基于光化学原理预测光固化3D打印关键参数：抑制时间与临界能量的相关性研究

本研究针对光固化3D打印中关键参数（Ec/Dp）预测难题，通过系统调控ITX/共引发剂（NPG/EDB）体系的光聚合效率，揭示了抑制时间、自由基量子产率与临界能量（Ec）的直接关联，建立了基于RT-FTIR的树脂反应性预测框架，为优化打印精度和机械性能提供理论支撑。

　　

光固化3D打印技术（Vat Photopolymerization）近年来在增材制造领域发展迅猛，但如何精确控制打印参数（如临界能量Ec和穿透深度Dp）仍是行业痛点。传统Jacobs模型虽被奉为圭臬，却忽略了光散射、氧阻聚等关键因素，导致参数预测偏差。更棘手的是，现有技术耗时耗力，难以快速评估树脂反应性。为此，来自中国的研究团队在《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》发表论文，创新性地将光化学原理与3D打印工艺关联，揭示了抑制时间与Ec的定量关系。

研究团队采用实时傅里叶变换红外光谱（RT-FTIR）和激光闪光光解等关键技术，以异丙基硫杂蒽酮（ITX）为光引发剂，N-苯基甘氨酸（NPG）和苯甲酸乙酯二甲氨基乙酯（EDB）为共引发剂，系统探究了共引发剂浓度对光聚合动力学的影响。通过构建工作曲线测定Ec/Dp，并结合量子产率计算，建立了预测模型。

3.1 光聚合实验
研究发现ITX单独使用时转化率仅49%，而添加0.5wt% NPG后转化率提升至68%，且最大聚合速率（Rp_max）增长14倍。值得注意的是，TPO（二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦）作为I型引发剂表现最优，Rp_max达65%/s，证实引发剂类型对反应效率的关键影响。

3.2 临界能量分析
高活性体系（如ITX/0.5wt% NPG）的Ec稳定在6.2mJ/cm²，符合时间-辐照度互易定律；而低浓度NPG（0.01wt%）时Ec飙升至38.9mJ/cm²，且出现氧扩散导致的非线性效应。

3.3 穿透深度验证
实验测得Dp平均值为299μm，较理论计算（274μm）偏高9%，首次量化了Jacobs模型的系统性偏差。

3.4 光化学机制解析
突破性发现抑制时间（t_inhib）与Ec呈线性相关（R²>0.99）。通过修正量子产率公式Φ_TOT=2Φ_ph+(1-Φ_ph)×0.128，成功将Ec预测误差控制在5%以内。例如ITX/NPG(0.5wt%)体系的Φ_ph为0.64，计算Ec为6.01mJ/cm²，与实测值6.2mJ/cm²高度吻合。

该研究首次建立了从分子光化学到宏观打印参数的跨尺度预测模型。通过量化氧阻聚效应与自由基量子产率的关联，不仅解决了Ec的快速预测难题，更指导了树脂配方的理性设计。例如打印法国香波尔城堡模型时，通过优选ITX/NPG(0.5wt%)体系和1s曝光时间，实现了130μm的精确固化深度。这项成果为光固化3D打印的工业化应用提供了关键理论工具，未来可拓展至生物医用材料等新兴领域。