適用于3D打印的工程塑料改性研究

來源：塑料行業(yè)節(jié)能推廣

3D打印技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種可以將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為實(shí)物的創(chuàng)新型加工技術(shù),，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,，3D打印技術(shù)所使用的材料主要是高分子材料,，雖易于加工，但是制品力學(xué)性能較差,，不適用于承受強(qiáng)度和剛度要求高（如汽車,、醫(yī)療器械和家電等）的領(lǐng)域。

因此,，開發(fā)適用于3D打印技術(shù)的材料,、提高材料力學(xué)性能，已成為3D打印技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題,。為了解決這一問題,，通過添加不同的填料或纖維的改性工程塑料應(yīng)運(yùn)而生，可有效改善高分子材料的力學(xué)性能,、擴(kuò)大3D打印技術(shù)打印出制品的應(yīng)用范圍,。

圖源：3D Systems

一、3D打印技術(shù)
目前,，適用于工程塑料的3D打印技術(shù)可以劃分為四種：熔融沉積成型（FDM）,、立體光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和分層實(shí)體制造（LOM）,，其中FDM的應(yīng)用最為廣泛,。

1.FDM技術(shù)簡(jiǎn)介
FDM成型過程主要分為兩部分：擠出過程和沉積過程，即通過噴頭的加熱和壓力,，將熱塑性聚合物擠出,，同時(shí)噴頭沿設(shè)定的軌跡移動(dòng)，逐層堆積二維片層,。FDM技術(shù)因具有成本低,、易操作、適用材料種類多,、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn),，受到廣泛的關(guān)注，相關(guān)研究涉及醫(yī)學(xué),、航空航天,、教學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域,。

FDM技術(shù)

2.FDM技術(shù)的發(fā)展
隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和普及，F(xiàn)DM技術(shù)必將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用,。FDM技術(shù)不僅可以適應(yīng)飛機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀,，提高飛機(jī)的性能和安全性，還可以縮短制造工期,、降低成本,。但是，國(guó)內(nèi)的FDM技術(shù)和設(shè)備仍需進(jìn)一步提高打印的精度,、穩(wěn)定性和可靠性,，以滿足航空航天領(lǐng)域的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

相比于國(guó)外,，國(guó)內(nèi)的FDM技術(shù)仍處于較低的水平,。為了提升制品的性能和品質(zhì)，滿足更多的工業(yè)需求,，國(guó)內(nèi)的FDM技術(shù)不僅需要提高設(shè)備的打印精度，還要提升材料的品質(zhì),，數(shù)據(jù)表明,，國(guó)外打印設(shè)備的價(jià)格是國(guó)內(nèi)的4倍左右，而打印材料卻是國(guó)內(nèi)的10倍以上,。目前,，為了縮小與國(guó)外的差距，國(guó)內(nèi)的許多機(jī)構(gòu)和企業(yè)也正在加大對(duì)FDM技術(shù)的自主研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的力度,。

二,、工程塑料改性技術(shù)
工程塑料具有優(yōu)異的性能，但是工程塑料的材料特性與3D打印的加工工藝間存在著顯著差異,，主要包括以下幾方面：
（1）材料流動(dòng)性差造成打印過程的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性,，影響制品的表面質(zhì)量和尺寸精度。

（2）材料熱降解溫度低,，高打印溫度下影響材料的力學(xué)性能和耐久性,。

（3）材料強(qiáng)度低限制了制品的承載能力和抗沖擊性，影響制品的安全性和可靠性,。

（4）材料不均勻冷卻,，導(dǎo)致制品內(nèi)部應(yīng)力和變形，影響制品的幾何穩(wěn)定性和尺寸精度,。同時(shí),，工程塑料的性能要求往往高于普通塑料。因此,，針對(duì)工程塑料在3D打印中存在的問題,，需對(duì)工程塑料進(jìn)行改性來適應(yīng)3D打印的工藝條件、滿足制品性能需求。

常用的工程塑料改性技術(shù)主要有以下四種：

（1）通過添加潤(rùn)滑劑,、無機(jī)填料,、粉體表面包覆劑等物質(zhì)，來增加工程塑料流動(dòng)性和加工性的流動(dòng)性改性,。

（2）通過添加玻璃纖維,、金屬纖維、木質(zhì)纖維等補(bǔ)強(qiáng)材料,，來提高工程塑料剛度和強(qiáng)度,，使工程塑料適應(yīng)3D打印的高溫高壓條件的增強(qiáng)改性。（3）通過使用合適的成核劑,、復(fù)合不同熱容的金屬等手段,，來加快工程塑料凝固速度并降低殘余應(yīng)力的快速凝固改性。

（4）通過賦予塑料一些特殊功能（如導(dǎo)電,、導(dǎo)熱,、自修復(fù)、生物相容等）來拓寬工程塑料在3D打印制 造領(lǐng)域的應(yīng)用范圍和潛力的功能化改性,。

綜上所述,，工程塑料改性技術(shù)能夠提升工程塑料的性能、擴(kuò)展其更廣泛的應(yīng)用,，能夠?yàn)?D打印提供更多的選擇和創(chuàng)新,，進(jìn)一步拓展3D打印在更多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

三,、3D打印常用工程塑料改性
1.ABS改性
ABS是一種常用熱塑性高分子材料,，具有強(qiáng)度高、韌性好和易加工成型等優(yōu)點(diǎn),，為了進(jìn)一步提高ABS的性能,，常需對(duì)其進(jìn)行改性處理。

圖源：奇美

陳俊宇等基于FDM技術(shù),，利用ABS材料打印了燃?xì)廨喨~片模型,，使用該模型能夠在8h內(nèi)制造出燃?xì)廨啓C(jī)的金屬葉片，解決了傳統(tǒng)制造方法存在的繁 瑣,、耗時(shí)和高成本等問題,。這一成果歸功于改性工程塑料在FDM技術(shù)中的應(yīng)用。

玻璃纖維是一種常用的增強(qiáng)材料,，可以改善ABS的強(qiáng)度,、硬度和耐久性。在3D打印汽車零部件的應(yīng)用中,，玻璃纖維增強(qiáng)ABS復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能,，打印出的配件更加堅(jiān)固和耐用,。

有機(jī)蒙脫土（OMMT）是一種有效的ABS改性劑，可以顯著提高材料的力學(xué)性能和耐熱性能,，所制備出的ABS/OMMT納米復(fù)合材料具有更高的拉伸彈性模量,、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量和儲(chǔ)能模量,，而且線性熱膨脹率和熱重?fù)p失都明顯降低,。

氮化硼（BN）是一種高導(dǎo)熱性的陶瓷材料，也可以用來改性ABS,，形成具有方向性導(dǎo)熱特性的ABS/ BN復(fù)合材料,。這種方向性導(dǎo)熱特性使其可以更廣泛地應(yīng)用在電子器件和熱管理設(shè)備中，拓展ABS在3D打印制造領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,。

圖源：博華斯納米

ABS塑料不僅具有良好的耐變形性和耐腐蝕性,，而且具有較高的耐熱性能。但是,，在高溫打印過程中,，仍會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)性變差的現(xiàn)象，導(dǎo)致打印出的配件質(zhì)量不佳,�,；�石粉和云母粉等是具有高流��(dòng)性的材料，作為添加劑改性ABS后,，能夠有效降低其熔體黏度和熱應(yīng)力，改善其流變性能,，從而提高打印過程中的流動(dòng) 性和打印出的配件質(zhì)量,。同時(shí)，滑石粉和云母粉等還能進(jìn)一步提升ABS的剛度和耐熱性,，提高其在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定性,。

圖源：聯(lián)合微粉

苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物也是一種能夠降低ABS黏度、提高其流動(dòng)性和加工性能的改性劑,。同時(shí),，還能夠增強(qiáng)ABS的韌性和耐熱性，提高其在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定性,，能有效減少打印過程中的缺陷,，提高打印出的配件的質(zhì)量和美觀度。

周明安等制備出了ABS/nano-TiO2復(fù)合材料,。這種復(fù)合材料經(jīng)過3D打印成型后,，不僅能保持ABS的各項(xiàng)主要性能參數(shù)穩(wěn)定，還增加了ABS的力學(xué)性能,，表現(xiàn)出更好的強(qiáng)度和韌性,。

以上改性為ABS的應(yīng)用提供了更廣闊的前景,，也為多個(gè)領(lǐng)域的3D打印提供了更加優(yōu)異的材料選擇。

2.PA改性
聚酰胺（PA）是一種高性能工程塑料,，因具有強(qiáng)度高,、柔韌性好、熱變形溫度高和收縮率小等優(yōu)點(diǎn),，在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用,。與 ABS 相比，PA的韌性更好,，沖擊強(qiáng)度也更高,，在3D打印中的應(yīng)用也 日益受到重視。

方亮等使用溶劑沉淀法制備了適用于3D打印的PA6/PA12復(fù)合粉末,，測(cè)試結(jié)果表明,， PA12 的加入能有效降低PA6的燒結(jié)溫度，擴(kuò)大燒結(jié) 溫度窗口,，利于3D打印,。

同時(shí)，通過改性還能增強(qiáng)PA的力學(xué)性能,，進(jìn)一步拓寬應(yīng)用范圍,。張正義等利用固相剪切加碾磨的方法制備了PA12/MWCNTs復(fù)合粉體材料，拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度明顯提高,。

3.PEEK改性
特種塑料PEEK是一種高性能的聚合物材料,，因具有耐高溫、耐磨損,、尺寸穩(wěn)定,、電絕緣和生物相容等優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在3D打印技術(shù)中具有巨大的潛力和研究?jī)r(jià)值,，尤其在航空航天,、汽車、醫(yī)療等高端領(lǐng)域,。

PEEK材料可用于制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件和功能件,，隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，PEEK材料在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用也呈現(xiàn)出多樣化和廣泛化的發(fā)展趨 勢(shì),。歐洲航天局利用PEEK材料3D打印了小衛(wèi)星的零部件,。

雖然PEEK具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，但是其熔點(diǎn)和黏度較高,，難以用傳統(tǒng)的3D打印機(jī)進(jìn)行打印,。基于此,，戴京提出了一種新型的3D打印方式,，通 過增加正溫度系數(shù)和熱輻射燈,，加速工程塑料的熔融 過程，并優(yōu)化對(duì)了打印參數(shù),。結(jié)果表明,，新方式能夠打印出PEEK材料，并發(fā)現(xiàn)進(jìn)料速度對(duì)制品的填充率有明顯影響,。此研究為特種工程塑料在3D打印技術(shù)中使用提供了一種可行的方案,，有助于促進(jìn)工程塑料在3D打印領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)
3D打印工程塑料改性技術(shù)的研究和發(fā)展具有重要的意義,，通過改善材料的力學(xué)性能,、耐熱性能、耐腐蝕性能和導(dǎo)電性能等,，拓寬3D打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用,，提高3D打印產(chǎn)品的功能和質(zhì)量。但是,，3D打印工程塑料改性技術(shù)仍然存在一些問題和挑戰(zhàn),，如改性效果不穩(wěn)定、改性機(jī)理不清晰,、改性成本較高等,， 需要進(jìn)一步的研究和探索。

參考資料：陳函,、李明謙《適用于3D打印的工程塑料改性研究進(jìn)展》,，橡塑技術(shù)與裝備，2023年.10期