率為15.6%?？梢钥闯?，隨著單體內(nèi)活性基團數(shù)目的增加，制品微結(jié)構(gòu)的高度在逐漸的降低。

隨著單體種類的變化，在固化成型后制品內(nèi)分子的空間構(gòu)型發(fā)生變化，這也就引起了最終成型制品微結(jié)構(gòu)的高度收縮差異。由此可見，隨著單體內(nèi)活性基團的增加，固化成型后的分子空間結(jié)構(gòu)更易使宏觀制品的收縮率增加，以至最終成型的微結(jié)構(gòu)的復(fù)制度下降。

圖3為應(yīng)用形狀輪廓測量顯微鏡對隨機選取的棱的截面掃描測試后整理的比較，可以明顯看出，隨著單體內(nèi)活性基團數(shù)目的增加，制品橫截面的面積在逐漸減小，同時發(fā)現(xiàn)這種面積的減小不是等比例的縮小，而是高度方向（y 方向）的縮小，寬度方向（x 方向）沒有改變。

圖3 不同種類UV 單體制品的微結(jié)構(gòu)截面形態(tài)比較Fig.3 Comparison diagram of micro parts molded from different kind of monomers

正是由于UV 材料的這種成型收縮方式，因此對于要滿足成型微結(jié)構(gòu)形態(tài)與模具型芯微結(jié)構(gòu)形態(tài)保持一致的成型要求時，要注意UV 注射固化成型的這種非等比例收縮特性。同時，選用低官能團單體進(jìn)行UV材料的配置對成型具有較高微結(jié)構(gòu)的復(fù)制度的制品是有幫助的，但是，采用只官能團較低的單體進(jìn)行UV 材料的配置成型制品的強度相對較低，所以，在配置UV固化注射材料時要相應(yīng)加入一些能夠提高強度的配量，同時滿足高強度與高復(fù)制度的要求。

2.2 單體含量對制品微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的影響

通過對不同樣品微結(jié)構(gòu)高度的測量，求得4#樣品微結(jié)構(gòu)的高度均值為699μm，與模具型芯的差值為51μm，高度收縮率為6.8%；5#樣品微結(jié)構(gòu)的高度均值為670μm，與模具型芯的差值為80μm，高度收縮率為9.0%；6#樣品微結(jié)構(gòu)的高度均值為670μm，與模具型芯的差值為80μm，高度收縮率為9.0%；7#樣品微結(jié)構(gòu)的高度均值為654μm，與模具型芯的差值為96μm，高度收縮率為12.7%。由這組數(shù)據(jù)可以看出，隨著UV 材料內(nèi)單體含量的增加微結(jié)構(gòu)的高度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，但這一趨勢無單體種類對制品微結(jié)構(gòu)高度影響顯著，尤其是5#與6#樣品微結(jié)構(gòu)的高度均值是相同的。

最初隨著樣品中UV 單體含量的增加會引起成型制品內(nèi)分子結(jié)構(gòu)的改變，但隨著單體含量的進(jìn)一步增加，難以改變制品內(nèi)大分子的空間結(jié)構(gòu)，這樣形成的后期微結(jié)構(gòu)的高度并不會有較大的收縮。同時，隨著UV單體含量的增加，高度收縮率的變化較前一實驗高度收縮率變化小。

圖4為應(yīng)用形狀輪廓測量顯微鏡對隨機選取的棱的截面掃描測試后整理的比較，圖中清晰地顯示出，隨著單體內(nèi)活性基團數(shù)目的增加，制品橫截面積的大小并沒有很大的改變，引起這種結(jié)果的原因一方面是由于單體含量的增加并沒有較大程度上的影響成型制品中分子的空間構(gòu)型，因此制品的收縮率的差別不夠明顯，微結(jié)構(gòu)的形態(tài)差別不大，另一方面原因是由于制品的選取采用隨機方式，存在這一定的誤差，選取的棱的截面形狀相當(dāng)。

圖4 不同含量UV 單體制品的微結(jié)構(gòu)截面形態(tài)比較Fig.4 Comparison diagram of micro parts molded from different content of monomers

3 結(jié)論

（1）在應(yīng)用UV 材料進(jìn)程注射成型帶有微結(jié)構(gòu)制品的實驗中，微結(jié)構(gòu)的復(fù)制度受到制品UV 材料單體種類及單體含量的影響；

（2）隨著UV 單體內(nèi)活性基團的增加微結(jié)構(gòu)的復(fù)制度降低，其主要表現(xiàn)為微結(jié)構(gòu)高度降低；

（3）隨著UV 材料內(nèi)單體含量的增加成型制品的微結(jié)構(gòu)復(fù)制度有所降低，但其降低程度沒有UV 單體官能團數(shù)量對制品微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的影響明顯。

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