甲基丙烯酰基改性的二氧化硅纳米颗粒会改变3D打印光敏树脂的硬度，但会降低其抗弯强度

《Advances in Materials Science and Engineering》：Methacryloyl-Modified Silica Nanoparticles Vary the Hardness but Reduce the Flexural Strength of 3D-Printed Photopolymer Resins

光固化树脂通过添加甲酰氧基改性二氧化硅纳米颗粒（MSNs）进行增强，发现30% MSNs组显著提升表面动态硬度和弹性模量，但导致弯曲强度和模量下降，表面出现裂纹。黏度随填充量增加而显著升高，影响打印过程和结构完整性。需根据应用需求（如咬合修复需高硬度、牙具需柔韧性）优化填料浓度。

　　这项研究探讨了在立体光刻（SLA）三维打印用光固化树脂中添加甲基丙烯酸酯改性的二氧化硅纳米颗粒（MSNs）对其机械性能的影响。研究的主要目标是评估不同纳米颗粒含量对材料表面硬度和弯曲性能的具体影响，并进一步分析这些性能之间的差异，以期为实际应用中材料的选择和优化提供科学依据。研究采用了商业化的透明SLA光固化树脂作为基材，并通过将MSNs以5%、10%和30%的重量百分比进行混合，制备了三种复合材料，分别标记为SN-5%、SN-10%和SN-30%。同时，还制备了一个未添加纳米颗粒的对照组（SN-0%），以便进行对比分析。

研究团队通过动态微压痕测试和三点弯曲测试对材料的机械性能进行了系统的评估。这些测试方法分别用于测量表面硬度和弹性模量以及弯曲强度和弯曲模量。结果显示，随着纳米颗粒含量的增加，表面硬度和弹性模量显著提高，尤其是30%的纳米颗粒添加量。然而，弯曲强度和弯曲模量则呈现出相反的趋势，即随着纳米颗粒含量的增加而明显下降。特别是30%纳米颗粒含量的样品，其弯曲性能显著低于其他组别，这一现象可能与材料在加工过程中形成的结构缺陷有关。

从表面图像分析来看，30%纳米颗粒含量的样品表面出现了细小的裂纹，而其他组别则保持了较为光滑的表面。这一结果提示我们，虽然纳米颗粒在提高材料表面硬度方面具有显著作用，但其高含量会导致材料的加工性能下降，从而在打印过程中形成结构缺陷。这可能是由于高浓度的纳米颗粒会显著增加悬浮液的粘度，使得树脂在打印过程中难以均匀流动和覆盖，进而影响最终成型材料的质量。

粘度的变化是研究中一个重要的发现。实验结果显示，随着纳米颗粒添加量的增加，悬浮液的粘度也随之上升。特别是在30%纳米颗粒含量的情况下，粘度增加尤为明显。高粘度在SLA打印过程中可能带来一系列问题，例如树脂在打印层之间流动不畅、无法形成均匀的涂层，从而在最终材料中留下物理缺陷。这些缺陷在受到外力作用时，可能成为应力集中点，导致材料在实际使用中发生断裂或损坏。

此外，研究还采用了灰化技术来验证实际的纳米颗粒含量是否与预期相符。该技术通过高温处理将树脂基体完全燃烧掉，从而仅留下纳米颗粒。实验结果表明，所有样品组的实际纳米颗粒含量均与设定的添加比例相符，这说明在材料制备过程中，纳米颗粒的分散是均匀且可控的。然而，尽管纳米颗粒的含量得到了保证，其对材料整体性能的影响仍然呈现出复杂性，特别是在弯曲性能方面。

从动态微压痕测试的结果来看，表面硬度和弹性模量在30%纳米颗粒添加量时达到最高。这一现象可以归因于纳米颗粒的高硬度特性以及其在材料中的高体积分数。随着纳米颗粒含量的增加，材料的表面结构变得更加致密，从而提升了其表面硬度。然而，当纳米颗粒含量增加到一定程度时，其对材料整体性能的负面影响变得明显。弯曲强度和弯曲模量的下降可能与纳米颗粒在树脂基体中的分散状态以及它们与基体之间的界面相互作用有关。

弯曲强度的下降表明，虽然纳米颗粒能够提高材料的硬度，但它们的高含量可能削弱了材料的整体结构完整性。这一现象可能与纳米颗粒之间的聚集现象有关，因为高浓度的纳米颗粒更容易形成团聚，从而在材料中产生应力集中点。这些应力集中点在受到外力作用时，容易成为裂纹的起点，进而影响材料的抗弯能力。因此，尽管纳米颗粒在提高表面硬度方面表现出色，但它们对材料整体机械性能的负面影响同样不可忽视。

为了进一步理解这一现象，研究团队还分析了不同组别样品的机械性能变化趋势。结果显示，表面硬度和弹性模量随着纳米颗粒含量的增加而呈现上升趋势，而弯曲强度和弯曲模量则表现出下降趋势。这种性能上的分歧说明了在材料设计中需要对纳米颗粒的添加量进行精确控制，以达到最佳的综合性能。在某些应用场景中，如需要高硬度和耐磨性的咬合修复体，可以考虑使用较高浓度的纳米颗粒；而在需要良好柔韧性和抗断裂能力的材料，如牙托基板，则应选择较低的纳米颗粒添加量。

研究还指出，尽管纳米颗粒的添加量在所有样品中都得到了良好的控制，但其对材料加工性能的影响仍然值得关注。特别是在SLA打印过程中，高粘度的悬浮液可能影响打印质量，导致结构缺陷的出现。这些缺陷不仅影响材料的表面性能，还可能对整体机械性能产生不利影响。因此，在实际应用中，需要综合考虑材料的机械性能和加工性能，以确保其在使用过程中的稳定性和可靠性。

此外，研究还提到，虽然纳米颗粒的添加在一定程度上提高了材料的表面硬度，但其对材料整体性能的负面影响仍然显著。这表明，在设计和制备这类复合材料时，需要在提高机械性能和维持良好加工性能之间找到一个平衡点。高浓度的纳米颗粒虽然能够增强材料的表面硬度，但可能导致粘度增加，从而影响打印过程的顺利进行。因此，在选择纳米颗粒添加量时，应根据具体的应用需求进行调整，以确保材料既具备所需的机械性能，又能够满足加工过程的要求。

总的来说，这项研究揭示了在SLA打印用光固化树脂中添加纳米颗粒所带来的复杂影响。一方面，纳米颗粒能够显著提高材料的表面硬度和弹性模量，这使其在某些高强度应用中具有优势；另一方面，它们的高含量可能导致材料整体性能的下降，特别是在弯曲性能方面。因此，对于不同的应用场景，应根据所需的机械性能和加工条件选择合适的纳米颗粒添加量。未来的研究可以进一步探讨纳米颗粒的表面改性对界面性能的影响，以及如何通过优化配方来改善材料的综合性能。