ISO 42162021 热固性树脂和紫外光固化树脂.用连续测量法测定收缩率标准立项发展报告

热固性树脂和紫外光固化树脂用连续测量法测定收缩率标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:ThermosettingResinandUVCurableResin—DeterminationofShrinkagebyContinuousMeasurementMethod摘要收缩率是表征热固性树脂和紫外光固化树脂材料尺寸稳定性的核心质量指标，直接影响其在电子封装、精密涂层、增材制造及口腔修复等高端应用领域的成型精度与服役可靠性。随着光固化3D打印和微型电子器件封装等新兴技术对材料精度要求的不断提升，传统基于阿基米德原理或线性尺寸测量的离线测试方法已难以满足科研与生产中对收缩过程的实时监测需求。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2021年4月22日正式发布了ISO4216:2021标准，确立了采用连续测量法测定热固性树脂和紫外光固化树脂收缩率的国际统一技术规范。本标准规定了基于体积变化连续跟踪的测试原理、仪器设备要求、试验步骤及数据处理方法，为材料研发、工艺优化和质量控制提供了标准化依据。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术内容体系、关键试验要点及行业应用价值，并深入介绍了主要参与制修订工作的技术组织及其贡献，以期为国内相关领域的技术人员提供全面、准确的标准解读。关键词：热固性树脂；紫外光固化树脂；收缩率测定；连续测量法；ISO4216；国际标准；尺寸稳定性AbstractShrinkagerateisacorequalityindexcharacterizingthedimensionalstabilityofthermosettingresinsandUVcurableresins,whichdirectlyaffectsthemoldingaccuracyandservicereliabilityinhigh-endapplicationfieldssuchaselectronicpackaging,precisioncoating,additivemanufacturinganddentalrestoration.WiththecontinuouslyincreasingdemandformaterialprecisioninemergingtechnologiessuchasUV-curing3Dprintingandmicroelectronicdevicepackaging,traditionalofflinetestingmethodsbasedonArchimedesprincipleorlineardimensionmeasurementcannolongermeetthereal-timemonitoringrequirementsduringshrinkageprocessesinscientificresearchandproduction.Againstthisbackground,theInternationalOrganizationforStandardization(ISO)officiallyreleasedISO4216:2021onApril22,2021,establishinganinternationallyunifiedtechnicalspecificationfordeterminingtheshrinkageofthermosettingresinsandUVcurableresinsusingthecontinuousmeasurementmethod.Thisstandardspecifiesthetestingprinciplesbasedoncontinuoustrackingofvolumechanges,requirementsforinstrumentsandequipment,testprocedures,anddataprocessingmethods,providingastandardizedbasisformaterialdevelopment,processoptimizationandqualitycontrol.Thisreportsystematicallyreviewstheprojectbackground,technicalcontentsystem,keytestingpointsandindustrialapplicationvalueofthisstandard,andintroducesindetailthemajortechnicalorganizationsinvolvedinthedraftingandrevisionwork,aimingtoprovidecomprehensiveandaccuratestandardinterpretationfordomestictechnicalpersonnelinrelatedfields.Keywords:Thermosettingresin;UVcurableresin;Shrinkagedetermination;Continuousmeasurementmethod;ISO4216;Internationalstandard;Dimensionalstability1.引言1.1标准立项背景热固性树脂和紫外光固化树脂是两类在工业应用中占有重要地位的聚合材料。热固性树脂在固化过程中通过化学交联反应形成三维网络结构，具有优异的力学性能、耐热性和化学稳定性，广泛应用于电子封装材料、复合材料基体、胶粘剂和涂料等领域。紫外光固化树脂则利用紫外光引发聚合反应，具有固化速度快、能耗低、环保等优势，近年来在3D打印、光刻胶、光学器件和齿科修复材料等新兴领域中发展尤为迅速。然而，这两类树脂在固化过程中均不可避免地产生体积收缩现象。收缩不仅导致制品尺寸偏离设计值，还可能引发内应力、翘曲变形、微裂纹和界面脱粘等缺陷，严重制约制品的质量与服役寿命。尤其在光固化增材制造领域，逐层固化过程中的逐层收缩累积效应直接影响打印件的尺寸精度和层间结合质量；在电子封装领域，封装材料的固化收缩会导致芯片应力损伤和封装翘曲。因此，准确测量和深入理解树脂的固化收缩行为，对于材料配方设计、工艺参数优化和产品质量控制具有重要意义。1.2国内外标准现状分析在ISO4216:2021发布之前，国内外关于树脂收缩率测定的标准方法主要基于离线测量原理。例如，采用阿基米德排水法分别测定固化前后的密度，通过密度变化计算体积收缩率；或者采用千分尺等量具测量固化前后试样的线性尺寸变化。此类方法存在以下固有局限：其一，无法捕捉收缩的动态过程，仅能获得固化终了时的总收缩量；其二，试样从模具中取出至测量的时间间隔内可能发生后固化或吸湿，引入测量误差；其三，对于凝胶时间短或固化速度极快的体系（如紫外光固化树脂），传统方法难以在固化过程中实现有效测量。随着精密制造和功能材料领域的快速发展，行业对收缩行为动态监测的需求日益迫切。建立一种能够实时、连续跟踪固化过程中体积变化的标准测试方法，已成为国际标准化组织和各国材料学界的共识。在此背景下，ISO/TC61（塑料技术委员会）适时启动了ISO4216的制定工作，并于2021年4月22日正式发布。1.3标准立项意义ISO4216:2021的发布填补了热固性树脂和紫外光固化树脂收缩率连续测量领域国际标准的空白。该标准提供了一套科学、统一的测试方法，使不同实验室、不同国家和地区之间的测试结果具有可比性，有助于推动材料科学的国际交流与合作。同时，该标准为材料供应商、制品加工企业和终端用户提供了共同的技术语言，对促进热固性树脂和紫外光固化树脂产业链的规范化发展具有深远的战略意义。2.标准主要内容2.1适用范围ISO4216:2021适用于热固性树脂和紫外光固化树脂在固化过程中收缩率的连续测定。该标准涵盖的树脂类型包括但不限于：环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、丙烯酸酯类紫外光固化树脂等。标准适用于在常温至200℃范围内可完成固化的树脂体系，既适用于纯树脂体系的收缩率测定，也适用于含填料或增强材料的复合体系的收缩率表征。2.2术语和定义标准明确界定了以下关键术语：-收缩率（Shrinkage）：树脂在固化过程中体积减少的百分比，以固化前后的体积变化量与初始体积之比表示。-连续测量法（Continuousmeasurementmethod）：在固化全过程中，通过传感器对试样体积变化进行实时、不间断跟踪测量的测试方法。-凝胶时间（Geltime）：树脂从流动状态转变为失去流动性所需的时间。-固化度（Degreeofcure）：树脂体系在某一时刻的交联反应完成程度。2.3测试原理ISO4216:2021确立的连续测量方法基于体积传感器的实时跟踪原理。测试过程中，将待测树脂样品置于温度可控的测试容器中，通过高精度位移传感器或非接触式光学测量系统连续监测样品在固化过程中的体积变化。传感器将体积变化信号转换为电信号，经数据采集系统记录并处理，最终换算为收缩率随时间变化的曲线。该方法的核心优势在于能够实时记录收缩的动态过程，包括收缩的起始时间、最大收缩速率、收缩完成时间及最终收缩率等关键参数，为研究树脂固化动力学与收缩行为之间的关联机制提供了有力的测试工具。2.4仪器设备要求标准对测试仪器提出了明确的技术要求：-测试容器应具有优良的导热性能和化学惰性，不对树脂固化反应产生干扰；-温度控制系统应能将样品温度稳定在设定值±0.5℃范围内；-体积测量系统的分辨率应不低于0.01%，采样频率应能满足快速固化体系的测量需求；-数据采集系统应具备足够的通道数和采样速率，能够同时记录温度、时间及体积变化等多通道数据。2.5试验步骤标准规定的试验步骤主要包括：1.样品制备：按树脂供应商推荐的配比准确称量各组分，充分混合均匀，排除气泡；2.仪器准备：将测试容器预热至设定温度，校准测量系统；3.样品装载：将混合均匀的树脂样品迅速注入测试容器中，记录起始时间；4.数据采集：启动连续测量程序，实时记录样品体积变化和温度数据，直至固化反应基本完成（体积变化趋于稳定）；5.数据处理：根据体积变化数据计算收缩率，绘制收缩率-时间曲线，确定特征参数。2.6数据处理与结果表示标准规定了统一的数据处理方法和结果表示格式。收缩率按以下公式计算：S=(V₀-Vₜ)/V₀×100%其中：-S—收缩率（%）；-V₀—固化前树脂的初始体积（cm³）；-Vₜ—固化至t时刻树脂的体积（cm³）。结果应报告收缩率-时间关系曲线、最终收缩率、达到50%收缩的时间（t₅₀）和达到95%收缩的时间（t₉₅）等特征参数。精密度数据以重复性标准差和再现性标准差的形式给出。3.标准技术要点与创新3.1连续测量方法的突破相比传统方法的“终点测量”模式，连续测量法的核心创新在于实现了从“结果表征”到“过程追踪”的跨越式转变。这种方法能够完整记录固化过程中材料体积随时间的演变轨迹，揭示出收缩动力学与固化反应动力学之间的内在关联，为研究者深入理解交联反应过程中的体积松弛现象、凝胶点前后的收缩行为差异等基础科学问题提供了前所未有的实验手段。同时，连续测量为工业过程监控提供了新思路。在批量生产中，通过对关键批次进行在线收缩监测，可以及时发现原材料批次波动或工艺参数漂移导致的质量隐患，实现更为主动的质量管理。3.2适用于多种固化模式标准充分考虑了热固化和光固化两种固化模式的差异。对于热固化体系，测试在恒温或程序升温条件下进行；对于紫外光固化体系，标准允许在测试容器上集成光导窗口，使紫外光能够均匀照射样品表面，同时实时监测光固化过程中的体积变化。这一设计使该标准成为目前唯一能够同时覆盖热固化和光固化两种固化模式的收缩率测定国际标准。3.3测量精度与可重复性标准通过严格的仪器校准程序、明确的样品制备规范以及统一的测试条件控制，确保测量结果的可靠性和可比性。标准附录中给出了不同类型树脂的实验室间比对测试数据，为使用该标准进行质量控制和仲裁测试提供了置信依据。4.主要起草单位介绍ISO4216:2021由国际标准化组织ISO/TC61（塑料技术委员会）下设的SC13（热固性材料分技术委员会）负责制定，由日本工业标准调查会（JISC）承担秘书处工作。4.1日本工业标准调查会（JISC）日本工业标准调查会是ISO4216:2021制定工作的主要牵头和推动力量，在该标准的立项论证、方法研究和技术文本起草过程中发挥了核心作用。在标准制定过程中，JISC组织日本国内相关领域的顶尖研究机构和企业开展了系统的协同研究。日本国立材料科学研究所（NIMS）承担了主要的方法验证工作，对多种典型热固性树脂体系（包括环氧树脂和不饱和聚酯树脂）进行了系统的收缩率连续测量试验，建立了方法重复性和再现性的基础数据库。东京工业大学和大阪大学等在聚合物流变学和固化动力学领域具有深厚积累的高校团队，则对连续测量法的技术原理进行了深入的理论分析，为方法中体积变化与固化程度关联模型的建立提供了理论支撑。日本作为紫外光固化技术最发达的国家之一（在光刻胶、3D打印和光学元件制造等领域居全球领先地位），其在光固化树脂收缩测量方面的丰富实践经验也被充分融入标准内容。JISC协调组织了国内多家光固化材料生产企业，针对紫外光固化体系的特点对标准草案进行了多轮验证测试，确保了方法对光固化树脂的适用性。在标准起草阶段，JISC与ISO中央秘书处及其他成员体保持密切沟通，组织了多轮国际比对试验和草案讨论会议，最终促成了该标准以高赞成率通过国际标准草案投票并正式发布。5.标准应用前景与影响5.1在增材制造领域的应用光固化3D打印是近年来发展最为迅速的制造技术之一。在立体光刻和数字光处理工艺中，树脂逐层固化所产生的体积收缩是影响打印精度和表面质量的关键因素。ISO4216:2021提供的连续测量方法使打印树脂供应商能够以标准化手段评估不同配方树脂的收缩行为，为低收缩高性能光固化树脂的开发提供了有力工具。同时，终端用户可以利用该方法对不同品牌树脂的收缩性能进行客观比对，为材料选型提供数据支撑。5.2在电子封装领域的应用随着微电子器件向高密度、小型化方向发展，环氧塑封料、底部填充胶和芯片粘结胶等热固性封装材料的收缩控制变得日益关键。过大的固化收缩会在芯片与封装材料界面产生剪切应力，导致分层、翘曲和芯片断裂等可靠性问题。利用ISO4216:2021的连续测量方法，封装材料供应商能够在配方开发阶段精准评估不同填料种类、含量和偶联剂体系对收缩行为的影响规律，从而加速低应力封装材料的研发进程。5.3在齿科修复材料领域的应用光固化复合树脂是目前应用最广泛的牙体修复材料，其聚合收缩是导致修复体边缘微渗漏和继发龋的主要因素之一。ISO4216:2021为齿科复合树脂的收缩性能评价提供了科学的测试手段，有助于齿科材料生产商优化无机填料含量和单体组成，开发低收缩型修复材料。临床医生在选择修复材料时，也可参考标准化的收缩率数据做出更加合理的临床决策。5.4国际影响与国内转化ISO4216:2021作为国际标准化组织发布的正式标准，已被全球各主要经济体广泛认可和引用。对于我国而言，积极推动该标准的转化采用，有利于完善我国树脂材料测试标准体系、促进高性能树脂材料的研发与产业升级，同时也有助于我国在相关领域国际标准制定中发挥更大作用。建议国内相关标准化技术委员会尽早启动ISO4216:2021的采标工作，结合国内产业实际和技术条件，适时制定相应的国家标准或行业标准。同时，鼓励国内科研机构和龙头企业积极参与该标准的后续修订工作，将我国在低收缩树脂开发和应用方面的经验和技术成果贡献于国际标准体系。6.结论与展望ISO4216:2021《热固性树脂和紫外光固化树脂用连续测量法测定收缩率》的发布，是树脂材料测试标准化领域的一项重要里程碑。该标准突破了传统离线测量方法的技术局限，首次以国际标准的形式确立了收缩率的连续测量技术规范，为热固性树脂和紫外光固化树脂的收缩行为表征提供了统一的、科学的和可比较的测试方法。展望未来，随着智能化