CN109940878A - 一种光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法，属于基于光敏树脂的快速成型技术领域。该方法包括如下步骤：步骤一、配置用于紫外光固化的光敏树脂；步骤二、将所述光敏树脂放置在两片底板之间的间隙中，选择数字紫外光投影设备作为紫外光源；步骤三、将待成形的三维结构展开为二维平面图，根据三维结构不同位置处的曲率变化在其二维平面图上填充灰度值从而获得光掩码图案；步骤四、将所述光掩码图案传输给数字紫外光投影设备来固化步骤二中的光敏树脂；步骤五、去除未固化的光敏树脂，将生成的聚合物薄层放置在平板上使其自由变形。本发明不但成本较低、工艺控制方便，而且变形的一致性较好。

Description

一种光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法

技术领域

本发明涉及一种光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法，属于基于光敏树脂的快速成型技术领域。

背景技术

由平面薄片直接变形获得3D形状的曲面产品已经成为一种极具前景的制造方法，其为生物技术、驱动器、传感器和工程中复杂超材料的制造提供了新的手段。

但由平面到曲面的形状变形需要基于特定的驱动条件，目前常用的方法有两种：

1）一种方法是从功能材料的刺激响应特性出发，研究利用水凝胶、形状记忆高分子、记忆合金等功能材料在受到外界刺激（如pH、温度、光照等）后发生形状变形的特点，通过改变外界环境驱动平面结构沿着特定方向产生伸缩、折叠或者扭转；但这类刺激响应变形方法使用的材料成本较高，制造过程相对复杂，而且变形程度的一致性较差。

2）另外一种方法是利用毛细力、剥离力、残余应力、预拉伸力等使二维平面产生后屈曲变形从而实现平面到曲面的形状变形。这类基于物理准则的变形不需要外界环境刺激和复杂的材料合成过程，因此可以更高效地驱动形状变形，但是这类变形方法也存在结构设计复杂，变形程度难以精确控制等缺点。

综上可知，目前各类研究平面变形生成三维结构的方法中仍存在诸如加工材料昂贵、工艺控制繁琐和难以独立操作的缺陷。

发明内容

本发明要解决技术问题是：提供一种成本较低、工艺控制方便、变形一致性好的平面薄片生成空间三维结构的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法，包括如下步骤：

步骤一、配置用于紫外光固化的光敏树脂，所述树脂采用丙烯酸酯基体低聚物树脂，所述丙烯酸酯基体低聚物树脂中均匀混合有重量比为0.05-0.1%的光吸收剂；

步骤二、将相对设置的两片透明底板通过垫片支撑从而使两片底板之间预留有一定间隙，两片底板的相对侧均涂覆有隔离薄膜，然后将所述光敏树脂放置在两片底板之间的间隙中；将数字紫外光投影设备置于底板正上方和/或正下方作为紫外光源；

步骤三、将待成形的三维结构展开为二维平面图，根据三维结构不同位置处的曲率变化在其二维平面图上填充灰度值从而获得光掩码图案，三维结构的弯曲曲率与光掩图案的灰度值之间的比值为预设值，所述光掩码图案的灰度值介于100-255之间；

步骤四、根据预设的曝光时间，将所述光掩码图案传输给数字紫外光投影设备来固化步骤二中的光敏树脂，从而得到平面聚合物薄层；其中，所述数字紫外光投影设备投射出的紫外光强度正比于光掩码图案的灰度值；

步骤五、去除未固化的光敏树脂，将生成的聚合物薄层放置在平板上使其自由变形，待其稳定后即得到所需的三维结构。

本发明通过正面光聚合反应使光敏树脂沿紫外光投影方向被依次固化，光敏树脂被固化后产生体积收缩，从而在固化后的聚合物中产生残余应力。而本发明通过在光敏树脂中添加光吸收剂（光吸收剂是一种光稳定剂，能吸收光源中的紫外线部分，而本身又不发生变化）增加紫外光强度的衰减，光照强度的不一致导致了固化程度的不一致，从而使正面光聚合反应中固化的聚合物沿其固化厚度方向存在明显的应力梯度。这样，正面光聚合反应中生成的聚合物薄层总是向其固化程度低的一侧弯曲，因此可以利用正面光聚合过程中的不匹配应力驱动聚合物平面薄层自由变形为需要的三维结构。另外，本发明通过控制生成聚合物薄层过程中的光掩码图案的模式、曝光时间和曝光方式等实现对自变形生成的三维结构弯曲曲率的控制。因此，本发明的方法不但成本较低，制造过程相对简单，而且变形程度容易控制、变形程度的一致性较好。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例中使用的固化装置的示意图。

图2是光驱动聚合物薄层自变形生成三维结构的原理图。

图3是本发明实施例的原理示意图。

具体实施方式

实施例

本实施例的光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法，利用正面光聚合中光敏树脂固化时引起体积收缩导致的残余应力，驱动固化的聚合物薄层自变形生成所需的空间三维结构，待生成的目标模型如图3左侧所示。

本实施例的光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法，包括以下步骤：

步骤一、配置用于紫外光固化的光敏树脂，所述树脂采用丙烯酸酯基体低聚物树脂，所述丙烯酸酯基体低聚物树脂中均匀混合有重量比为0.05-0.1%的光吸收剂。

在15-25˚C下，将PEGAD和PEG混合均匀，然后将光引发剂逐次添加到混合溶液中，同时利用磁力搅拌器在不低于1000r/min的转速下搅拌溶液，然后将光吸收剂添加到混合溶液中，在1500r/min的转速下搅拌5-7min，最后对混合溶液进行超声波震荡脱气5分钟，将获得的溶液静置3-5h得到所需的液态光敏树脂，整个过程中应该尽量避免明显的紫外光线。

本实施例采用低价易得且固化特性良好的可紫外光固化的液态光敏树脂，包括以下重量百分含量的组分：88.5-92.5%丙烯酸酯基体低聚物，7-12%分散剂，0.5-0.8%光引发剂，0.05-0.1%光吸收剂。其中，丙烯酸酯基体低聚物优选聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA，平均分子量优选为200-700；分散剂优选聚乙二醇PEG，光引发剂优选苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)双氧化膦Irgacure819；光吸收剂可采用Sudan І、Sudan Ш/2-(2ˊ-羟基-3ˊ，5ˊ-二叔苯基)-5-氯化苯并三唑紫外线吸收剂UVP-327、2-(2ˊ-羟基-5ˊ-甲基苯基)苯并三氮唑紫外线吸收剂UV-P中的一种或几种，优选Sudan І。光吸收剂的吸收波长与所述数字紫外光投影设备的光源波长相匹配效果最佳。

步骤二、如图1所示，将相对设置的两片透明底板4通过垫片2支撑从而使两片底板4之间预留有一定间隙3，两片底板4的相对侧均涂覆有隔离薄膜（图中未示出），然后将光敏树脂放置在两片底板4之间的间隙3中；将数字紫外光投影设备5置于底板4正上方和/或正下方作为紫外光源，其投射范围6如图1所示。

也就是说，由数字紫外光投影设备5、两片底板4、垫片2和支撑装置1构成了如图1所示的固化装置。其中一片底板4放置在支撑装置1上，两片底板4通过两个相同厚度的垫片2隔离开，垫片2宽度为底板4宽度1/10左右，两片底板4的相对侧涂覆隔离薄膜，将数字紫外光投影设备固定在底板的正上方或正下方，或则在底板两侧同时放置一个紫外光投影设备，可根据实际需要使用。底板和垫片均为透明材料制成，优选纯净透明的石英玻璃，底板的厚度优选1mm，垫片的厚度优选0.4mm。所述隔离薄膜优选为聚二甲基硅氧烷PDMS膜，其作用是防止固化后的光敏树脂与底板粘连，影响固化后产品的自变形效果。数字外光投影设备可选常见的液晶板投影(LCD)设备或数字光投影(DLP)设备，通常来说，投影分辨率越高，聚合物薄层自变形生成的空间三维结构的弯曲曲率越准确。

本实施例中隔离薄膜优选聚二甲基硅氧烷PDMS膜。在实施时，将混合均匀的PDMS硅橡胶均匀的涂覆在底板的一侧并放置在保温箱中待其完全固化形成隔离薄膜，然后将其中一块底板固定在支撑装置上并保证涂覆PDMS硅橡胶的一侧位于上方，将两个垫片分别放置在底板的左右两侧，然后取适量配置的液态光敏树脂滴放在底板中央，保证光敏树脂的表面积应大于光掩码图案的表面积，最后取另外一块底板并使涂覆有PDMS隔离薄膜的一侧向下，从一侧逐渐盖住液态光敏树脂，尽量避免在液态光敏树脂中产生气泡。

本实施例中树脂接收到的曝光剂量(曝光时间×曝光强度)越大，固化生成的聚合物的固化程度越高，聚合物薄层在发生弯曲时的弯曲刚度越大，会阻碍聚合物薄层的连续变形，且在正面光聚合中，聚合物的弯曲方向总是向远离光照方向的一侧弯曲，因此需要根据目标模型的变形方向确定投影设备的投影方向。

步骤三、将待成形的三维结构展开为二维平面图，根据三维结构不同位置处的曲率变化在其二维平面图上填充灰度值从而获得光掩码图案，三维结构的弯曲曲率与光掩图案的灰度值之间的比值为预设值，所述光掩码图案的灰度值介于100-255之间。经实验表明，光掩码图案的灰度值小于100时，对应位置的光敏树脂固化的速度会比较慢，影响三维结构的正常成型，因此所述光掩码图案的灰度值要求不小于100。另外，通常来说，三维结构的弯曲曲率正相关于与光掩图案的灰度值，三维结构的弯曲曲率半径越小则其对应的二维平面图的灰度值越小，两者之间比值的预设值可以通过计算或预实验获得。本实施例中根据目标模型生成的光掩码图案可参见图3。

为了确保聚合物薄层聚合物具有足够的变形量，可以在三维结构的大曲率处的光掩码图案中增加“铰链”结构，即三维结构的曲率半径较大处光掩码图案的灰度值填充为140-155之间。这样经过紫外光照射后，“铰链”结构具有较小的弯曲刚度，在聚合物薄层各部分间具有差不多的体积收缩时，“铰链”结构的弯曲力矩与弯曲刚度间的比值较大，因此产生足够大的内应力驱动聚合薄层自变形生成三维结构。

步骤四、根据预设的曝光时间，将所述光掩码图案传输给数字紫外光投影设备来固化步骤二中的光敏树脂，从而得到聚合物薄层；其中，所述数字紫外光投影设备投射出的紫外光强度正比于光掩码图案的灰度值。

本实施例通过控制光掩码图案的样式和分布可以实现对自变形三维结构变形方向和大小进行控制，其基本原理如图2所示。因为数字紫外光投影设备投射紫外光的强度正比于输入的光掩码图案的灰度值，因此实施时首先用分光计测量光掩码图案中灰度值为100时投影设备的曝光强度，然后测量光掩码图案灰度值为255时投影设备的曝光强度，利用差值确定曝光强度与灰度值间的比例系数。

曝光时间优选为7-18秒，通常来说，对于光掩码中灰度值较大选择较小的曝光时间，优选7-10秒, 对于光掩码中灰度值较小选择较大的曝光时间，优选15-18秒。

步骤五、去除未固化的光敏树脂，将生成的聚合物薄层放置在平板上使其自由变形，待其稳定后即得到所需的三维结构。

由图3可知，本实施例的总体过程为：先由目标模型生成光掩码图案，再通过光掩码图案固化得到最终的三维结构。

在实施时，当数字紫外光投影设备曝光结束后，取走上层底板和垫片，然后用吸附滤纸吸走剩余的液态树脂，待聚合物薄层自由变形后，将其放置在紫外灯下进行长时间小功率照射从而二次固化，用于固定自变形后聚合物薄层的形状。这里优选功率为10mW的紫外灯照射2min左右。

本实施例也可以通过改变光源的投射方向改变聚合物薄层的弯曲方向，相同的光掩码图案当曝光方向不同时会产生相反的弯曲方向。在搭建固化装置时，通过在底板的正上方和正下方分别固定一个同型号的数字紫外光投影仪，设置曝光参数后，先打开其中一个投影仪，待曝光结束后关闭投影仪并保持底板位置，再打开另外一个投影仪进行曝光，最后获得具有相反变形方向的聚合物薄层。此外，也可以在经历一次曝光后，关闭投影仪，保持底板的相对位置不变，然后迅速翻转底板使其另外一侧接受曝光，得到相同的变形效果。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法，包括如下步骤：

步骤一、配置用于紫外光固化的光敏树脂，所述树脂采用丙烯酸酯基体低聚物树脂，所述丙烯酸酯基体低聚物树脂中均匀混合有重量比为0.05-0.1%的光吸收剂；

步骤二、将相对设置的两片透明底板通过透明垫片支撑从而使两片底板之间预留有一定间隙，两片底板的相对侧均涂覆有隔离薄膜，然后将所述光敏树脂放置在两片底板之间的间隙中；将数字紫外光投影设备置于底板正上方和/或正下方作为紫外光源；

步骤三、将待成形的三维结构展开为二维平面图，根据三维结构不同位置处的曲率变化在其二维平面图上填充灰度值从而获得光掩码图案，三维结构的弯曲曲率与光掩图案的灰度值之间的比值为预设值，所述光掩码图案的灰度值介于100-255之间；

步骤四、根据预设的曝光时间，将所述光掩码图案传输给数字紫外光投影设备来固化步骤二中的光敏树脂，从而得到平面聚合物薄层；其中，所述数字紫外光投影设备投射出的紫外光强度正比于光掩码图案的灰度值；

步骤五、去除未固化的光敏树脂，将生成的聚合物薄层放置在平板上使其自由变形，待其稳定后即得到所需的三维结构。

2.根据权利要求1所述的光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法，其特征在于：步骤二中，所述隔离薄膜为聚二甲基硅氧烷PDMS膜。

3.根据权利要求1所述的光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法，其特征在于：步骤五中，采用吸附滤纸去除未固化的光敏树脂。

4.根据权利要求1所述的光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法，其特征在于：步骤一中，所述光吸收剂的吸收波长与所述数字紫外光投影设备的光源波长相匹配。

5.根据权利要求1或4所述的光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法，其特征在于：所述光吸收剂为Sudan І、Sudan Ш/2-(2ˊ-羟基-3ˊ,5ˊ-二叔苯基)-5-氯化苯并三唑、紫外线吸收剂UVP-327、2-(2ˊ-羟基-5ˊ-甲基苯基)苯并三氮唑紫外线吸收剂UV-P中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法，其特征在于：步骤二中，所述光敏树脂放置在两片底板的中央位置，所述光敏树脂的表面积大于光掩码图案的表面积。

7.根据权利要求1所述的光驱动聚合物薄层自变形生成空间三维结构的方法，其特征在于：步骤五完成后，利用紫外灯对三维结构进行后固化照射用于固定聚合物薄层自变形后的形状。