Жарыққа сезімтал полимерлер және олардың қолданылуы
Photopolymer
Фотополимерлер: жарыққа сезімтал полимерлер, қасиеттері жарық әсерінен өзгереді. UV сәулеленумен тез қатаю, қауіпсіздік және қолдану салалары туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Фотополимер немесе жарық әсерімен белсендірілетін шайыр – жарыққа, әсіресе ультракүлгін немесе электромагниттік спектрдің көрінетін аймағына ұшырағанда қасиеттерін өзгертетін полимер. Көптеген технологиялық тұрғыдан пайдалы қолданыстар фотополимерлерге негізделген; мысалы, кейбір эмальдар мен лактар жарыққа түскенде тиісті қатаю үшін фотополимерлік құрамына тәуелді. Кейбір жағдайларда эмаль, термиялық жолмен кептірілетін эмальге қарағанда, секундтың бір бөлігінде ғана кебуі мүмкін, ал соңғысына жарты сағат немесе одан да көп уақыт қажет болуы мүмкін. Көбінесе фотополимерленетін жүйелер ультракүлгін сәулелену арқылы кептіріледі, себебі ультракүлгін сәуле көбірек энергияға ие. Дегенмен, бояуға негіделген фотоинициаторлардың дамуы көрінетін жарықты пайдалануға мүмкіндік берді, бұл оны пайдалануды оңай және қауіпсіз етеді. Өнеркәсіптік процестерде ультракүлгін сәулелену арқылы кептіру соңғы онжылдықтарда едәуір кеңейді. Көптеген дәстүрлі термиялық кептірілетін және еріткіш негізіндегі технологияларды фотополимерлену технологияларымен алмастыруға болады. Фотополимерлендірудің термиялық кептірілген полимерлендіруге қарағанда артықшылықтары – полимерлендірудің жоғары жылдамдығы және ұшпалы органикалық еріткіштерді жою арқасында экологиялық пайда табу.
A photopolymer or light activated resin is a polymer that changes its properties when exposed to light, often in the ultraviolet or visible region of the electromagnetic spectrum. A wide variety of technologically useful applications rely on photopolymers; for example, some enamels and varnishes depend on photopolymer formulation for proper hardening upon exposure to light. In some instances, an enamel can cure in a fraction of a second when exposed to light, as opposed to thermally cured enamels which can require half an hour or longer. Most commonly, photopolymerized systems are typically cured through UV radiation, since ultraviolet light is more energetic. However, the development of dye based photoinitiator systems have allowed for the use of visible light, having the potential advantages of being simpler and safer to handle. UV curing in industrial processes has greatly expanded over the past several decades. Many traditional thermally cured and solvent based technologies can be replaced by photopolymerization technologies. The advantages of photopolymerization over thermally cured polymerization include higher rates of polymerization and environmental benefits from elimination of volatile organic solvents.
Ионикалық механизм
Иондық қатыру процестерінде иондық фотоинициатор қолданылып, өзара байланысқа қатысатын олигомерлердің функционалдық тобы белсендіріледі. Фотополимерлеу әдетте өте таңдамалы процесс болып табылады және полимерлеу тек қажетті жерде ғана жүзеге асуы маңызды. Бұл талапты қанағаттандыру үшін, таза сұйық олигомерге жарық сәулеленген кезде ғана полимерленуді бастайтын аниондық немесе катиондық фотоинициаторлар қосылады. Катиондық фотополимерлеуде қолданылатын мономерлер немесе функционалдық топтар: стирол туындылары, винил эфирлері, N-винил карбазолдар, лактондар, лактамалар, циклдік эфирлер, циклдік ацетальдар және циклдік силоксандар. Иондық фотоинициаторлардың көп бөлігі катиондық класты құрайды; аниондық фотоинициаторлар одан әлдеқайда аз зерттелген.
In ionic curing processes, an ionic photoinitiator is used to activate the functional group of the oligomers that are going to participate in cross linking. Typically photopolymerization is a very selective process and it is crucial that the polymerization takes place only where it is desired to do so. In order to satisfy this, liquid neat oligomer can be doped with either anionic or cationic photoinitiators that will initiate polymerization only when radiated with light. Monomers, or functional groups, employed in cationic photopolymerization include: styrenic compounds, vinyl ethers, N vinyl carbazoles, lactones, lactams, cyclic ethers, cyclic acetals, and cyclic siloxanes. The majority of ionic photoinitiators fall under the cationic class; anionic photoinitiators are considerably less investigated.
Соя тұздары
1970-ші жылдары арил-оний тұздары, әсіресе йод және сульфоний тұздары, көп назар аударды және көптеген өнеркәсіптік қолданыстар тапты. Басқа, сирек кездесетін оний тұздарының қатарында аммоний және фосфоний тұздары бар. Ферроциний тұздарының туындыларының сіңіру жолағы әлдеқайда ұзын, кейде көзге көрінетін аймақта орналасқан. Сәулелену кезінде металл орталығы бір немесе бірнеше лигандтарды жоғалтады, олар полимерлендіруді бастайтын функционалдық топтармен алмастырылады. Бұл әдістің бір кемшілігі – оттегіге жоғары сезімталдық. Сонымен қатар, ұқсас механизм арқылы реакцияға түсетін бірнеше органометалл анионды фотоинициаторлар да бар. Аниондық жағдайда металл орталығының қоздырылуы гетеролиттік байланыстың үзілуіне немесе белсенді анионды инициаторды құрайтын электрондық трансферге әкеледі.
Since their discovery in the 1970s aryl onium salts, more specifically iodonium and sulfonium salts, have received much attention and have found many industrial applications. Other less common onium salts include ammonium and phosphonium salts. The absorption band for ferrocinium salt derivatives are in a much longer, and sometimes visible, region. Upon radiation the metal center loses one or more ligands and these are replaced by functional groups that begin the polymerization. One of the drawbacks of this method is a greater sensitivity to oxygen. There are also several organometallic anionic photoinitiators which react through a similar mechanism. For the anionic case, excitation of a metal center is followed by either heterolytic bond cleavage or electron transfer generating the active anionic initiator.
Медициналық қолданыстар
Фотооңайтылатын жабысқыштар катетерлер, есту аппараттары, хирургиялық маскалар, медициналық сүзгілер және қан талдау сенсорларын өндіруде де қолданылады. Бұл қолданулар үшін фотополимерлену процестері in vivo немесе ex vivo жағдайында жүргізілуде. In vivo фотополимерлену өндіріс және минималды инвазивті хирургия арқылы имплантациялаудың артықшылықтарын ұсынады. Ex vivo фотополимерлену күрделі матрицаларды жасауға және формуланың әмбебаптығын қамтамасыз етеді. Фотополимерлер жаңа биомедициналық қолданулардың кең спектрі үшін үміт беруге болса да, фотополимерлік материалдардың биоүйлесімділігін әлі де зерделеу және жетілдіру қажет.
Photocurable adhesives are also used in the production of catheters, hearing aids, surgical masks, medical filters, and blood analysis sensors. Photopolymerization processes for these applications are being developed to be carried out in vivo or ex vivo. In vivo photopolymerization would provide the advantages of production and implantation with minimal invasive surgery. Ex vivo photopolymerization would allow for fabrication of complex matrices and versatility of formulation. Although photopolymers show promise for a wide range of new biomedical applications, biocompatibility with photopolymeric materials must still be addressed and developed.
3D-басып шығару
Стереолитография, цифрлық бейнелеу және 3D-сияды принтерлеу – фотополимерлену жолдарында жұмыс істейтін 3D-басып шығару технологияларының бірнеше ғана мысалы. 3D-басылым әдетте CAD CAM бағдарламалық жасақтамасын пайдаланады, ол 3D-пластик нысанға аударылатын 3D-компьютерлік модельді құрайды. Бейне кескіндерге бөлінеді, содан кейін әрбір кескіндер сұйық полимерді сәулелендіру арқылы қайта құрастырылып, бейнені қатты нысанға айналдырады. 3D-бейнелеу процестерінде қолданылатын фотополимерлер жеткілікті мөлшерде байланысқа түсуі керек және қатты нысанның деформациясын болдырмау үшін полимерлену кезінде көлемі ең аз азаюы тиіс. 3D-бейнелеу үшін қолданылатын көпфункциялы акрилаттар мен метакрилаттар жиі көлемді азайту үшін полимерлік емес компоненттермен біріктіріледі. Катиондық фотоинициатордың қатысуымен SU 8 ерітіндідегі басқа полимерлермен желілер құрайды. Негізгі схемасы төменде көрсетілген. SU 8 – бұл ішкі байланысты материалдың матрицасын құрайтын молекулааралық фотополимерленудің мысалы. Кополимерлену арқылы теріс резистерлерді де жасауға болады. Егер екі түрлі мономерлер немесе олигомерлер бірнеше функционалдық топтары бар ерітіндіде болса, олар полимерленуіне және нашар еритін полимерді құруына мүмкіндік бар. Өндірушілер сондай-ақ арнайы электроника немесе медициналық құрылғылар сияқты OEM жинау қолданбаларында жарықпен қатайту жүйелерін пайдаланады.
Stereolithography, digital imaging, and 3D inkjet printing are just a few 3D printing technologies that make use of photopolymerization pathways. 3D printing usually utilizes CAD CAM software, which creates a 3D computer model to be translated into a 3D plastic object. The image is cut in slices; each slice is then reconstructed through radiation curing of the liquid polymer, converting the image into a solid object. Photopolymers used in 3D imaging processes require sufficient cross linking and should ideally be designed to have minimal volume shrinkage upon polymerization in order to avoid distortion of the solid object. Common monomers utilized for 3D imaging include multifunctional acrylates and methacrylates, often combined with a non polymeric component in order to reduce volume shrinkage. In the presence of a cationic photoinitiator photopolymer, SU 8 forms networks with other polymers in solution. Basic scheme shown below. SU 8 is an example of an intramolecular photopolymerization forming a matrix of cross linked material. Negative resists can also be made using co polymerization. In the event that two different monomers, or oligomers, are in solution with multiple functionalities, it is possible for the two to polymerize and form a less soluble polymer. Manufacturers also use light curing systems in OEM assembly applications such as specialty electronics or medical device applications.
Оң қарсылық
Сәулелендіруге оң фоторезисттің әсері оның химиялық құрылымын өзгертеді, нәтижесінде ол сұйық немесе оңай еритін болады. Химиялық құрылымдағы бұл өзгерістер көбінесе полимердегі нақты бір байланыстардың үзілуіне байланысты. Сәулеленгеннен кейін "ыдыраған" полимерлерді жарыққа ұшырамаған полимерді қалдырып, дамытушы ерітінмен жууға болады. Бұл технология микроэлектроника сияқты салаларда қолданылатын өте жұқа трафареттер жасауға мүмкіндік береді. Мұндай қасиеттерге қол жеткізу үшін оң фоторезисттер өз негізінде сәулелендіру кезінде үзілуге бейім байланыстары бар полимерлерді пайдаланады немесе полимердегі байланыстарды гидролиздейтін фототүзген қышқылды қолданады. Сәулелендіру кезінде сұйық немесе оңай еритін өнімге ыдырайтын полимер оң тонды фоторезист деп аталады. Фототүзген қышқыл катализаторымен гидролизделген кең таралған функционалдық топтарға поликарбонаттар және полиэстерлер жатады.
Exposure of a positive resist to radiation changes the chemical structure such that it becomes a liquid or more soluble. These changes in chemical structure are often rooted in the cleavage of specific linkers in the polymer. Once irradiated, the "decomposed" polymers can be washed away using a developer solvent leaving behind the polymer that was not exposed to light. This type of technology allows the production of very fine stencils for applications such as microelectronics. In order to have these types of qualities, positive resists utilize polymers with labile linkers in their back bone that can be cleaved upon irradiation, or use a photo generated acid to hydrolyze bonds in the polymer. A polymer that decomposes upon irradiation to a liquid or more soluble product is referred to as a positive tone resist. Common functional groups that can be hydrolyzed by a photo generated acid catalyst include polycarbonates and polyesters.
Жақсы баспа
Фотополимерлер баспа табақтарын жасауға қолданылады, олар кейін металл әріптер сияқты қағазға басылады. Бұл әдіс көбінесе қазіргі заманғы жоғары сапалы баспагерлікте компьютерде жасалған суреттерден көлемді бедер (немесе әріптік баспаның одан да нәзік үш өлшемді әсерін) алу үшін қолданылады, металлға суреттерді ойып салу немесе металл әріптер құю қажеттігі болмайды. Көбінесе визиткалар жасау үшін пайдаланылады.
Photopolymers can be used to generate printing plates, which are then pressed onto paper like metal type. This is often used in modern fine printing to achieve the effect of embossing (or the more subtly three dimensional effect of letterpress printing) from designs created on a computer without needing to engrave designs into metal or cast metal type. It is often used for business cards.
Сырқаттарды жөндеу
Өнеркәсіптік нысандар жарықпен белсендірілетін шайырды ақауларды және жарықтарды тығыздау үшін қолданады. Кейбір жарықпен белсендірілетін шайырлардың ерекше қасиеттері оларды құбырларды жөндеу үшін өте қолайлы етеді. Бұл шайырлар ылғалды немесе құрғақ беттерде тез қатаяды.
Industrial facilities are utilizing light activated resin as a sealant for leaks and cracks. Some light activated resins have unique properties that make them ideal as a pipe repair product. These resins cure rapidly on any wet or dry surface.
Балық аулау
Жақында жарықпен белсендірілетін шайырлар ұшқыштарды аз уақытта, минималды тазалаумен жасау мүмкіндігі арқасында ұшқыш байлаушылардың арасында кеңінен қолданыла бастады.
Light activated resins recently gained a foothold with fly tiers as a way to create custom flies in a short period of time, with very little clean up involved.
Қабатты қайта өңдеу
Жеңілмен белсендірілетін шайырлар еденді қайта жаңарту саласында қолданыс тапты, бұл басқа ешқандай химиялық заттарда мүмкін емес, қоршаған орта температурасында кебуді қажет етпеу арқасында дереу пайдалануға беруге мүмкіндік береді. Қолдану шектеулеріне байланысты, осы жабындар жоғары қарқынды разрядты шамдары бар портативті жабдықпен ғана ультракүлгін сәулелермен кебу арқылы қолданылады. Мұндай ультракүлгін жабындар қазірде ағаш, винил композициялық плитка және бетон сияқты әртүрлі беттер үшін коммерциялық түрде қолжетімді, ағаш едендерді жаңарту үшін дәстүрлі полиуретандарды және ВКТ үшін нашар төзімді акрилдерді ығыстырып шығаруда.
Light activated resins have found a place in floor refinishing applications, offering an instant return to service not available with any other chemical due to the need to cure at ambient temperatures. Because of application constraints, these coatings are exclusively UV cured with portable equipment containing high intensity discharge lamps. Such UV coatings are now commercially available for a variety of substrates, such as wood, vinyl composition tile and concrete, replacing traditional polyurethanes for wood refinishing and low durability acrylics for VCT.
Қоршаған ортаның ластануы
Полимерлік пластиналарды ультракүлгін сәулеленгеннен кейін жуу нәтижесінде мономерлер кәріз жүйесіне түсіп, әрі қарай мұхиттардағы пластик мөлшерін арттыруы мүмкін. Қазіргі су тазарту орналымдары кәріз суынан мономер молекулаларын толығымен шығара алмайды. Стирол сияқты кейбір мономерлер уытты немесе қатерлі ісік тудырушы болып табылады.
Washing the polymer plates after they have been exposed to ultra violet light may result in monomers entering the sewer system, eventually adding to the plastic content of the oceans. Current water purification installations are not able to remove monomer molecules from sewer water. Some monomers, such as styrene, are toxic or carcinogenic.