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光敏树脂合成及3d打印的综合实验教学设计与实践三篇

教案一：紫外光固化光敏树脂的合成与性能表征

课题名称

光引发聚合的奥秘：光敏树脂合成与基础性能测试

一、教学目标

知识目标

理解光敏树脂的组成（预聚物、活性稀释剂、光引发剂）及固化原理（自由基聚合）

掌握紫外光固化反应的基本条件（波长、光照时间、引发剂浓度）

辨识不同官能团（双键、环氧基）对固化速度的影响

技能目标

能设计光敏树脂基础配方（预聚物60%、稀释剂30%、引发剂1-3%）

运用紫外可见光谱仪检测引发剂吸收波长

测试固化后树脂的硬度（邵氏硬度计）和拉伸强度

科学素养

培养实验设计与变量控制能力（单因素法优化引发剂用量）

体会材料合成与加工的关联性

二、教学重点与难点

重点：光敏树脂配方设计与紫外固化工艺参数优化

难点：光引发剂浓度对固化深度的影响规律

关键点：通过单因素实验突破配方优化瓶颈

三、教学方法

实验探究法、对比分析法、数据可视化法

四、教学过程

（一）生活情境导入（10分钟）

产品展示

展示3D打印的光敏树脂制品（透明摆件、医用模型），提问：这些精细结构如何通过液态树脂变成固态？

播放紫外光固化过程动画，强调光引发剂吸收光能引发聚合的核心原理

知识铺垫

回顾自由基聚合反应方程式，引出光引发剂分解产生自由基的关键步骤

（二）课本讲解：合成原理解析（20分钟）

理论知识模拟（参考《高分子材料合成工艺学》）

光敏树脂主要由三部分组成：

①预聚物（如环氧丙烯酸酯，提供交联结构）

②活性稀释剂（如三丙二醇二丙烯酸酯，调节粘度）

③光引发剂（如Irgacure184，吸收365nm紫外光产生活性自由基）

固化反应式：引发剂→自由基→双键打开→交联成网络结构

知识点分析

预聚物官能度：双官能度（线性）vs多官能度（网状结构，硬度更高）

引发剂选择：根据光源波长（紫外LED选365nm吸收型引发剂）

仪器认知

展示紫外固化箱（波长365nm，功率500mW/cm2）、涂膜器（控制膜厚50-200μm）

（三）实验设计与探究（60分钟）

配方设计（20分钟）

任务1：基础配方制备

组分

质量分数

作用

操作要点

环氧丙烯酸酯

60%

主体树脂

50℃水浴溶解

三丙二醇二丙烯酸酯

30%

稀释剂

搅拌至均匀透明

Irgacure184

1%、2%、3%

引发剂（变量）

避光称量，分批加入

固化实验（20分钟）

任务2：紫外固化参数优化

①涂膜器涂布50μm薄膜，分别照射10s、20s、30s

②测试固化程度：用丙酮擦拭，不溶胀为完全固化

性能表征（20分钟）

任务3：硬度与拉伸测试

①邵氏硬度计：垂直按压固化膜，读取HD值（硬度范围60-90HA）

②万能试验机：拉伸速度50mm/min，记录断裂伸长率

（四）互动交流：配方优化讨论会（15分钟）

问题1：引发剂浓度超过3%后，固化速度为何不再提升？（预留5分钟讨论）

参考答案

①引发剂浓度过高会导致自由基淬灭（自阻聚效应）

②紫外光穿透深度有限，过量引发剂聚集在表面，内部固化不足

问题2：如何提高光敏树脂的透明性？（预留5分钟讨论）

参考答案

①选择低色度预聚物（如脂肪族丙烯酸酯）

②控制固化温度（避免高温引发黄变）

③减少杂质颗粒（过滤树脂溶液）

五、教材分析

本课参考高分子合成教材，需补充3D打印专用树脂的特殊要求（如低收缩率、高分辨率）。教学时通过对比不同引发剂的吸收光谱图，帮助学生理解光源-引发剂-固化效率的匹配关系，重点解决配方变量多导致实验误差大的问题。

六、作业设计

基础作业

绘制光敏树脂合成的反应机理图，标注关键步骤

记录不同引发剂浓度下的固化时间与硬度数据，绘制趋势图

拓展作业

设计实验：在基础配方中加入5%纳米二氧化硅，测试其对树脂耐磨性的影响

七、结语

今天我们亲手合成了光敏树脂，见证了光能到化学能的神奇转化。每一次配方调整都是对固化原理的深入理解，每一组数据都是材料性能的微观映射。课后请带着对光聚合反应的好奇，继续探索3D打印材料的更多可能！

教案二：光固化3D打印工艺优化与结构精度控制

课题名称

层层堆叠的艺术：SLA光固化3D打印工艺实践

一、教学目标

知识目标

掌握光固化3D打印（SLA）的核心工艺参数（层厚、曝光时间、剥离速度）

理解分层厚度-打印精度-速度的三角关系

辨识支撑结构对复杂模型打印的影响（悬空结构需添加支撑）

技能目标

能操作SLA打印机完成简单模型打印（如立方体、齿轮）

运用切片软件（如ChiTubox）设置工艺参数

分析打印失败案例（如层间剥离断裂、细节丢失）

工程思维

培养设计-打印-