介电固化

导读：增材制造被认为是“一项将要改变世界的技术”。光固化3D打印是其中的一个重要方向，以数字化模型为基础通过光与材料（多为树脂、陶瓷浆料、纳米金属颗粒浆料等）的反应实现结构的成型，并借由局部光聚合反应，可实现相对较高的光学分辨率及打印精度。目前，从光固化3D打印技术的发展来看，主要是从两个维度进行聚焦: 一个是宏观的维度，也就是实现大幅面、大尺寸、高速度的3D打印；另一个是微观的维度，即实现微米、纳米尺寸的精细3D打印。在微纳机电系统、生物医疗、新材料(超材料、复合材料、光子晶体、功能梯度材料等)、新能源(太阳能电池、微型燃料电池等)、微纳传感器、微纳光学器件、微电子、生物医疗、印刷电子等领域，复杂三维微纳结构有着巨大的产业需求【1】。微纳尺度光固化3D打印在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构和复合(多材料)材料微纳结构制造方面具有很高的潜能和突出优势，而且还具有设备简单、成本低、效率高、可使用材料种类广、无需掩模或模具、直接成形等优点，因此，微纳米光固化3D打印技术在近几年正在受到越来越多的科研机构、企业以及终端用户的青睐。在全球范围内已经成熟商业化的微纳米光固化3D打印技术主要有：双光子子聚合TPP(Two-photon polymerization based direct laser writing)技术和PμSL面投影微立体光刻技术(Projection Micro Stereolithography) 。TPP是一种利用超快脉冲激光将光敏材料(树脂、凝胶等)在焦点区域固化成型的工艺。PμSL则是使用紫外光，通过动态掩模上的图形整面曝光固化树脂成型的工艺。这两种技术是目前常用的微纳米尺度3D打印的技术，其中TPP打印的精度可实现100 nm以下，目前德国和立陶宛等国家有商业化的设备产品。PμSL目前在实验室阶段可实现几百纳米精度，已经商业化的产品可达几个微米的打印精度，多见于深圳摩方材料公司的nanoArch系列微纳3D打印设备，为全球首款商业化的PμSL微尺度3D打印设备产品。本文将从几个方面对上述两种技术进行系统介绍。技术原理光固化（photocuring）是指单体、低聚体或聚合体基质在光诱导下的固化过程。光固化3D打印，是指通过控制光斑的图案或者振镜扫描路径，曝光区域的液态树脂聚合成固态物质，未曝光的区域树脂不参与聚合反应，通过精密控制Z轴移动，从而层层堆积快速成型样件。光固化3D打印，目前有单光子吸收聚合和双光子吸收聚合两种树脂聚合方法。单光子吸收 (SPA) 是指激发态电子吸收一个能级差的能量从低能级跃迁到高能级的过程，光吸收效率与入射光强是线性相关的。PμSL是利用单光子吸收聚合反应而成的打印技术，入射光进入液态树脂后，在吸收剂的作用下，光强逐渐减小，因此有效聚合反应只发生于树脂表面很薄的一层, 如图1所示。双光子吸收 (TPA) 则是受激电子同时吸收两个光子能量实现跃迁的过程，这是一种非线性效应，即随着光能量密度的增加，该效应会快速加强。因此入射光可穿过液态树脂，在其空间中的一个极小区域发生体像素固化成型。如图1所示，双光子吸收主要发生在某一点处，通常是光束焦点位置。这也是因为此处光强足够高，促使聚合物发生双光子吸收效应而发生聚合反应。 图1. 单光子吸收和双光子吸收【2】。其中，基于单光子吸收的3D打印设备可采用点光源或面光源（如PμSL），而TPP使用的是点光源。从图1中也可以看出，双光子吸收具有高局域性，这一点是单光无法实现的。借助这种高局域性质，目前小于一百纳米尺度的3D打印也成为了现实。将激光聚焦，使得激光焦点处光强超过双光子吸收阈值，控制反应区域在焦点附近极小的区域，改变激光焦点在样品中的相对位置，便可打印3D 微纳米结构，且具有极高的打印精度。而单光子吸收，具有曝光面积大，在达到较高打印精度的同时，且具有极高的打印速度。制备工艺和设备双光子聚合TPP微纳米3D打印过程以图2为例: 飞秒激光通过超高倍率的聚焦系统聚焦在光敏材料上，由光敏材料的双光子吸收发生聚合作用。其中，光敏材料一般是涂覆在载玻片或硅片上，载玻片是置于压电陶瓷平台上。通过移动精密压电陶瓷平台或振镜扫描，控制激光焦点位置的移动，即可实现微纳3D结构的成型，成型后使用有机溶剂冲洗(浸泡)样品，去除残余的未聚合材料，最终获得3D结构样品。其打印过程一般无需将打印件从树脂槽底部剥离，也无需安装刮刀进行光敏树脂液面的涂覆。图2 典型的TPP打印系统示意图【3】PμSL的操作过程（如图3）是将LED发射的紫外波段光反射在一个数字微镜装置（DMD）上，再让紫外线按照设定图形对液态树脂进行一个薄层的曝光。表层树脂固化后，下降打印平台，更多的液态树脂会流到已固化层之上，新的一层液态材料继续被紫外线照射曝光。完成的打印物品只用清理掉残留液态树脂就可被用作为装置、样品或者模具。通常的TPP打印采用的是红外飞秒脉冲激光作为光源，飞秒脉冲激光器的价格昂贵且随着使用时间积累存在衰减问题。PμSL则可选用工业级UV-LED 作为光源，光源寿命长（10000小时）、成本低（通常低于十万）、更换成本相对较低。设备使用环境要求方面，TPP打印的设备大多建议使用黄光无尘室，PμSL 3D打印系统只需要正常洁净的空间放置即可，无黄光无尘室的要求。图3 典型PμSL打印系统的设备示意图3D打印性能就打印分辨率来讲，PμSL技术通过DMD芯片的选择和投影物镜微缩，可实现的打印分辨率在几百纳米至几十微米的尺度范围。而TPP双光子聚合由于其聚合反应的高度局域，且突破了光学衍射极限，最高可以实现一百纳米左右的超高打印分辨率。就打印速度来讲，由于PμSL技术利用整面投影曝光，而TPP技术采用逐点扫描加工，因此打印速度上也存在较大差异。以整体大小2 mm (L) × 2 mm (W) × 70 μm (H)，最小特征尺寸5μm的仿生槐叶萍模型举例，PμSL打印设备可在15分钟内打印完成，相对来说，TPP打印设备则需要16小时【4】。就打印幅面来讲，TPP技术因为激光焦点位置的精密移动通常由精密压电陶瓷平台或扫描振镜提供，移动范围有限，辅以扫描振镜技术或机械拼接，典型打印幅面约3mm×3 mm左右。PμSL技术由DMD芯片幅面和投影物镜倍率决定单投影曝光幅面，还可以通过机械拼接实现更大幅面，如图4为深圳摩方材料科技有限公司的设备制备的高精度大幅面跨尺度打印的样品，其样品整体尺寸为：88×44×11 mm3，杆径：160 μm。摩方材料公司的设备最大打印幅面可达100mm×100mm。图4 高精度跨尺度打印就打印材料来讲，双光子吸收的特殊性也使得TPP打印对材料的选择较为苛刻，如要求树脂必须对工作波长的激光是透明的以保证激光能量可以在树脂内聚焦，且具有较高的双光子吸收转化率，因此所用的材料种类相对受限（如SCR树脂、IP系列树脂、SU8树脂、PETA等）。而PμSL打印材料多为光敏树脂，可打印透明树脂材料和不透明的复合树脂材料，种类比较广泛且商业化（如硬性树脂、韧性树脂、耐高温树脂、生物兼容性树脂、柔性树脂、透明树脂、水凝胶、陶瓷树脂等）。应用层面TPP技术是目前纳米尺度三维加工较为普遍的加工技术，在诸多科研领域中有着广泛应用，包括纳米光学（如光子晶体、超材料等）、生命科学（细胞培养组织、血管支架等）、仿生学、微流控设备（阀门、泵、传感器等）、 生物芯片等，如图5所示。但另一方面，受其加工幅面及速度的限制，TPP打印的工业化应用较少，目前仍急需突破。图5 TPP微纳米3D打印的案例【5】PμSL在科研领域的应用包括仿生学（槐叶萍结构【4】）、生物医疗（支架结构、微针）、微流控管道、力学、3D微纳制造、微机械、声学等，如图6。图6 PμSL微纳米3D打印的案例【4】相较于TPP，PμSL 加工速度快、打印幅面大、加工成本低以及宽松的环境要求等特点，使其工业应用领域已实现了内窥镜、导流钉、连接器、封装测试材料等的批量加工和应用。例如眼科医院用于治疗青光眼的导流钉（如图7示），导流钉中微弹簧直径可达200微米、打印材料具有优异的生物相容性，该导流钉在治疗中可有效改善眼压和流速。此外，亦有通讯公司用于芯片测试的socket插座，如图8示，能实现半径可达100微米，间隔50微米的致密结构。在医疗领域比较知名的内窥镜制造企业也已经使用PμSL制造出高纵横比、薄孔径的内窥镜底座，最小薄壁厚度70微米，高至13.8毫米。另外，除了打印树脂材料，PμSL工艺也可以打印陶瓷（图9为陶瓷打印样件）。图7 眼科医院用于治疗青光眼的导流钉(引流管、 短突、 翼领)图8 内窥镜头端和socket插座图9 陶瓷打印样件总而言之，作为微尺度代表性的两种光固化3D打印技术，TPP和PμSL技术具有各自的打印特点及相关应用领域。TPP打印精度高达一百纳米左右，加工尺寸和材料相对受限，已经在光学、超材料、生物等科研领域，有着广泛的应用。在大幅面的微尺度3D打印技术方面，PμSL面投影立体光刻具有加工时长短、成本低、效率高的优点，也已广泛应用在科学研究、工程实验、工业化等多个领域。参考文献：【1】兰红波,李涤尘, 卢秉恒. 微纳尺度3D打印. 中国科学: 技术科学. 2015, 45(9): 919-940.【2】S. H. Wu , J. Serbin, M.Gu. Two-photon polymerisation for three-dimensional micro-fabrication Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 181 (2006) 1–11【3】S. H. Park, D. Y. Yang and K. S. Lee. Two-photon stereolithography for realizing ultraprecise three-dimensional nano/microdevices. Laser & Photon. Rev.3, No. 1–2, 1–11 (2009)【4】Xiang Y. L., Huang S. L.,Huang T. Y., Dong A.,Cao D.,Li H. Y.,Xue Y. H., Lv P.Y.and Duan H. L. Superrepellency of underwater hierarchical structures on Salvinia leaf. PNAS. 2020, 117(5):2282-2287.【5】M. Malinauskas, M. Farsari, Algis Piskarskas, S. Juodkazis. Ultrafast laser nanostructuring of photopolymers: A decade of advances. Physics Reports 533 (2013) 1–31

流变和拉曼光谱的再次碰撞UV胶的固化流变学已成为UV固化动力学研究中较为常用的表征方法。流变学中的参数—动态弹性模量G'对形态结构极其敏感，能够很好的反映体系在辐射固化交联过程中双键密度和内部结构发生的变化，因此实时监测G'的变化可以从体系结构的角度反映固化程度。UV固化本质是一种化学反应，材料暴露在特定的UV辐射下会引发自由基反应，导致机械结构发生明显变化。因此UV固化还可以通过拉曼光谱进一步监测，这些化学变化将会通过特征峰的生成或降低（缓慢或快速变化）反映在拉曼光谱中。流变仪与拉曼光谱相结合，可以同时获得材料的化学结构和物理性质的信息，将这些信息关联起来以获得在材料加工、反应机理方面更加深入的洞悉。UV固化系统和拉曼光谱仪均可通过安东帕MCR系列流变仪软件进行触发，从而能够同步监测整个UV固化过程中的粘弹性力学行为和光谱数据。流变&拉曼联用Omnicure S1500紫外固化系统，配备5mm光纤。Cora5001拉曼光谱仪，配备特制的联用拉曼探头——HT fiber probe 785。MCR流变仪，使用帕尔贴罩（H-PTD）和25mm石英玻璃平板。UV固化系统和拉曼仪均连接至MCR流仪中，从而UV辐射源和拉曼光谱仪都可以通过流变仪进行自动触发，保障原位测量的同步性。独特接口设计UV源与特制的联用拉曼探头实验结果图1：UV胶固化反应过程中的损耗模量（红色）和储能模量（黑色）变化曲线流变测量的结果如图1所示。从测量结果可以看出，样品最初表现出粘弹性流体响应，其损耗模量（G'）大于储能模量（G'）。随后，在UV辐射下激发了固化反应，从而可以观察到模量的快速变化。两个模量的变化曲线的交叉点意味着样品从液体主导状态转变为固体主导状态。然而，在5s的UV辐射时间结束后，固化反应继续进行，这可以从模量的持续增加中观测到。图2：950cm-1和1150cm-1的峰强随固化时间的变化图2为两个拉曼特征峰（950 cm-1和1050 cm-1）的峰强变化曲线。所选的这两个特征峰具备一定代表性，因为大多数其他特征峰的行为与其中一个相似。在5s的UV辐射下，两个特征峰都出现了峰强的骤降。在UV辐射结束后，950 cm-1的峰强迅速达到稳定水平，标志着相应基团化学变化的结束；而1050 cm-1的峰强是逐渐下降的，这与之前图1所示的模量逐渐增大相呼应；其余特征峰强度的变化率都处于上述两个特征峰之间。拉曼光谱中的整体化学信号变化与流变性能变化趋势相吻合，两种技术可以相互印证。然而，拉曼光谱中展示的信息非常丰富，不同特征峰的强度变化曲线代表不同化学基团的反应特性，因此，可以获得每一个感兴趣的化学基团的变化信息。拉曼光谱的这一特性，不仅是样品整体流变特性的补充，还为深入了解不同反应基团的特性提供了可能性。实验结论安东帕的流变-拉曼联用设备已被证明对监测复杂的反应机理非常有益。MCR系列流变仪还可以与不同激发波长的Cora5001拉曼光谱仪，以及不同的UV固化系统（不同波长、汞灯、LED光源）相结合，且流变仪可使用多种型号（如珀耳帖或电加热），为各种应用提供最大的灵活性。想要了解完整的本次应用报告，请点击下载。

引言 大家应该对502胶这款生活中常见的胶粘剂并不陌生，如果不小心粘在手上，不到一分钟就会牢牢地跟人体皮肤形成一层胶层，十分难以清理，因为此时已经发生了交联固化，酒精不能溶解，需要加热到软化温度再慢慢清理下来。 图1：生活中的502胶水 那么502是怎么发生交联的呢？其实它主要组分为α-氰基丙烯酸乙酯，化学结构式如图2所示，它会与空气中的水发生反应，迅速由单体形成链式的体型结构以达到固化交联和粘接的作用，它属于胶粘剂中的湿固化胶粘剂。 图2：α-氰基丙烯酸乙酯及其固化机理 测试方案 我们在使用各种胶水时，最常问的一句话就是：我按多久可以粘住啊？，这个其实本质上就是胶粘剂在某个温度下的凝胶时间测定过程。凝胶时间(或贮存期)是指树脂中分子形成凝胶所需的时间。凝胶之后， 树脂就不再适合作其他用途。是可以通过TMA/SDTA2+进行测试的，下面展示的案例即是由图3中的梅特勒托利多TMA—Sorption 完成的湿固化胶粘剂测试方案。 图3：梅特勒托利多TMA—Sorption设备 该样品为某聚氨酯湿固化胶粘剂，因此在测试时就需要将样品放置在设定的相对湿度(RH)下，然后 使用DLTMA技术测量样品，DLTMA技术是TMA/SDTA2+所标配的调制技术，可以实现负力向上抬样品探头以测试凝胶时间（参考GB 12007.7-89），施力过程如图4所示。再通过湿度发生器设置相应的湿度程序以进行胶粘剂的湿固化凝胶时间测试。图4：调制力施加控制过程 在一定的温度下，空气中水蒸气的含量是有限的，就像某一物质溶解在水中时，一定温度的水中能溶解多少这种物质一样。气温越高，空气中能够容纳的水汽越多。气温越低，能容纳的水汽越少。测试方法及制样 探针：3毫米球点探针。力值：DLTMA测量期间的作用力在–0.010和0.010N之 间以正弦方式变化，周期为12 秒。样品制备过程：在30&ring C下将一小滴液体PUR胶粘剂直接滴到TMA的石英玻璃样品支架上。测量之后，通O2高温将固化物烧掉，冷却后擦去残留物。图5显示了在30&ring C和90%相对湿 度下执行DLTMA测量的结果， DLTMA曲线可以在最大值和最小值之间以正弦方式变化，此时探头压入样品或抬离样品。在液态下，测量探针在向上过程中完全抬离样品。大约20分钟之后，样品向上抬离样品变得困难。在70到100分钟之间，该位移振幅保持在较为稳定水平下；测量探针不再能完全抬离。这是液滴表面形成了粘膜或表皮，防止探针抬离样品。此粘膜在样品内部和实验气氛之间形成了一个“扩散屏障”，因此进一步固化速度非常慢。从100分钟开始，该位移幅度明显变小。大约170分钟之后，它逐渐变为零，材料变成粘性凝胶，探头无法再上下运动。因此对于前文提到的502类胶水，不慎粘在手上，在“粘膜”形成的时间前我们一定要迅速清洗掉！如图6上曲线所示，开始时间T1描述了表面粘膜的形成，开始温度T2的第二步则表示整个液滴开始固化，之后在最终时间T3几乎完全固化。因此T3与样品的凝胶时间相对应。 图5.样品在设定温/湿度下的固化曲线 此外，在30℃条件下也进行了 70%和80%的RH对样品固化过程影响的测试。图6显示了特征时间T1、T2和T3与相对湿度的关系。随着相对湿度的增加，反应速度也加快。样品表面粘膜的形成时间 (T1)和“内部湿化”的开始时间 (T2)对于相对湿度的依赖性比凝胶时间T3要小很多。 图6. T1、T2、T3与相对湿度的关系 结论 热固性树脂的湿固化可以通过进行DLTMA技术与湿度发生器联用的方式进行测量。可以通过调整相对湿度和温度来研究胶粘剂的凝胶时间影响因素。