光固化技术作为一种绿色环保的材料加工技术，在过去几十年中得到了迅猛发展。这种技术利用特定波长的光源使液态树脂快速固化成固体，具有固化速度快、能耗低、无污染、适合流水线生产等显著优势，已广泛应用于涂料、油墨、胶粘剂、3D打印等多个领域。

在光固化材料体系中，丙烯酸酯和环氧树脂构成了两大核心支柱，它们凭借各自独特的化学结构、固化机理和性能特点，满足了不同应用场景的需求。

UVEB大平台编者将深入探讨这两大光固化材料体系的特性与应用，为相关领域的研究和应用提供参考。

光固化材料是指在特定波长的光照射下能够快速固化的一类材料。光固化技术（Stereo Lithography Apparatus, 简称SLA），原名立体光固化成型技术，指光固化材料（如光敏树脂等）在激光或者其他数字光（特定波长）的照射下快速固结成型。

其核心工作原理是通过光化学反应，将液体或半液体有机化合物转化为硬塑料状聚合物。这一反应的核心是一种特殊的化合物，称为"光引发剂"，它在特定波长的光照射下会启动固化反应。

光固化技术具有不可逆的特性，光敏材料加热后只会燃烧，不会融化，这使得光固化材料在固化后能够保持稳定的形态和性能。

20世纪60年代，紫外线(UV)光固化技术最初是作为溶剂型、热干和风干工艺以及慢固化硅酮、环氧树脂、聚氨酯、压敏胶带、快干胶酯、改性丙烯酸和其他连接方法的替代品而开发的。

然而，它直到20世纪80年代初才在工业制造应用中流行起来。如今，该技术已广泛应用于许多行业，包括汽车、家电、航空航天、电信、医疗设备、军事和消费电子产品以及图形艺术，因为它们为用户提供了比其他类型材料更大的优势。

在过去的40多年里，光固化材料已经发展起来，但丙烯酸酯和环氧树脂的化学性质却保持不变，构成了光固化材料的两大核心体系。

丙烯酸酯光固化体系  化学结构与特性

丙烯酸酯光固化材料是一类在特定波长光照射下能够快速固化的材料，其中"丙烯酸酯"一词是多种材料的简称，包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和类似的官能团。丙烯酸酯光固化材料的基本化学结构特点是含有不饱和双键（C=C），这些双键在光引发剂的作用下能够发生聚合反应。
常见的丙烯酸酯类光固化材料包括聚氨酯丙烯酸酯（PUA）、环氧丙烯酸酯（EA）和聚酯丙烯酸酯（PEA）等。这些材料通常是由丙烯酸或甲基丙烯酸与各种多元醇或环氧树脂反应制得的预聚物，其分子结构中含有多个丙烯酸酯基团，这些基团在光照下能够快速交联形成网状结构。
丙烯酸酯体系表现出非常广泛的特性。根据添加剂，可以生产出有色（如红色、蓝色或黑色）、不透明、发荧光（通常是半成品检测的要求）或导热的丙烯酸酯体系。
丙烯酸酯的物理特性包括粘附性、粘度、硬度和外观。由于丙烯酸酯可以通过可见光固化，因此荧光和红色或蓝色配方很常见。

丙烯酸酯光固化材料采用自由基聚合机理进行固化，这一过程通常包括以下几个阶段：
引发阶段：光引发剂在UVA光（始终）和可见光（在许多情况下）的照射下分解，产生自由基。
增长阶段：自由基与丙烯酸酯分子中的不饱和双键反应，形成新的自由基，继续与其他分子反应。
终止阶段：自由基相互结合或与其他物质反应，终止聚合过程。

丙烯酸酯光固化材料的固化速度非常快，通常在0.5-15秒之间完成，固化深度范围为0.10英寸-0.59英寸（2.5毫米-15毫米）。
值得注意的是，丙烯酸酯光固化材料在固化过程中会受到氧气的抑制，这是因为大气中的氧气会干扰树脂表面的自由基固化机理，导致表面粘性。
这种现象被称为"氧抑制"。在大多数情况下，可以通过改变固化工艺（增加光强度、延长固化时间或稍微调整所用光的波长）来消除表面粘性。
丙烯酸酯光固化材料（LCM）也可以与热或激活剂配合使用。当由于存在"阴影"而无法使用光来固化材料时，这种方法非常有用。丙烯酸酯LCM通常无法用湿气或空气来固化。
丙烯酸酯光固化材料由于其固化速度快、可定制性强等特点，广泛应用于以下领域：
涂料行业：室内和室外涂料，从柔性到极硬涂料，触感（可触摸）表面。对木材、金属、玻璃和各种塑料具有绝佳的附着力。
印刷行业：UV油墨，快速固化印刷材料。
粘合剂：高性能粘合剂，特别是需要快速固化的应用场景。
3D打印：光固化3D打印材料，特别是需要快速成型的应用。
电子行业：电子元件封装，保形涂层。
医疗行业：牙科材料，医疗器械。

环氧树脂光固化体系    化学结构与特性

环氧树脂光固化材料是一类在特定波长光照射下能够固化的材料，其核心结构特征是含有环氧基团（环氧环）。环氧树脂光固化材料也被称为"阳离子体系"，这一名称来源于其固化过程中使用的阳离子光引发剂的类型，而非树脂的化学组成。
环氧树脂光固化材料的基本化学结构特点是含有环氧基团，这些环氧基团在光引发剂的作用下能够发生开环聚合反应。环氧基团是由两个碳原子和一个氧原子组成的三元环，在适当条件下能够开环形成新的化学键，从而实现交联固化。
常见的环氧树脂类光固化材料包括环脂族环氧树脂和特种氧杂环丁烷树脂等。环脂族环氧树脂是环氧涂料的关键成分，具有高附着力、低收缩性和耐化学性等优点。
特种氧杂环丁烷树脂与环脂族环氧树脂配合使用，可改善固化速度、粘度控制性能、硬度以及对难粘合基材的附着力。

环氧树脂光固化材料采用阳离子聚合机理进行固化，这一过程通常包括以下几个阶段：
引发阶段：阳离子光引发剂（通常是鎓盐）在紫外线照射下产生一种强布朗斯特酸。
扩展阶段：强酸打开环氧基团，形成碳阳离子，然后碳阳离子与其他环氧基团发生反应。
链转移阶段：反应继续进行，形成交联网状高分子。

阳离子固化是环氧树脂的光引发、酸催化开环聚合反应，通过鎓盐得以实现。在紫外线照射而且存在氢供体（通常是配方中的树脂成分）的情况下，阳离子光引发剂会产生一种长效酸性物质。
该物质能够打开一个环氧基团，形成一个碳阳离子，然后碳阳离子与其他环氧基团发生反应，生成交联网状高分子。
环氧树脂光固化材料的固化过程通常需要更长的时间才能完全发挥其性能，因此有时会使用热量来加速固化。此外，阳离子光固化材料的固化会受到水分/湿度的阻碍，这是其与丙烯酸酯体系的一个重要区别。
值得注意的是，环氧树脂光固化材料在固化过程中不会受到氧气的抑制，因此能够实现无粘性固化，这是其相对于丙烯酸酯体系的一个显著优势。

环氧树脂光固化材料由于其强度高、耐热性好、收缩率低和环境因素耐受性强等特点，广泛应用于以下领域：

电子封装：保护电子元件免受环境影响。

光学应用：光学透明粘合剂（LOCA）。

涂料行业：高性能防腐涂料，耐化学性涂料。

3D打印：特别是需要高精度、高强度的应用。

复合材料：作为基体树脂用于纤维增强复合材料。

粘合剂：特别是对难粘合材料的粘接。

化学结构对比

丙烯酸酯和环氧树脂作为光固化材料的两大核心体系，在化学结构上存在显著差异：
丙烯酸酯体系的核心特征是含有不饱和双键（C=C），这些双键在光引发剂的作用下能够发生自由基聚合反应。而环氧树脂体系的核心特征是含有环氧基团（环氧环），这些环氧基团在光引发剂的作用下能够发生开环聚合反应。
这种结构上的差异直接导致了两大体系在固化机理、性能特点和应用领域上的不同。

固化机理对比

丙烯酸酯体系采用自由基聚合机理进行固化，在光引发剂吸收特定波长的光能后，分解产生自由基，这些自由基与丙烯酸酯分子中的不饱和双键反应，形成新的自由基，继续与其他分子反应，最终形成交联网络结构。
环氧树脂体系采用阳离子聚合机理进行固化，阳离子光引发剂在紫外线照射下产生一种强布朗斯特酸，这种酸能够打开环氧基团，形成碳阳离子，然后碳阳离子与其他环氧基团发生反应，形成交联网状高分子。
这种机理上的差异导致了两大体系在固化速度、氧抑制和湿度影响等方面的不同表现。

性能特点对比

丙烯酸酯体系的主要优势在于固化速度快、可定制性强，可以根据需要调整粘附性、粘度、硬度和外观等物理特性。然而，由于氧气会抑制自由基聚合反应，丙烯酸酯体系在空气中固化时表面可能会出现粘性，这是其主要缺点之一。
此外，丙烯酸酯体系在固化过程中会有一定的收缩率，可能影响产品的尺寸稳定性。
环氧树脂体系的主要优势在于强度高、耐热性好、收缩率低和环境因素耐受性强。由于不受氧抑制，环氧树脂体系能够实现无粘性固化，这是其相对于丙烯酸酯体系的一个显著优势。
此外，环氧树脂体系对某些基材（如金属、玻璃）的附着力优异。然而，环氧树脂体系的固化会受到水分/湿度的阻碍，这是其主要缺点之一。

应用差异对比

两大体系在应用领域上有所重叠，但也各有侧重：
丙烯酸酯体系由于固化速度快、可定制性强，广泛应用于涂料（室内外涂料、触感表面）、印刷（UV油墨）、粘合剂、3D打印、电子封装和医疗器械等领域。特别是在需要快速生产和多样化外观的应用中，丙烯酸酯体系具有明显优势。
环氧树脂体系由于强度高、耐热性好、收缩率低，主要应用于电子封装、光学应用（如光学透明粘合剂）、高性能涂料（如防腐涂料）、3D打印（特别是需要高精度、高强度的应用）和复合材料等领域。
特别是在需要高机械强度、高耐热性和高尺寸稳定性的应用中，环氧树脂体系更为适用。
UVEB大平台：丙烯酸酯和环氧树脂作为光固化材料的两大核心体系，各自具有独特的化学结构、固化机理、性能特点和应用领域。
丙烯酸酯体系以其快速固化和高可定制性著称，适用于需要快速生产和多样化外观的应用；环氧树脂体系以其高强度、高耐热性和低收缩率著称，适用于需要高机械性能和高尺寸稳定性的应用。
在实际应用中，应根据具体需求选择合适的光固化材料体系，或者通过两大体系的复合，开发出兼具双方优势的新型光固化材料。
随着科技的不断进步和环保要求的日益严格，光固化材料的两大核心体系将继续发展和创新，为各行各业提供更加高效、环保、多功能的材料解决方案。（完）

来源：公众号 UVEB大平台