CN105068378A - 一种用于3d打印的阻燃型sla光敏树脂 - Google Patents
一种用于3d打印的阻燃型sla光敏树脂 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于3D打印的阻燃型SLA光敏树脂,其特征在于,由以下重量百分比的组分组成:含磷丙烯酸酯预聚物15-75%、丙烯酸酯15-75%、自由基引发剂1-5%、助剂0.5-2%、活性稀释剂5-15%,以上各组分重量百分比之和为100%;所述含磷丙烯酸酯预聚物结构通式为其中,R1=H2C=CH-或R2=-CH2-CH2-、或-CH2-CH2-CH2-CH2-中的一种。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域,具体地指一种用于3D打印的SLA阻燃型光敏树脂。
背景技术
光固化立体成形是采用立体印刷(StereoLithographyApparatus,SLA)原理的一种工艺,也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术,由美国3DSystems公司在20世纪80年代后期推出。SLA的成形方法是在树脂液槽中盛满液态光敏树脂,使其在激光束的照射下快速固化,成形过程开始时,可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度,聚焦后的激光束,在计算机的控制下,按照截面轮廓的要求,沿液面进行扫描,使被扫描区域的树脂固化,从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后,工作台下降一层薄片的高度,已固化的塑料薄片就被一层新的液态树脂所顶盖,以便进行第二层激光扫描固化,新固化的一层牢固地枯结在前一层上,如此重复不已,直到整个产品成形完毕。由于SLA技术固化速度快、生产效率高以及适宜工业流水线生产等优点,SLA光敏树脂越来越大量应用在快速成型制造业中。SLA光敏树脂需要具备的特性有:粘度低,流动性好,有利于树脂流平;固化速度快,固化速度直接影响成型效率,间接影响经济效益;固化收缩小,液态树脂固化过程中会产生收缩,导致固化零件翘曲、变形等,影响成型精度。
目前用于SLA技术的光敏树脂虽能满足上述特性,但绝大多数是易燃的,而随着SLA技术的快速发展和大规模应用,这一缺点必将限制其应用范围,阻碍整个行业的发展。若采用常规手段在SLA光敏树脂体系中加入以三氯氧磷为原料衍生的阻燃剂,虽能部分解决阻燃问题,但生产中三氯氧磷具有高毒性,会分解出HCl,对环境造成污染,而且作为外加型阻燃剂与SLA光敏树脂的相容性存在一定问题。因此,开发出具有本体阻燃性能的SLA光敏树脂具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足,提供一种无毒、环境友好型的用于3D打印的阻燃型SLA光敏树脂。
本发明的技术方案为:一种用于3D打印的阻燃型SLA光敏树脂,其特征在于,由以下重量百分比的组分组成:含磷丙烯酸酯预聚物15-75%、丙烯酸酯15-75%、自由基引发剂1-5%、助剂0.5-2%、活性稀释剂5-15%,以上各组分重量百分比之和为100%;所述含磷丙烯酸酯预聚物结构通式为
其中,
R1=H2C==CH——或
R2=——CH2-CH2——、或——CH2-CH2-CH2-CH2——中的一种。
优选的,所述含磷丙烯酸酯预聚物由2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷(简称OP)与羟基丙烯酸酯类化合物以摩尔比1:1的比例混合,加入催化剂和阻聚剂在110-130℃下反应5-6h后得到;
所述羟基丙烯酸酯类化合物为丙烯酸羟乙酯、丙烯酸-β-羟丙酯、丙烯酸-4-羟基丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸-β-羟丙酯中的一种。
进一步的,所述阻聚剂为对苯二酚、对羟基苯甲醚、对苯醌、N-苯基-2-萘胺、对叔丁基邻苯二酚中的一种或几种组合,所述阻聚剂用量为2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷OP和羟基丙烯酸酯类化合物质量和的0.1-5.0%。
进一步的,所述催化剂为强酸性阳离子交换树脂PK208LH、PK212LH、RCP106M、D001、NKC-9中的一种或几种组合,所述催化剂用量为2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷OP和羟基丙烯酸酯类化合物质量和的5-8%。PK208LH、PK212LH、RCP106M为三菱化学生产的强酸性阳离子交换树脂,D001、NKC-9为天津大学树脂厂生产的强酸性阳离子交换树脂。
优选的,所述丙烯酸酯为脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、芳香族聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯或聚酯丙烯酸酯中的一种或几种组合。所述丙烯酸酯可以选择台湾长兴公司的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯:6141H-80、6148J-75、615-100、6151、6153-3、6157B-80、6168、6170、DR-U356、DR-U390;长兴公司的芳香族聚氨酯丙烯酸酯:6146-100;长兴公司的环氧丙烯酸酯:6202、622A-80、623-100、624A-45、625C-45;长兴公司的聚酯丙烯酸酯:6315、6320、6351、6371、6390F。
优选的,所述的自由基引发剂包括光引发剂1173、184、907、369、651、819、ITX中的一种或几种组合。光引发剂1173、184、907、369、651、819、ITX均为现有技术中常见的引发剂。
优选的,所述的活性稀释剂为功能性丙烯酸酯单体2-(1,2-环己烷-1,2-二羧基酰亚胺)乙基丙烯酸酯、环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯、2-苯氧基乙基丙烯酸酯、异冰片基丙烯酸酯、甲基丙烯酸环己酯、二丙二醇二丙烯酸酯、1,9-壬二醇二丙烯酸酯中的一种或几种组合。所述活性稀释剂可以选用台湾长兴公司的功能性丙烯酸酯单体:EM21402-(1,2-环己烷-1,2-二羧基酰亚胺)乙基丙烯酸酯、EM212环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯CTFA、EM2102-苯氧基乙基丙烯酸酯PHEA、EM70异冰片基丙烯酸酯IBOA、EM71-E甲基丙烯酸环己酯CHMA、EM222二丙二醇二丙烯酸酯DPGDA、EM22031,9-壬二醇二丙烯酸酯NDDA。
优选的,所述的助剂包括流平剂和消泡剂,所述流平剂质量和消泡剂质量比为1-3:1。
进一步的,所述流平剂为聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、有机硅改性聚硅氧烷中的一种。
进一步的,所述消泡剂为聚醚改性有机硅消泡剂。
本发明中,本发明中,2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷OP和羟基丙烯酸酯类化合物制备含磷丙烯酸酯预聚物的反应过程为:
其中,羟基丙烯酸酯类化合物通式为
R1=H2C==CH——或
R2=——CH2-CH2——、或——CH2-CH2-CH2-CH2——中的一种。
本发明的有益效果为:
1.使用含有阻燃基团的含磷丙烯酸酯预聚物,使配成光敏树脂的预聚物自身具有良好的阻燃性能。
2.预聚物本身具有阻燃结构,与聚氨酯丙烯酸酯、催化剂、助剂配合形成光敏树脂后,光敏树脂在固化或以后使用过程中不会形成污染环境或有损于人身体健康的物质,安全环保,避免了当为了光敏树脂的阻燃性添加含溴类阻燃剂、或含五氧化二锑类的无机物时,对环境造成威胁、对人们身体健康造成伤害。
3.含磷丙烯酸酯预聚物中既有油溶性的酯结构,又有水溶性的羟基结构,使预聚物既可以用于油溶性光敏树脂体系又可以用于水溶性光敏树脂体系。
4.制得的光敏树脂在满足原有粘度低、固化速度快、收缩率小的同时具有较好的阻燃性能,安全环保。
附图说明
图1为含磷丙烯酸羟乙酯预聚物的FTIR图谱
图2为含磷丙烯酸羟乙酯预聚物NMR-H1图谱
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
取13.40g(0.1mol)OP和11.60g(0.1mol)丙烯酸羟乙酯于三口烧瓶中,加入2.00g催化剂强酸性阳离子交换树脂PK208LH(催化剂质量为OP与丙烯酸羟乙酯质量和的8%)和0.0250g阻聚剂对苯二酚(阻聚剂质量为OP与丙烯酸羟乙酯质量和的0.1%),在110℃下,反应5h后停止反应。将体系中产物含磷丙烯酸酯预聚物进行分离:加入100mL乙酸乙酯,继续搅拌30min,待体系温度降低至室后,用布式漏斗过滤将PK208LH阳离子树脂与反应液分离(将分离出的PK208LH树脂浸泡在乙醇中洗去含磷丙烯酸酯预聚物以便重复利用),将滤液加入250mL的梨形漏斗中,加入饱和食盐水50ML两相剧烈混合洗去阻聚剂及未反应的OP,饱和食盐水层比重较大在下层,将下层放出待用,饱和食盐水每次50mL连续洗三次。下层食盐水合并后用乙酸乙酯200mL萃取两次,乙酸乙酯相萃取物与上层得到的油相合并用无水硫酸钠干燥后,减压蒸馏除去乙酸乙酯和丙烯酸羟乙酯得到含磷丙烯酸酯预聚物18g,摩尔收率为72%。
将上述方法制得的含磷丙烯酸酯预聚物61.33g、脂肪族聚氨酯丙烯酸酯617026.67g、活性稀释剂EM212环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯5g、自由基光引发剂11735g、助剂2g(由1g聚二甲基硅氧烷流平剂和1g聚醚改性有机硅消泡剂组成),混合搅拌均匀,得到阻燃型SLA光敏树脂。聚醚改性有机硅消泡剂为天津中科化工有限公司生产的ZK-203有机硅消泡剂。
实施例2
取13.40g(0.1mol)OP和13.00g(0.1mol)丙烯酸-β-羟丙酯于三口烧瓶中,加入2.00g催化剂强酸性阳离子交换树脂PK208LH(催化剂质量为OP与丙烯酸-β-羟丙酯质量和的7.58%)和0.0264g阻聚剂对苯二酚(阻聚剂质量为OP与丙烯酸-β-羟丙酯质量和的0.1%),在110℃下,反应5h得到含磷丙烯酸酯预聚物(分离方法同实施例1),摩尔收率为68%。
将上述制得的含磷丙烯酸酯预聚物63.33g、脂肪族聚氨酯丙烯酸酯617021.67g、活性稀释剂EM2102-苯氧基乙基丙烯酸酯10g、自由基光引发剂11733g、助剂2g(由1g聚二甲基硅氧烷流平剂和1g聚醚改性有机硅消泡剂组成),混合搅拌均匀,得到阻燃型SLA光敏树脂。
实施例3
取13.40g(0.1mol)OP和14.40g(0.1mol)丙烯酸-4-羟丁酯于三口烧瓶中,加入2.00g催化剂强酸性阳离子交换树脂PK208LH(催化剂质量为OP与丙烯酸-4-羟丁酯质量和的7.18%)和0.0278g阻聚剂对苯二酚(阻聚剂质量为OP与丙烯酸-4-羟丁酯质量和的0.1%),在110℃下,反应5h得到含磷丙烯酸酯预聚物(分离方法同实施例1),摩尔收率为79%。
将上述制得的含磷丙烯酸酯预聚物40g、脂肪族聚氨酯丙烯酸酯617043g、活性稀释剂EM70异冰片基丙烯酸酯15g、自由基光引发剂11731g、助剂1g(由0.5g聚二甲基硅氧烷流平剂和0.5g聚醚改性有机硅消泡剂组成),混合搅拌均匀,得到阻燃型SLA光敏树脂。
实施例4
取13.40g(0.1mol)OP和13g(0.1mol)甲基丙烯酸羟乙酯于三口烧瓶中,加入2.11g催化剂强酸性阳离子交换树脂PK212LH(催化剂质量为OP与甲基丙烯酸羟乙酯质量和的8%)和0.132g阻聚剂对羟基苯甲醚(阻聚剂质量为OP与甲基丙烯酸羟乙酯质量和的0.5%),在110℃下,反应5h得到含磷丙烯酸酯预聚物(分离方法同实施例1),摩尔收率为65%。
将上述制得的含磷丙烯酸酯预聚物15g、芳香族聚氨酯丙烯酸酯6146-10073g、活性稀释剂EM222二丙二醇二丙烯酸酯7g、自由基光引发剂9074.5g、助剂0.5g(由0.25g流平剂聚甲基苯基硅氧烷和0.25g聚醚改性有机硅消泡剂组成),混合搅拌均匀,得到阻燃型SLA光敏树脂。
实施例5
取13.40g(0.1mol)OP和14.40g(0.1mol)甲基丙烯酸-β-羟丙酯于三口烧瓶中,加入1.39g催化剂强酸性阳离子交换树脂PK212LH(催化剂质量为OP与甲基丙烯酸-β-羟丙酯质量和的5%)和0.278g阻聚剂对苯醌(阻聚剂质量为OP与甲基丙烯酸-β-羟丙酯质量和的1%),在120℃下,反应6h得到含磷丙烯酸酯预聚物(分离方法同实施例1),摩尔收率为70%。
将上述制得的含磷丙烯酸酯预聚物50g、环氧丙烯酸酯620234.5g、活性稀释剂12g(由6gEM212环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯和6gEM2102-苯氧基乙基丙烯酸酯组成)、自由基光引发剂3692g、助剂1.5g(由1g流平剂聚甲基苯基硅氧烷和0.5g聚醚改性有机硅消泡剂组成),混合搅拌均匀,得到阻燃型SLA光敏树脂。
实施例6
取13.40g(0.1mol)OP和11.6g(0.1mol)丙烯酸羟乙酯于三口烧瓶中,加入1.5g催化剂强酸性阳离子交换树脂RCP106M(催化剂质量为OP与丙烯酸羟乙酯质量和的6%)和0.5g阻聚剂N-苯基-2-萘胺(阻聚剂质量为OP与丙烯酸羟乙酯质量和的2%),在120℃下,反应5.5h得到含磷丙烯酸酯预聚物(分离方法同实施例1),摩尔收率为75%。
将上述制得的含磷丙烯酸酯预聚物75g、聚酯丙烯酸酯631515.5g、活性稀释剂EM2102-苯氧基乙基丙烯酸酯5g、自由基光引发剂1843g、助剂1.5g(由1g流平剂有机硅改性聚硅氧烷和0.5g聚醚改性有机硅消泡剂组成),混合搅拌均匀,得到阻燃型SLA光敏树脂。
实施例7
取13.40g(0.1mol)OP和13g(0.1mol)丙烯酸-β-羟丙酯于三口烧瓶中,加入1.85g催化剂强酸性阳离子交换树脂D001(催化剂质量为OP与丙烯酸-β-羟丙酯质量和的7%)和1.32g阻聚剂对叔丁基邻苯二酚(阻聚剂质量为OP与丙烯酸-β-羟丙酯质量和的5%),在110℃下,反应5.5h得到含磷丙烯酸酯预聚物(分离方法同实施例1),摩尔收率为78%。
将上述制得的含磷丙烯酸酯预聚物63.6g、聚酯丙烯酸酯632015g、活性稀释剂15g(由5gEM70异冰片基丙烯酸酯和10gEM222二丙二醇二丙烯酸酯组成)、自由基光引发剂6515g、助剂1.4g(由0.7g流平剂有机硅改性聚硅氧烷和0.7g聚醚改性有机硅消泡剂组成),混合搅拌均匀,得到阻燃型SLA光敏树脂。
实施例8
取13.40g(0.1mol)OP和14.4g(0.1mol)丙烯酸-4-羟丁酯于三口烧瓶中,加入2.22g催化剂强酸性阳离子交换树脂D001(催化剂质量为OP与丙烯酸-4-羟丁酯质量和的8%)和1.112g阻聚剂对羟基苯甲醚(阻聚剂质量为OP与丙烯酸-4-羟丁酯质量和的4%),在120℃下,反应6h得到含磷丙烯酸酯预聚物(分离方法同实施例1),摩尔收率为80%。
将上述制得的含磷丙烯酸酯预聚物35.2g、丙烯酸酯50g(由25g脂肪族聚氨酯丙烯酸酯6170和25g环氧丙烯酸酯6202组成)、活性稀释剂EM70异冰片基丙烯酸酯10g、自由基光引发剂8193g、助剂1.8g(由1g流平剂有机硅改性聚硅氧烷和0.8g聚醚改性有机硅消泡剂组成),混合搅拌均匀,得到阻燃型SLA光敏树脂。
实施例9
取13.40g(0.1mol)OP和13g(0.1mol)甲基丙烯酸羟乙酯于三口烧瓶中,加入1.45g催化剂(催化剂质量为OP与甲基丙烯酸羟乙酯质量和的5.5%),催化剂由强酸性阳离子交换树脂PK212LH和NKC-9按质量比1:1组成,加入0.66g阻聚剂(阻聚剂质量为OP与甲基丙烯酸羟乙酯质量和的2.5%),阻聚剂为对苯醌和N-苯基-2-萘胺按质量比1:1组成,在130℃下,反应5h得到含磷丙烯酸酯预聚物(分离方法同实施例1),摩尔收率为74%。
将上述制得的含磷丙烯酸酯预聚物16.4g、丙烯酸酯75g(由25g脂肪族聚氨酯丙烯酸酯6170和50g聚酯丙烯酸酯6315组成)、活性稀释剂EM222二丙二醇二丙烯酸酯6g、自由基光引发剂ITX1g、助剂1.6g(由1.2g流平剂聚二甲基硅氧烷和0.4g聚醚改性有机硅消泡剂组成),混合搅拌均匀,得到阻燃型SLA光敏树脂。
实施例10
取13.40g(0.1mol)OP和14.4g(0.1mol)甲基丙烯酸-β-羟丙酯于三口烧瓶中,加入1.81g催化剂(催化剂质量为OP与甲基丙烯酸-β-羟丙酯质量和的6.5%),催化剂由强酸性阳离子交换树脂PK212LH、RCP106M、D001、NKC-9按质量比1:1:1:1组成,加入1.39g阻聚剂(阻聚剂质量为OP与甲基丙烯酸-β-羟丙酯质量和的5%),阻聚剂为苯二酚、对苯醌和对羟基苯甲醚按质量比1:1:1组成,在130℃下,反应5h得到含磷丙烯酸酯预聚物(分离方法同实施例1),摩尔收率为69%。
将上述制得的含磷丙烯酸酯预聚物20.2g、丙烯酸酯60g(由30g环氧丙烯酸酯6202和30g聚酯丙烯酸酯6315组成)、活性稀释剂14g(由4gEM70异冰片基丙烯酸酯、5gEM212环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯和5gEM2102-苯氧基乙基丙烯酸酯组成)、自由基光引发剂5g(由11732.5g和9072.5g组成)、助剂0.8g(由0.4g流平剂有机硅改性聚硅氧烷和0.4g聚醚改性有机硅消泡剂组成),混合搅拌均匀,得到阻燃型SLA光敏树脂。
性能测试:
实施例1中制得含磷丙烯酸羟乙酯预聚物、丙烯酸羟乙酯和OP的红外图谱见图1,实施例1中制得含磷丙烯酸羟乙酯预聚物1H-NMR(DMSO-D6)图谱见图2。
从图1红外图谱中b曲线可以看出在1709cm-1处为C=O伸缩振动,在1637cm-1处为C=C的特征吸收峰,在1130cm-1处为P=O的特征吸收峰,在979cm-1对应的是C-P伸缩振动吸收峰,说明目标分子中存在丙烯酸基团以及磷的特征基团。此外,对比b谱图与a、c谱图可看出C=O、C=C、P=O、C-P等特征吸收峰都产生红移,说明丙烯酸羟乙酯和OP发生反应。从图21H-NMR(DMSO-D6)图谱分析结果:δ/ppm:1.28-1.44(3H,-CH3,a),1.76-2.43(4H,-CH2-,c,d),3.59-4.29(4H,-CH2-,e,f),5.93-6.39(3H,-CH=CH2,g,h,i)。从FT-IR分析和1H-NMR分析可以证明合成产物是含磷丙烯酸羟乙酯。
将实施例1-10中所得的SLA光敏树脂进行性能测试,结果如下表所示:
从上表可以看出,实施例1-10所得的SLA光敏树脂在固化时间、凝胶率、粘度、体积收缩率均保持良好的情况下阻燃性能优良。
Claims (10)
1.一种用于3D打印的阻燃型SLA光敏树脂,其特征在于,由以下重量百分比的组分组成:含磷丙烯酸酯预聚物15-75%、丙烯酸酯15-75%、自由基引发剂1-5%、助剂0.5-2%、活性稀释剂5-15%,以上各组分重量百分比之和为100%;所述含磷丙烯酸酯预聚物结构通式为
其中,
R1=H2C=CH-或
R2=-CH2-CH2-、或-CH2-CH2-CH2-CH2-中的一种。
2.一种如权利要求1所述的光敏树脂,其特征在于,所述含磷丙烯酸酯预聚物由2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷OP与羟基丙烯酸酯类化合物以摩尔比1:1的比例混合,加入催化剂和阻聚剂在110-130℃下反应5-6h后得到;
所述羟基丙烯酸酯类化合物为丙烯酸羟乙酯、丙烯酸-β-羟丙酯、丙烯酸-4-羟基丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸-β-羟丙酯中的一种。
3.如权利要求2所述的光敏树脂,其特征在于,所述阻聚剂为对苯二酚、对羟基苯甲醚、对苯醌、N-苯基-2-萘胺、对叔丁基邻苯二酚中的一种或几种组合,所述阻聚剂用量为2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷OP和羟基丙烯酸酯类化合物质量和的0.1-5.0%。
4.如权利要求2所述的光敏树脂,其特征在于,所述催化剂为强酸性阳离子交换树脂PK208LH、PK212LH、RCP106M、D001、NKC-9中的一种或几种组合,所述催化剂用量为2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷OP和羟基丙烯酸酯类化合物质量和的5-8%。
5.如权利要求1所述的光敏树脂,其特征在于,所述丙烯酸酯为脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、芳香族聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯或聚酯丙烯酸酯中的一种或几种组合。
6.如权利要求1所述的光敏树脂,其特征在于,所述自由基引发剂为光引发剂1173、184、907、369、651、819、ITX中的一种或几种组合。
7.如权利要求1所述的光敏树脂,其特征在于,所述活性稀释剂为功能性丙烯酸酯单体2-(1,2-环己烷-1,2-二羧基酰亚胺)乙基丙烯酸酯、环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯、2-苯氧基乙基丙烯酸酯、异冰片基丙烯酸酯、甲基丙烯酸环己酯、二丙二醇二丙烯酸酯、1,9-壬二醇二丙烯酸酯中的一种或几种组合。
8.如权利要求1所述的光敏树脂,其特征在于,所述助剂包括流平剂和消泡剂,所述流平剂质量和消泡剂质量比为1-3:1。
9.如权利要求8所述的光敏树脂,其特征在于,所述流平剂为聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、有机硅改性聚硅氧烷中的一种。
10.如权利要求8所述的光敏树脂,其特征在于,所述消泡剂为聚醚改性有机硅消泡剂。
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