管理 UV/EB 固化中的收缩：定义、影响与解决方案

发布时间：

2025-09-02

收缩是许多制造过程中的一个关键因素，对于紫外线（UV）/电子束（EB）固化材料领域来说更是如此。理解和控制收缩可以决定一个产品是成功还是代价高昂的失败。本文将探讨 UV/EB 固化中收缩率的来龙去脉、其影响、影响因素以及解决方案。

从本质上讲，收缩率是指材料从液态或半液态转变为固态时，体积或尺寸减小的程度。这种现象在聚合物化学中尤为普遍，其中单体和低聚物连接在一起形成长聚合物链。在此过程中，单个分子会更紧密地堆积在一起，导致总体积减小。

在 UV/EB 固化中，这种转变是由紫外线 (UV) 或电子束 (EB) 辐射引发的。这些能量源触发快速聚合反应，将液体组分交联成固体薄膜或物体。这种体积减小的程度通常以初始体积的百分比来表示。

收缩率的影响在各种应用中都非常显著，会影响产品的性能和美观。

粘合剂： 粘合剂中的高收缩会导致内应力，降低粘合强度，并可能导致分层，尤其是在粘合不同材料时。

涂层： 在涂层中，过度收缩会导致薄膜应力，从而引发缺陷，如卷曲、翘曲、附着力差，甚至开裂，在柔性基材或厚膜上尤为明显。

3D 打印： 对于 3D 打印应用，收缩是一个主要挑战。它可能导致尺寸不准确、部件变形（翘曲）以及削弱打印物体强度的内应力。

电子产品： 在用于电子产品的封装材料和保护涂层中，收缩可能会对敏感元件产生应力，导致电气故障或设备寿命缩短。

牙科材料： 例如，牙科复合材料需要低收缩率，以防止填充物和牙齿之间出现边缘间隙，否则可能导致继发性龋齿和敏感。

有几个关键因素决定了 UV/EB 固化材料的收缩率：

单体/低聚物类型和官能度：

分子量： 通常，分子量较低的单体和低聚物往往收缩率更高，因为它们在聚合过程中堆积密度的相对变化更大。

官能度： 每个分子中活性双键（官能团）的数量也起着作用。

官能度更高（更多反应位点）的材料通常会导致更多的交联和更紧密的堆积，从而产生更高的收缩。例如，双官能丙烯酸酯的收缩率通常低于三官能丙烯酸酯。

转化率： 单体和低聚物转化为聚合物链的程度直接影响收缩。

更高的转化率（意味着更多未反应的双键发生反应）通常会导致更大的收缩。

交联密度： 交联密度更高（更多相互连接的聚合物链）的材料通常由于形成更紧密的网络而表现出更大的体积收缩。

填料含量： 加入惰性填料（如二氧化硅、滑石粉或气相法氧化铝）可以显著降低收缩。填料不会聚合，因此不会收缩，从而有效地稀释了收缩的树脂基质。填料的负载量越高，总体收缩率越低。

固化条件：

辐照度/剂量： UV/EB 辐射的强度和总能量会影响固化的速度和完全性，从而间接影响转化率和收缩。

温度： 在较高温度下固化有时会形成略有不同的聚合物网络结构和转化率，从而微妙地影响收缩。

幸运的是，有几种有效的策略可以最大限度地减少或控制 UV/EB 固化材料的收缩：

战略性地选择单体/低聚物：

高分子量低聚物、超支化低聚物：优先选择分子量较高的低聚物，以及超支化的三维球形结构可减少聚合过程中相对体积的变化。

大体积的单体： 旋转使用多环或长链烷基丙烯酸酯单体，如Easmer TMCHA,Easmer OPPEA,Easmer EOEOEA,Easmer LA,Easmer SA等，增加分子的自由体积，能够适应应力而不会导致宏观收缩或翘曲。

开环单体： 采用阳离子固化体系，选择环氧类等单体，如EACA103,EAEP521等，会发生开环聚合，这可以在固化过程中导致非常低的收缩，甚至略微膨胀，从而有效抵消收缩。

加入填料： 如前所述，添加惰性无机或有机填料是一种高效的方法。填料可以减少收缩树脂基质的总体积。填料的类型、尺寸和负载量需要针对特定应用进行优化。

控制固化条件： 优化 UV/EB 剂量和强度有助于实现均衡固化，最大限度地减少过度固化（可能导致更高的收缩），同时确保充分聚合。

多阶段固化： 对于某些应用，多阶段或分步固化过程可能是有益的。这包括初始的部分固化，让材料松弛，然后进行最终的完全固化。这有助于分散应力并减少整体变形。

可聚合增塑剂： 在某些情况下，可以使用特定的反应性稀释剂或可聚合增塑剂来降低粘度和应力，同时保持相对较低的收缩。

开发新型树脂： 聚合物化学领域的持续研究正致力于开发具有固有低收缩特性的新型树脂体系，通常涉及结合不同聚合机制的混合体系 。

通过仔细考虑这些因素并实施适当的解决方案，制造商可以有效管理 UV/EB 固化材料的收缩率，从而在各个行业中提升产品性能、增强耐用性并提高整体质量。