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文檔簡介
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。為滿足功能件對強度、精度等的較高要求,開發(fā)和研究高性能高分子成形材料至關(guān)重要。在這方面,國外少數(shù)公司已開發(fā)出自己的產(chǎn)品,而國內(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),對高分子材料的選擇性激光燒結(jié)機理、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。 通過對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)機理。非結(jié)晶聚合物的激光燒結(jié)是粘性流動機制,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,通過添加穩(wěn)定劑、分散劑、潤滑劑、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)、特性粘度和白度測定等方法研究了尼龍12 的熱降解動力學(xué)和熱降解及熱氧降解機理。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間的增加而降低,白度隨氧化時間的變化更敏感且測量方便,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)件強度很低,不能直接用作功能件。PC 燒結(jié)件經(jīng)過環(huán)氧樹脂處理后,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 過程中易發(fā)生翹曲變形,通過嚴(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題??疾炝思す夤β省呙杷俣?、單層層厚等工藝參數(shù)對尼龍12 燒結(jié)件強度的影響,在優(yōu)化的工藝條件下,制備出拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度分別達(dá)到44Mpa 、50.8Mpa 、37.2KJ/M 2 的燒結(jié)件。 研究了玻璃微珠、硅灰石、滑石粉等無機填料對尼龍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。呈針狀的硅灰石對燒結(jié)材料有較好的補強作用,使燒結(jié)件的拉伸強度、彎曲強度及模量顯著提高?;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,但使沖擊強度明顯下降。 將有機累托石與尼龍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 )等手段對燒結(jié)件的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,并對其力學(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,有機累托石含量為5wt﹪時,復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度分別提高了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。 本文的研究為開發(fā)具有我國自主知識產(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
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