3Dプリンターの光源スペクトルと光開始剤の選定

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一般に光造形型の3Dプリンターは405 nmの光源を搭載しています

405 nmが何を指しているかと言うと、紫〜青色光のことを意味しています

(光は電磁波であり、400 nm程度の波長であれば紫〜青色光に、800 nm程度の波長であれば赤色光に対応しているということは知っておくと良いでしょう)

つまり、光造形型の3Dプリンターは405 nmという青色光をレジンに照射することによって反応を引き起こし、造形を行っているわけです

ここで、ある3Dプリンターの光源のスペクトルを以下に示します

(このスペクトルは、私が実際に3Dプリンターの光源のスペクトル測定を行うことによって得た光源スペクトルから、それとほぼ同じ形状となるように描きなおしたものです)

このスペクトルにおいて横軸は波長を意味しており、縦軸は強度(または分布)を意味しています

ですので、この光源スペクトルに着目すると、3Dプリンターは405 nmの光に加えて、大体390から430 nmの光もわずかに含んでいるということが分かります

光化学第一法則

光化学第一法則は、「Grotthuss–Draper law」という名前でも知られています

この法則は、「吸収された光だけが、化学反応を起こすことができる」という法則です

裏返して言えば、「光が吸収されなければ、化学反応が起こることはない」ということになります

ここで3Dプリンターの話に戻ります

先ほど、3Dプリンターは390-430 nmの光を含んでいると述べました

ですので、390-430 nmの光を吸収するような光開始剤であれば、化学反応を引き起こすことでレジンを硬化させることができます

このような光開始剤は青色光を吸収するわけですから、見た目としては黄色を呈していることになります

一方、例えば250-330 nmの光しか吸収しないような光開始剤があったならば、それは一般的な3Dプリンターではレジンの硬化を引き起こせないということになります

以下には、適切な光開始剤の吸収スペクトルを、3Dプリンターの発光スペクトルとともに示します(縦軸の強度は適当です)

上図の例では、BAPOという光開始剤の吸収スペクトルを紫色で表示しています

この吸収スペクトルは、光の長波長化に従って吸収能力が低下することを示しているものの、3Dプリンターの光源スペクトルとの間に重なりを有しています

したがって、BAPOという光開始剤は、405 nm光源を有する3Dプリンターで化学反応を開始させられるということが分かります

光開始剤といっても、BAPOだけとは限らず、多様なものが知られています

そこで本記事では、以下に光開始剤の種類と、その吸収能力が最も高くなる波長(λmax)範囲についてまとめました[1]

光開始剤を選定する場合は、用いる光源のピークトップに対応する波長が、可能な限り光開始剤のλmaxと適合することを心がけましょう

1: Benzophenone, 2: Phenyl bis (2,4,5-trimethylbenzoyl) phosphine oxide (BAPO, Irgacure 819), 3: 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl-propan-1-one (Irgacure 1173), 4: 2-hydroxy-4′-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (Irgacure 2959), 5: 2,2′-azobis[2-methyl-n-(2-hydroxyethyl) propionamide] (VA-086), 6: 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (Irgacure 651 or DMPA), 7: Diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide (Darocur TPO or Lucirin TPO), 8: Lithium phenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinate (LAP), 9: Ethyl (2,4,6-trimethylbenzoyl)phenylphosphinate (Lucirin TPO-L).

光開始剤の吸収スペクトルの詳細が気になる方は、以下のSigma aldrichのページなどが参考になると思われます

Photoinitiators – Sigma-Aldrich

特定の化合物のスペクトルを知りたい場合は「化合物の英名 absorbance」というキーワードで検索してみましょう

参考文献

[1] A. Bagheri, J, Jin ACS Appl. Polym. Mater. 2019, 1, 593.

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