聚乳酸-石墨烯復(fù)合線(xiàn)材制備及熔融沉積打印實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、熔融沉積成型(FDM)是目前應(yīng)用最為廣泛的3D打印技術(shù)，它要求成型線(xiàn)材具有熔融溫度低、黏度低、粘結(jié)性好、收縮率小等特點(diǎn)，聚乳酸（PLA）線(xiàn)材具有良好的生物降解性、兼容性與可加工性，是極具應(yīng)用前景的品種之一，然而，其力學(xué)性能較差、導(dǎo)電性能極弱影響了其工程應(yīng)用范圍。石墨烯具有優(yōu)異的電、熱、磁和力等性能，有望作為聚乳酸線(xiàn)材改性的理想填料。為促進(jìn)FDM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，本課題研究PLA/石墨烯復(fù)合線(xiàn)材制備技術(shù)，并進(jìn)行FDM打印實(shí)驗(yàn)研究。

2、　　采用機(jī)械球磨法制備了PLA/石墨烯復(fù)合微粒，并對(duì)其包覆機(jī)理及其包覆量變化規(guī)律進(jìn)行了研究，在利用熱壓成型法制備聚乳酸/石墨烯復(fù)合試樣的基礎(chǔ)上，分析不同的復(fù)合微粒成型工藝性及電學(xué)、力學(xué)性能。結(jié)果表明：石墨烯包覆過(guò)程分為三個(gè)階段：少量石墨烯時(shí)以機(jī)械咬合的方式填充載粒子表面的凹陷，適量石墨烯時(shí)靜電吸附于載粒子表面逐漸達(dá)到包覆量上限，過(guò)量石墨烯時(shí)填充載粒子間隙甚至溢出；石墨烯的加入使得復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和導(dǎo)電性能顯著提高，且采用較小粒徑的聚乳

3、酸作為載粒子時(shí)，抗彎強(qiáng)度和導(dǎo)電性提升更加明顯，其抗彎強(qiáng)度最高為57.87MPa，比未添加石墨烯提高了114.61％，石墨烯含量為9%時(shí)的電導(dǎo)率可達(dá)到0.202S/cm，當(dāng)石墨烯添加量超過(guò)9%時(shí)，在160℃，6MPa壓力條件下，復(fù)合材料的表面出現(xiàn)裂紋、破碎等嚴(yán)重缺陷，其成型性較差；利用KH-550偶聯(lián)劑事先對(duì)PLA改性，可以提升復(fù)合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能，其中，KH-550與石墨烯添加量分別為1%、5%時(shí)，電導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度分別分別可達(dá)到

4、0.045S/cm、54.282MPa，比未添加偶聯(lián)劑時(shí)的性能分別提高了34.5%、21.9%。
　　研制了PLA/石墨烯復(fù)合線(xiàn)材擠出成型機(jī)，并對(duì)?1.75mm的PLA/石墨烯復(fù)合線(xiàn)材成型工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探索了不同的石墨烯含量對(duì)復(fù)合線(xiàn)材的電導(dǎo)率、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率影響。結(jié)果表明：為了保證線(xiàn)材成型質(zhì)量，避免內(nèi)部產(chǎn)生氣孔，需要對(duì)復(fù)合微粒進(jìn)行60℃下4h烘干處理，為了防止復(fù)合線(xiàn)材扭曲變形，應(yīng)適當(dāng)提高冷卻水溫至40℃；為了控制線(xiàn)徑大

5、小，應(yīng)控制牽引機(jī)構(gòu)輥輪轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、5%、6%時(shí)，輥輪最佳轉(zhuǎn)速分別為12r/min、14或16r/min、16r/min；PLA/石墨烯復(fù)合線(xiàn)材的電導(dǎo)率隨著石墨烯含量的增加而增大，而拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨之減小，當(dāng)石墨烯含量高于3%時(shí)，石墨烯復(fù)合線(xiàn)材的電導(dǎo)率可達(dá)到10-3S/cm，而當(dāng)石墨烯含量為6%時(shí)，其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率僅為36.7MPa和4.6%，低于合格線(xiàn)材的要求，故PLA/石墨烯復(fù)合線(xiàn)材中合適的石

6、墨烯添加量應(yīng)為4~5%。
　　利用FDM成型機(jī)進(jìn)行了3D打印工藝實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比研究了不同的打印溫度、打印速度、打印填充度、打印填充結(jié)構(gòu)對(duì)試樣的電學(xué)性能和力學(xué)性能影響。結(jié)果表明：打印溫度的升高會(huì)對(duì)試樣的電導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度有一定程度的提升；打印速度的增加將導(dǎo)致試樣的電導(dǎo)率減小，抗彎強(qiáng)度增大；打印填充度增加時(shí)試樣的電導(dǎo)率基本保持不變，而抗彎強(qiáng)度逐漸增大；打印填充結(jié)構(gòu)的改變不影響試樣的電導(dǎo)率，但抗彎強(qiáng)度依直線(xiàn)、同心、蜂窩結(jié)構(gòu)的順序逐漸增大；