UV光固化注射成型工艺实验研究

常 乐，丁玉梅，杨卫民，谢鹏程

（北京化工大学机电工程学院，北京100029）

0 前言

随着注射成型技术的不断发展[1-2]，其制品已经应用于尖端电子器件、先进光学仪器的透镜和镜片、光导波材料、非线性光学材料等领域并逐渐代替了此前的无机材料，使得制造成本有了很大程度的降低。但是，无论是其所使用的材料，或是注射成型工艺上仍存在进一步提升的空间[3]。如，聚碳酸酯在注射成型过程中分子易取向，产生明显的双折射现象，导致彩虹效应，因此，很大程度上限制其在精密光学领域的应用。

UV光固化成型是一种利用光化学反应原理的高效成型加工方法，在光学图层、光学粘结层中应用广泛，可用于光固化成型的高折射材料在诸多领域显现出越来越重要的应用价值[4-5]。

本文作者此前已成功实现将光固化材料与传统注射成型方法的有机结合，并将这种成型方式定义为光化学制造技术。在光固化成型领域已有合成高折射率、低收缩率 UV 树脂的相关报道[6-8]，一些新型 UV光固化材料折射率可达1.5以上，与光学级聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料性能相当，具备应用于光学制品加工生产的可能性。同时，具有低收缩率的UV材料适用于微流道混合器等精密产品的生产。这些都为UV光固化注射成型替代热塑性材料注射成型提供了良好的应用基础。本文在传统注射成型工艺的基础上，对模内“光化学制造”工艺参数进行实验研究，分析了UV材料温度、保压压力对制品精度的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

双官能度聚氨酯丙烯酸酯，LE6702，鹤山市励志门贸易有限公司；

三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，TMPTA，鹤山市励志门贸易有限公司；

二缩三丙二醇二丙烯酸酯，TGPDA，鹤山市励志门贸易有限公司；

1-羟基环己基苯基酮，UV184，长沙新宇高分子科技有限公司；

聚丙烯（PP），ST868M，台湾LCY公司。

1.2 主要设备及仪器

UV光固化注射成型实验台，自制；

紫外光源辐射设备，UPECII-4（主机）、UP-365（点光源辐射头），深圳市尤蓝谱科技有限公司；

扫描电子显微镜（SEM），S-4700，日本日立公司；

全电动注塑机，AE80-32 H，广州数控设备有限公司。

1.3 实验方案

实验采用的简易模塑成型如图1所示，柱塞装置上端托盘可承放砝码，从而达到注射压力与保压压力的控制；电热棒安装于模板内与流道相邻，通过比例-积分-微分控制器（P id）控制，流道内UV混合体可保持恒定温度；压块加紧玻璃达到锁紧模具的功能；灯距调节装置可上下移动，达到控制灯头与型腔表面距离的目的；制品的外形图如图2所示；

本文结合注射成型技术和UV光固化工艺两方面，首先将UV材料温度和保压压力作为两个考察制品复制度的因素，对不同工艺条件下制品的成型质量进行了测量；其次对经过模拟工艺优化过的PP注射成型制品和实验得出的最优实验工艺参数制品进行了SEM测试，并根据电镜图片利用图形处理软件获得制品微结构形貌对比图；

保压压力、UV材料温度变化时制品成型精度实验：本文重点讨论UV光固化注射成型对热塑性成型的替代性问题，因此是在考虑注射成型工艺[9]的情况下同时结合UV材料特性进行实验。根据此树脂的使用说明得知，60℃下，本实验所使用的UV树脂黏度为8000～15000 mPa·s，在与适量单体混合后其黏度低于8000 mPa·s，在试验中注射压力在4 MPa时已经可以将型腔充满；根据注射压力的成型经验，过大的保压压力会产生明显制品飞边，实验中保压压力设定为0.25、0.5、1 MPa；

本实验使用的UV树脂为多种材料的混合体，温度过高会加速其中一部分材料的挥发，因此分别设定成型温度为25、35、45℃进行成型实验评测；本实验选择质量法对制品的成型精度进行评测；质量法是注射成型复制度量化衡量指标之一，制品质量包含了制品体收缩和微结构充填的信息，充填率越高，体积收缩率越小（密度越大），则制品质量越大，制品精度越高；本实验每组实验条件下选择20个样品；

UV光固化注射成型制品精度与PP注射成型制品质量比较实验：以相同微细结构制品作为成型对象，利用Moldex3d进行PP材料注射成型模拟，选取适当的工艺参数进行传统注射成型。将2种不同材料所获得的微制品中的微细结构进行SEM测试，并将其结果处理后进行横截面图形比较。

2 结果与讨论

2.1 UV光固化注射成型工艺参数的选择

2.1.1 保压压力

在注射成型微制品工艺中，提高保压压力作为提高制品复制度的重要手段之一。UV光固化注射成型作为新的成型方式，保压压力是影响UV光固化注射成型精度的影响因素之一。表1为不同温度下不同保压压力递增情况下的制品平均质量表。

从表1中可以看出，在25、35、45℃3个设定温度下，保压压力为0.5 MPa时，制品平均质量达到最大值。当物料温度为25℃、保压压力递增时，制品平均质量变化百分比分别为0.325%、0.333%；当料温度为35℃、保压压力递增时，制品平均质量变化百分比分别为0.725%、0.880%；当料温度为45℃、保压压力递增，制品平均质量变化百分比分别为0.356%、0.199%。

图1 UV光固化注射成型实验台Fig.1 UV curing moldinjection experiment table

图2 成型制品Fig.2 Geometry of the product

表1 制品在不同实验条件下的平均质量 mgTab.1 Average quality of the productsin different experimental conditions mg

实验结果表明，同一温度下制品质量随保压压力增加而增大的明显趋势。这是由于在同一温度下逐渐增大保压压力时，保压压力直接影响进入型腔内UV材料量，使得施加保压压力后，型腔内UV材料的密度有所增加。

平均质量法作为评测微制品复制度的有效方法在热塑性注射成型中得到了广泛的应用，制品质量包含了制品收缩及微结构充填信息，其质量的大小初步反映了微结构零件注射成型复制度的高低，在微结构零件注射成型中，可用制品成型质量来初步量化评价其复制度。在已有的研究[10-12]结果中表明：在微制品注射成型中，保压压力增加，制品的质量约增加1%[13]。相比之下，增加保压压力，UV光固化的制品质量呈现增加现象，但其增加量均在1%以下，这一点与热塑性材料注射成型中保压压力对制品复制度的影响有一定的差别。相对于传统微制品注射成型的几十至上百兆帕保压压力，试验中所使用的UV光固化注射成型保压压力仅在0.5～2 MPa之间，足以证明UV光固化成型工艺条件容易达到。

2.1.2 UV物料温度

与热塑性注射成型相比，UV光固化材料注射成型的温度要低得多，因为UV材料一般仅在20～60℃具有较好的反应活性，所以本实验选择25、35、45℃3个实验温度。

从表1中可以看出，当保压压力为0.5 MPa时，随着UV材料温度的变化，制品的质量变化百分比为0.780%、1.610%；当保压压力为1 MPa时，随着 UV材料温度的变化，制品的质量变化百分比为1.181%、2.667%；当保压压力为1 MPa时，随着UV材料温度的变化，制品的质量变化百分比为0.625%、1.997%。在实验的3个温度下，制品平均质量均出现先升后降的趋势，UV材料温度的增加引起其密度和黏度的变化，当温度的增加较大时，UV材料的黏度大幅下降，注射成型过程中施加保压压力将造成明显的流延现象。因此，成型温度的增加不仅没有起到提高型腔内UV材料密度的作用，相反使得型腔内UV材料密度更小。

热塑性材料注射成型熔体温度对制品质量变化率的影响为1%[14]，UV光固化注射成型与其相比有一定的差别。这一点足以说明UV物料的温度对成型制品复制度的重要性。但是，与热塑性材料注射成型相比，其固化温度较低，成型工艺难度较小，这就为UV材料注射成型替代热塑性材料注射成型提供了一定的工艺替代基础。

2.2 微结构制品的复制度比较

微制品的成型质量作为评测其复制度的一个方法是对制品的收缩及微结构的复制度的宏观评鉴，对制品上的微细结构尺寸与模具尺寸差别不能直观的反应，因此需要借助一些微观表征手段对制品的微细结构进行充分的表征，利用SEM对微细结构的横截面图形进行拍摄，并将拍摄结果适当处理，可获得UV光固化成型制品与传统注射成型制品微结构的对比图。图3和图4为UV材料和PP材料成型的制品的梯形凸棱SEM图；图5是根据成型制品突棱形状SEM结果描绘得到的注射成型制品与UV光固化注射成型制品横截面对比图。

图3 UV光固化注射成型梯形棱SEM照片Fig.3 SEM photograph of UV curinginjection molding trapezo idal edge

图4 PP注射成型梯形棱SEM照片Fig.4 SEM photograph of PPinjection molding trapezo idal edge

图5 UV制品与PP制品梯形棱外形比较图Fig.5 Trapezo idal edge shape comparison between UV products and PP ones

PP制品注射成型工艺参数如表2、表3所示。UV光固化注射成型制品所使用的工艺参数根据2.1、2.2中得到的最高质量复制度的条件而定，如表4所示。

表2 注射机机筒温度设定Tab.2 Barrel temperature of theinjection machine

表3 PP注射成型工艺参数Tab.3injection molding process parameters for PP

表4 UV光固化注射成型工艺参数Tab.4 UV curinginjection molding process parameters

从图5中可以看出，UV材料成型后梯形棱的高度与PP材料成型后棱的高度有一定的差距，但就凸棱整体高度而言，PP成型制品棱高最高处为646μm，UV光固化成型制品棱高最高处为626μm，其差距仅为3.10%。根据图3和图4，PP材料与UV材料成型的凸棱均保持了较好的梯形形状。所以，在不考虑力学性能的条件下，UV光固化注射成型是可以替代热塑性材料注射成型的。

3 结论

（1）UV光固化注射成型保压压力、物料温度均低于热塑性注射成型保压压力、物料温度较多，工艺要求易满足要求；

（2）UV光固化注射成型制品微米级特征的复制度与传统注射成型制品复制度差别相差无几，充分显示UV光固化注射成型在替代热塑性材料注射成型方面具有广阔的应用前景。

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