高性能FDM 3D打印耗材制備與性能研究.pdf

1、3D打印技術(shù)，屬于快速成型技術(shù)的一種，被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)之一。3D打印材料是影響3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵因素。本文以聚乳酸（PLA）和聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）為主要研究對(duì)象，針對(duì)其各自在3D打印方面存在的缺點(diǎn)，利用物理共混方法對(duì)其進(jìn)行改性，在克服其一系列缺點(diǎn)的同時(shí)使其更加適用于熔融沉積成型3D打印機(jī)。根據(jù)PLA和ABS各自的缺點(diǎn)，分別選取合適的助劑及含量，例如增韌劑、成核劑、抗水解劑以及玻璃纖維等，利用

2、雙/單螺桿共混技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改性，并對(duì)改性后的材料進(jìn)行一系列測(cè)試表征，包括差示掃描量熱法，熔融指數(shù)、凝膠滲透色譜法、熱變形溫度、力學(xué)性能、線膨脹系數(shù)等，同時(shí)將改性后的絲材在3D打印機(jī)上進(jìn)行材料的適用性驗(yàn)證以評(píng)估改性效果和確定最終產(chǎn)品的改性配方。
　　針對(duì)PLA改性體系，研究發(fā)現(xiàn)，添加10份反應(yīng)性彈性體乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚物(PTW)對(duì)其進(jìn)行增韌改性時(shí)，PTW與PLA具有較好的相容性，沖擊強(qiáng)度增幅可達(dá)到72.6％

3、，且PTW/PLA體系的流動(dòng)性較好，進(jìn)行3D打印測(cè)試時(shí)，打印過(guò)程順利，打印制品表面光滑、無(wú)毛刺。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同的打印方向?qū)τ跇悠返木€膨脹系數(shù)具有不同影響，采用水平（X向）成型具有較小的線膨脹系數(shù)。PLA的耐熱改性實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)添加1.0份成核劑TMP3000改性，PLA的結(jié)晶度可以達(dá)到純PLA的9倍，這主要是因?yàn)槌珊藙┑募尤肽軌驗(yàn)轶w系提供大量的晶核，加快晶核形成速率，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)體系的結(jié)晶速率。熱變形溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱變形溫度提高最為明

4、顯的為PLA/1.0份成核劑體系，增幅約為8℃將樣品進(jìn)行恒溫處理后，添加成核劑的改性PLA熱變形溫度值變化較大；PLA/1.0份成核劑體系的熱變形溫度能夠達(dá)到129.3℃。添加1.0份成核劑改性PLA體系的拉伸和沖擊性能都有所提升。PLA由于分子鏈中長(zhǎng)支鏈少，熔體強(qiáng)度特別低，成型過(guò)程只能在很窄的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)采用新型聚合型環(huán)氧官能化擴(kuò)鏈劑TMP6000對(duì)聚乳酸進(jìn)行熔融擴(kuò)鏈改性以提高其熔體強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)鏈劑的添加對(duì)于整體體

5、系的分子量大小，結(jié)晶度、熔體強(qiáng)度、熔融指數(shù)、力學(xué)性能以及打印性能都具有一定的影響，綜合整體熱性能、結(jié)晶性能、流動(dòng)性能、熔體強(qiáng)度以及力學(xué)性能考慮，擴(kuò)鏈劑TMP6000的添加最佳添加量為0.2份。PLA分子中存在酯鍵，容易引起PLA在加工中或者在含水環(huán)境下發(fā)生水解，使得材料性能有所下降。本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)采用抗水解穩(wěn)定劑TMP2000對(duì)聚乳酸進(jìn)行抗水解改性研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn) TMP2000抗水解穩(wěn)定劑能夠有效的抑制 PLA的水解作用，最佳添加量

6、為1.0份。通過(guò)對(duì)聚乳酸進(jìn)行的增韌、成核、擴(kuò)鏈及抗水解改性研究，確定了每種改性體系的最優(yōu)含量比，在前幾次改性體系的基礎(chǔ)之上，通過(guò)選取最優(yōu)助劑及最優(yōu)比以確定最終的改性PLA配方。將本實(shí)驗(yàn)得到的改性PLA絲材與市場(chǎng)上常用的幾種3D打印PLA絲材進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改性PLA絲材具有更高的拉伸強(qiáng)度、結(jié)晶度、耐熱性及抗水解性；韌性優(yōu)于易生絲材，但相比聚復(fù)絲材仍有不足，屬于一種綜合性能更好的3D打印絲材。
　　針對(duì)ABS改性體系，研究發(fā)現(xiàn)，就拉伸