選擇性激光燒結(jié)高分子材料及其制件性能研究.pdf

1、選擇性激光燒結(jié)（Selective laser sintering, SLS ）是一種以激光為熱源燒結(jié)粉末材料成形的快速成形技術(shù)。用高分子材料制作功能件是SLS 技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。為滿足功能件對(duì)強(qiáng)度、精度等的較高要求，開(kāi)發(fā)和研究高性能高分子成形材料至關(guān)重要。在這方面，國(guó)外少數(shù)公司已開(kāi)發(fā)出自己的產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)，由于研究起步較晚，尚未研制出能制作功能件的高分子成形材料。本文以開(kāi)發(fā)用于制作塑料功能件的SLS 高分子材

2、料為研究目標(biāo)，對(duì)高分子材料的選擇性激光燒結(jié)機(jī)理、配方組成、制備方法、燒結(jié)工藝及燒結(jié)件性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 通過(guò)對(duì)激光作用下不同高分子材料燒結(jié)行為的研究分析，揭示出非結(jié)晶聚合物和 結(jié)晶聚合物具有不同的激光燒結(jié)機(jī)理。非結(jié)晶聚合物的激光燒結(jié)是粘性流動(dòng)機(jī)制，表觀粘度是影響燒結(jié)速度的主要因素，由于非結(jié)晶聚合物在玻璃化溫度Tg 下的表觀粘度很大，而激光作用的時(shí)間又極短，因此，難以制得致密的燒結(jié)件。結(jié)晶聚合物在激光燒結(jié)時(shí)的預(yù)熱溫度可接近熔融溫

3、度Tm ，其燒結(jié)是一種熔融-固化機(jī)制，在激光照射的區(qū)域，粉末顆粒完全熔融，因此結(jié)晶聚合物經(jīng)SLS 成形可制得致密的燒結(jié)件。 研究了SLS 高分子材料配方，選用聚碳酸酯（Polycarbonate, PC ）和尼龍12 作為高分子基體材料，通過(guò)添加穩(wěn)定劑、分散劑、潤(rùn)滑劑、填充劑等助劑改善高分子粉末的SLS 工藝和燒結(jié)件性能。采用掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscopy,SEM ）對(duì)高分子粉末燒結(jié)材料

4、的形態(tài)和大小進(jìn)行了表征，測(cè)定了燒結(jié)材料的表觀密度和白度。 采用質(zhì)譜-氣相色譜（Gas-chromatography Mass-spectrometer, GC-MS ）、熱失重（Thermogravimetry,TG ）、紅外光譜(Infrared spectrum, IR)、特性粘度和白度測(cè)定等方法研究了尼龍12 的熱降解動(dòng)力學(xué)和熱降解及熱氧降解機(jī)理。結(jié)果表明尼龍12 熱降解活化能很高，熱穩(wěn)定性良好，但在空氣中易發(fā)生氧化降解。

5、采用降低氧濃度、加抗氧劑等方法能有效抑制尼龍12 燒結(jié)材料的熱氧化。尼龍12 燒結(jié)材料的白度和特性粘度均隨氧化時(shí)間的增加而降低，白度隨氧化時(shí)間的變化更敏感且測(cè)量方便，可作為衡量燒結(jié)材料熱氧化程度的指標(biāo)。 研究了激光功率等工藝參數(shù)對(duì)PC 燒結(jié)件密度和力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明優(yōu)化工藝參數(shù)只能在一定范圍內(nèi)提高PC 燒結(jié)件性能，PC 燒結(jié)件強(qiáng)度很低，不能直接用作功能件。PC 燒結(jié)件經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂處理后，其力學(xué)性能大幅度提高，可用作性能

6、要求不太高的功能件。 以尼龍12 為基體的燒結(jié)材料在SLS 過(guò)程中易發(fā)生翹曲變形，通過(guò)嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度、激光功率等燒結(jié)條件較好的解決了翹曲變形問(wèn)題。考察了激光功率、掃描速度、單層層厚等工藝參數(shù)對(duì)尼龍12 燒結(jié)件強(qiáng)度的影響，在優(yōu)化的工藝條件下，制備出拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到44Mpa 、50.8Mpa 、37.2KJ/M 2 的燒結(jié)件。 研究了玻璃微珠、硅灰石、滑石粉等無(wú)機(jī)填料對(duì)尼龍12 燒結(jié)工藝和燒結(jié)件性能的

7、影響規(guī)律，結(jié)果表明添加玻璃微珠的尼龍12 粉末預(yù)熱溫度范圍較寬、流動(dòng)性好，燒結(jié)工藝性良好，燒結(jié)件的力學(xué)性能好、尺寸精度高，但玻璃微珠對(duì)尼龍12 的熱氧化有促進(jìn)作用，加劇尼龍12 的氧化變色。呈針狀的硅灰石對(duì)燒結(jié)材料有較好的補(bǔ)強(qiáng)作用，使燒結(jié)件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及模量顯著提高?；蹌t有助于提高燒結(jié)件的外觀質(zhì)量。填料使燒結(jié)件的熱變形溫度顯著提高，但使沖擊強(qiáng)度明顯下降。 將有機(jī)累托石與尼龍12 的混合粉末進(jìn)行SLS 成形，利用X-射

8、線衍射（X-raydiffraction, XRD ）、差示掃描量熱分析（Differential scanning calarimetry, DSC ）、掃描電鏡（SEM ）、透射電鏡（Transmission electron microscopy, TEM ）等手段對(duì)燒結(jié)件的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并對(duì)其力學(xué)性能及熱性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，尼龍12 在激光燒結(jié)過(guò)程中插入到累托石層間，形成了尼龍12/累托石納米復(fù)合材料，這是一種靜態(tài)的

9、聚合物熔融插層；復(fù)合材料的力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性能同尼龍12 燒結(jié)件相比均有不同程度的提高，有機(jī)累托石含量為5wt﹪時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別提高了14.3﹪、22.8﹪和40.3﹪，熱分解溫度提高了27 ℃，熱變形溫度提高68 ℃以上。因此尼龍12/累托石復(fù)合材料可制備性能要求較高的功能件。 本文的研究為開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能SLS 高分子材料打下了基礎(chǔ)，所研制的幾種SLS 高分子材料可滿足制作塑料功