Doctoral Thesis

VAT 3D printing of functional nanocomposite materials

Final Thesis 12.57 MB

Author of thesis: Ing. Martina Korčušková, Ph.D.

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. RNDr. Josef Jančář, CSc.

Reviewers: Ing. Mateusz Fijalkowski, Ph.D., doc. Ing. Antonín Minařík, Ph.D.

Abstract:

In recent years, vat 3D printing has emerged as a prominent technique for fabricating complex high-resolution structures. However, the performance of printed components is strongly influenced by the properties of photopolymerizable resins. To address the growing demand for advanced materials with enhanced mechanical, thermal, and other functional properties, nanocomposite resins incorporating metal oxide nanoparticles have been explored. This dissertation investigates the preparation, 3D printing, and performance of nanocomposite photopolymerizable resins reinforced with semiconducting metal oxide nanoparticles, focusing on their impact on the photopolymerization reaction and photoactivity. This study explores the influence of nanoparticles such as ZnO, alumina-doped ZnO, and TiO2 on both free-radical and cationic photoinitiation mechanisms, revealing how nanoparticle concentration, type, and band gap energy affect the monomer conversion and curing efficiency. Different analytical techniques were employed to evaluate the effect of the nanoparticles on the photocuring reaction and its kinetics, with real-time FTIR providing the most reliable results. AZO nanoparticles had a significant positive effect on the photopolymerization of acrylate resin, whereas ZnO nanoparticles did not exhibit similar improvements. TiO2 nanoparticles in anatase and rutile forms were found to influence free-radical polymerization differently, with rutile nanoparticles showing better performance under 405 nm light, while anatase nanoparticles performed better under 365 nm light. In the cationic mechanism, anatase nanoparticles acted as more effective photosensitizers, improving monomer conversion and reaction kinetics. Additionally, the thermomechanical, electrical, and dielectric properties of vat 3D printed nanocomposites were evaluated, highlighting the nanoreinforcement effect and identifying a percolation threshold in electrical properties.
These findings provide valuable insights into the roles of semiconducting metal oxide nanoparticles in photoinitiation and photosensitization, offering guidance for optimizing vat 3D printing processes and enhancing the functionality of 3D printed structures. This dissertation advances the field of vat photopolymerization by contributing to the development of high-performance materials with broad applications across various industries.

Keywords:

Vat 3D printing, stereolithography, photopolymerization, nanocomposite, metal oxide nanoparticles, free-radical photoinitiation, cationic photoinitiation, photosensitization, functional properties, nanoreinforcement

Date of defence

19.11.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertační práce Ing. Korčuškové se zabývá přípravou, 3D tiskem a vlastnostmi nanokompozitních fotopolymerizovatelných pryskyřic vyztužených polovodičovými nanočásticemi oxidů kovů, přičemž se zaměřuje na jejich vliv na fotopolymerizační reakci a fotoaktivitu. Práce zkoumá vliv nanočástic, jako jsou ZnO, ZnO dopovaný Al2O3 a TiO2, na mechanismy radikálové a kationtové fotoiniciace a odhaluje, jak koncentrace, typ a šířka zakázaného pásma nanočástic ovlivňují konverzi monomerů a účinnost vytvrzování. Jedná se o aktuální a vhodně zvolené téma, které reflektuje aktuální potřeby společnosti vztažené na ekologické a udržitelné procesy, mezi které bezesporu aditivní výroba patří. Cíle práce byly splněny. Získané poznatky lze použít pro rozvoj fotopolymeračního 3D tisku umožňujícího přípravu komplexních objektů s unikátními vlastnostmi, které jsou nezbytné pro pokročilé aplikace v elektrotechnice, optice, medicíně a konstrukčních materiálech. V průběhu obhajoby studentka prokázala hluboké vědomosti ve zkoumané problematice o čemž svědčí i její úspěšná publikační činnost. Na dotazy oponentů a členů komise odpověděla výborně a prokázala schopnost samostatně vědecky pracovat.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Advanced Materials and Nanosciences (CEITEC-AMN-CZ-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Mateusz Fijalkowski, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Antonín Minařík, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Jiří Tocháček, CSc. (člen)

Supervisor’s report
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc.

viz posudek v pdf.
File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 206,20 kB

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 2,37 MB

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 161,64 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová