Введение

Фотополимер или светоактивированная смола – это полимер, изменяющий свои свойства под воздействием света, как правило, в ультрафиолетовой или видимой области электромагнитного спектра. Широкий спектр технологически полезных применений основан на использовании фотополимеров; например, некоторые эмали и лаки требуют фотополимерной композиции для надлежащего отверждения при воздействии света. В определенных случаях эмаль может отверждаться за долю секунды при освещении, в отличие от эмалей, отверждаемых термически, для которых может потребоваться полчаса и более. Чаще всего фотополимеризуемые системы отверждаются с помощью ультрафиолетового излучения, поскольку ультрафиолетовый свет обладает большей энергией. Однако разработка систем фотоинициаторов на основе красителей позволила использовать видимый свет, что имеет потенциальные преимущества в простоте и безопасности обращения. Ультрафиолетовое отверждение в промышленных процессах значительно расширилось за последние несколько десятилетий. Многие традиционные технологии термического отверждения и на основе растворителей могут быть заменены технологиями фотополимеризации. Преимущества фотополимеризации по сравнению с термической полимеризацией включают более высокую скорость полимеризации и экологические преимущества, связанные с исключением летучих органических растворителей.

Ионный механизм

В процессах ионного отверждения используется ионный фотоинициатор для активации функциональных групп олигомеров, которые будут участвовать в сшивании. Как правило, фотополимеризация – это очень селективный процесс, и крайне важно, чтобы полимеризация происходила только в желаемых местах. Для этого жидкий, неразбавленный олигомер может быть легирован либо анионными, либо катионными фотоинициаторами, которые инициируют полимеризацию только при облучении светом. Мономеры или функциональные группы, применяемые в катионной фотополимеризации, включают: стирольные соединения, виниловые эфиры, N-винилкарбазолы, лактоны, лактамы, циклические эфиры, циклические ацетали и циклические силоксаны. Большинство ионных фотоинициаторов относятся к катионному классу; анионные фотоинициаторы изучены значительно меньше.

Соли лука

С момента открытия в 1970-х годах соли арилония, а точнее соли йодония и сульфония, привлекли значительное внимание и нашли широкое применение в промышленности. К другим, менее распространенным солям относятся соли аммония и фосфония. Полоса поглощения производных солей ферроциния находится в значительно более длинноволновой, а иногда и в видимой области спектра. Под воздействием излучения металлический центр теряет один или несколько лигандов, которые замещаются функциональными группами, инициирующими полимеризацию. Одним из недостатков этого метода является повышенная чувствительность к кислороду. Существуют также несколько органометаллических анионных фотоинициаторов, которые реагируют по аналогичному механизму. В анионном случае возбуждение металлического центра сопровождается либо гетеролитическим расщеплением связи, либо переносом электрона, что приводит к образованию активного анионного инициатора.

Медицинское применение

Фотоотверждаемые клеи также используются в производстве катетеров, слуховых аппаратов, хирургических масок, медицинских фильтров и датчиков для анализа крови. Для этих применений разрабатываются процессы фотополимеризации, которые можно проводить in vivo или ex vivo. Фотополимеризация in vivo обеспечит преимущества производства и имплантации с минимально инвазивным хирургическим вмешательством. Фотополимеризация ex vivo позволит создавать сложные матрицы и обеспечит гибкость состава. Несмотря на многообещающие перспективы фотополимеров в широком спектре новых биомедицинских применений, вопросы биосовместимости с фотополимерными материалами все еще требуют изучения и разработки.

3D печать

Стереолитография, цифровая визуализация и 3D-струйная печать – это лишь некоторые из технологий 3D-печати, использующие механизмы фотополимеризации. 3D-печать обычно использует программное обеспечение CAD/CAM, которое создает трехмерную компьютерную модель, преобразуемую в трехмерный пластиковый объект. Изображение разделяется на слои, каждый из которых затем реконструируется посредством радиационного отверждения жидкого полимера, превращая изображение в твердый объект. Фотополимеры, используемые в процессах 3D-визуализации, требуют достаточной степени сшивания и, в идеале, должны быть разработаны таким образом, чтобы при полимеризации наблюдалась минимальная усадка объема, чтобы избежать деформации твердого объекта. Распространенные мономеры, используемые для 3D-визуализации, включают многофункциональные акрилаты и метакрилаты, часто в сочетании с неполимерным компонентом для снижения усадки объема. В присутствии катионного фотоинициатора фотополимер SU-8 образует сети с другими полимерами в растворе. Основная схема представлена ниже. SU-8 является примером внутримолекулярной фотополимеризации, формирующей матрицу с поперечными связями. Отрицательные фоторезисты также могут быть получены с использованием сополимеризации. Если в растворе находятся два различных мономера или олигомера с множественными функциональными группами, они могут полимеризоваться и образовать менее растворимый полимер. Производители также используют системы светового отверждения в OEM-сборочных приложениях, таких как специализированная электроника или медицинские устройства.

Положительное сопротивление

Воздействие излучения на позитивный фоторезист изменяет его химическую структуру, делая его жидким или более растворимым. Эти изменения в химической структуре часто связаны с разрывом определенных связей в полимере. После облучения "разложившиеся" полимеры удаляются с помощью проявителя, оставляя неэкспонированный полимер. Эта технология позволяет создавать очень точные шаблоны для применения в микроэлектронике. Для достижения таких свойств, позитивные фоторезисты используют полимеры с неустойчивыми связями в основной цепи, которые могут быть разорваны при облучении, или фотогенерируемую кислоту для гидролиза связей в полимере. Полимер, который при облучении разлагается до жидкого или более растворимого состояния, называется позитивным фоторезистом. К распространенным функциональным группам, которые могут быть гидролизованы фотогенерируемым кислотным катализатором, относятся поликарбонаты и полиэфиры.

Прекрасная печать

Фотополимеры могут использоваться для изготовления печатных форм, которые затем прижимаются к бумаге подобно металлическому набору. Этот метод часто применяется в современной высококачественной печати для создания эффекта тиснения (или более тонкого, едва заметного трехмерного эффекта, характерного для высокой печати) из макетов, разработанных на компьютере, без необходимости гравировки изображений на металле или отливки металлических литер. Часто используется для изготовления визитных карточек.

Ремонт утечек

Промышленные предприятия используют светоотверждаемые смолы в качестве герметика для устранения течей и трещин. Некоторые светоотверждаемые смолы обладают уникальными свойствами, делающими их идеальными для ремонта трубопроводов. Эти смолы быстро затвердевают на любой влажной или сухой поверхности.

Рыбалка

Светоотверждаемые смолы в последнее время стали популярны среди тех, кто вяжет мушки, как способ быстро создавать уникальные мушки с минимальной последующей очисткой.

Полы

Светоотверждаемые смолы нашли применение в восстановлении напольных покрытий, обеспечивая быстрое возвращение в эксплуатацию, недостижимое при использовании других химических веществ из-за необходимости отверждения при комнатной температуре. В связи с ограничениями при нанесении, эти покрытия отверждаются исключительно ультрафиолетовым излучением с использованием портативного оборудования, оснащенного лампами высокого давления. Такие УФ-покрытия теперь доступны в продаже для различных оснований, таких как дерево, виниловая плитка и бетон, заменяя традиционные полиуретаны для восстановления деревянных полов и недолговечные акрилы для VCT.

Загрязнение окружающей среды

Вымывание полимерных пластин после воздействия ультрафиолетового света может привести к попаданию мономеров в канализационную систему, что в конечном итоге увеличит количество пластика в океанах. Существующие системы очистки воды не способны удалять молекулы мономеров из сточных вод. Некоторые мономеры, например стирол, являются токсичными или канцерогенными.