浸潤劑的制備及對(duì)3D打印產(chǎn)品力學(xué)性能的影響

李在興，李 麗

（哈爾濱化工研究所，哈爾濱 150020）

浸潤劑的制備及對(duì)3D打印產(chǎn)品力學(xué)性能的影響

李在興，李 麗

（哈爾濱化工研究所，哈爾濱 150020）

以環(huán)氧樹脂和丙烯酸酯類單體為主要原料制備了兩種用于3D打印產(chǎn)品的浸潤劑。用兩種浸潤劑和石蠟對(duì)3D打印的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）試樣進(jìn)行了處理，研究了浸潤劑對(duì)PMMA力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，反應(yīng)型浸潤劑對(duì)選擇性激光燒結(jié)和噴墨砂型打印的產(chǎn)品有明顯的增強(qiáng)作用，環(huán)氧浸潤劑處理的產(chǎn)品經(jīng)后處理后力學(xué)性能優(yōu)于丙烯酸浸潤劑處理的產(chǎn)品，黏度對(duì)環(huán)氧浸潤劑的增強(qiáng)效果有較大影響。

浸潤劑；3D打??；環(huán)氧樹脂；丙烯酸

3D打印技術(shù)是近年來快速發(fā)展的一種累積成型技術(shù)，主要包括了熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、光固化立體造型（SLA）以及噴墨砂型打?。˙JT）等方法［1，2］。它在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、機(jī)械制造、包裝工程等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增加［3－6］。與鑄造、鍛壓、切削等傳統(tǒng)的材料成型方法相比，3D打印技術(shù)具有節(jié)約原料、設(shè)備簡(jiǎn)單、快速方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是在制造批次較少、構(gòu)型復(fù)雜的產(chǎn)品時(shí)有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，因此越來越受到人們的關(guān)注。

SLS技術(shù)和BJT技術(shù)的成型機(jī)理比較相似，都是在工作臺(tái)上平鋪一層厚度均勻的粉末材料，用激光燒結(jié)或者黏合劑黏接的原理將成型區(qū)域里的粉末固定在一起，然后降低工作臺(tái)重新鋪放粉末材料，重復(fù)累積直至產(chǎn)品完全成型。這兩種技術(shù)可以用于金屬、陶瓷、熱塑性聚合物等多種材料的快速成型，適用性廣泛，在3D打印技術(shù)中比較突出。但是，由于粉末材料粒徑、黏合劑黏度及浸潤性等因素的影響，產(chǎn)品可能存在表面粗糙，結(jié)構(gòu)松散等缺點(diǎn)，導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度較低［7－8］。因此，用浸潤劑對(duì)SLS技術(shù)和BJT技術(shù)成型的產(chǎn)品進(jìn)行表面處理，填充產(chǎn)品空隙是十分重要的。

本文制備了環(huán)氧浸潤劑和丙烯酸浸潤劑，使用兩種浸潤劑及石蠟對(duì)BJT技術(shù)打印的PMMA試樣進(jìn)行處理，考察浸潤劑對(duì)3D打印產(chǎn)品力學(xué)

性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器

環(huán)氧樹脂LY1564、環(huán)氧固化劑AD3486，工業(yè)級(jí)，廣州立汰化工有限公司；丙烯酸，甲基丙烯酸，甲基丙烯酸甲酯，乙酸乙酯，乙酸己酯，正己醇，過氧化苯甲酰，均為化學(xué)純?cè)噭?，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；石蠟，熔點(diǎn)53～57℃，Sigma-Aldrich公司。

NDJ－1旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)，上海精密儀器儀表有限公司；WDW－10電子萬能試驗(yàn)機(jī)，XJJ－5沖擊試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南新時(shí)代試金儀器有限公司；DZF－6020真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試樣用平均粒徑為50 μm 的PMMA粉末打印，由吉林工業(yè)大學(xué)提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 環(huán)氧樹指型浸潤劑制備

取一定量的LY1564環(huán)氧樹脂和乙酸乙酯、乙酸己酯混合溶劑在25℃下攪拌2 h，將25%（相對(duì)于環(huán)氧樹脂質(zhì)量）的AD3486固化劑加入到溶液中攪拌均勻，取少量樣品測(cè)試其黏度，并將環(huán)氧樹脂溶液倒入液體池中，PMMA試樣放入溶液中浸泡15 min后取出，在60℃的真空干燥箱中烘干6 h。

1.2.2 丙烯酸酯類浸潤劑的制備

將30 mL丙烯酸、210 mL甲基丙烯酸和90 mL甲基丙烯酸甲酯與一定量的乙酸乙酯、正己醇混合溶劑在25℃下攪拌0．5 h，緩慢加入9．5 g過氧化苯甲酰并繼續(xù)攪拌，測(cè)試丙烯酸溶液黏度，待溶液黏度大約為130 mPa·s時(shí)倒出溶液并浸泡PMMA試樣15 min，在60℃的真空干燥箱中烘干6 h。

將上述兩種PMMA試樣浸泡在加熱到60℃融化的石蠟中15 min，取出后晾干。

1.3 性能測(cè)試

在WDW－10電子萬能試驗(yàn)機(jī)上分別按照GB／T1040—2006和GB／T9431—2008測(cè)試PMMA試樣的拉伸性能和彎曲強(qiáng)度，試樣的沖擊強(qiáng)度按照GB／T1843—2008標(biāo)準(zhǔn)方法在XJJ－5沖擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧浸潤劑黏度對(duì)PMMA試樣力學(xué)性能的影響

2.1.1 拉伸性能

用環(huán)氧浸潤劑浸泡的PMMA試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率列于表1。未經(jīng)浸潤劑處理的PMMA試樣的拉伸強(qiáng)度為4．8 MPa，而斷裂伸長(zhǎng)率也僅為3．6%。從表1中看出，用環(huán)氧浸潤劑處理過的PMMA試樣的拉伸性能均得到改善，特別是斷裂伸長(zhǎng)率顯著增加2．1倍，證明浸潤劑能增強(qiáng)PMMA粉末之間的連續(xù)性。但是當(dāng)浸潤劑的黏度大于128 mPa·s以后，材料的拉伸性能反而有少許的減弱，可能是體系黏度增加后環(huán)氧分子的滲透能力受到抑制，試樣內(nèi)部缺少活性單體的交聯(lián)。

表1 環(huán)氧浸潤劑浸泡的PMMA的拉伸性能Table 1 Tensile properties of epoxy impregnated PMMA infiltration of agents

2.1.2 彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度

經(jīng)環(huán)氧浸潤劑處理的PMMA試樣的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度隨浸潤劑黏度變化的趨勢(shì)如圖1所示。與黏度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響類似，浸潤劑處理后試樣的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都有明顯的提高，最大值比處理前分別增加了128．5%和162．5%?？赡苁窃嚇颖砻姹唤檮┩耆残纬梢粋€(gè)環(huán)氧殼體，具有更好的抗彎能力，所以彎曲強(qiáng)度隨浸潤劑黏度一直增加。而沖擊性能對(duì)材料的結(jié)構(gòu)缺陷更加敏感，所以浸潤劑滲透性減弱后PMMA的沖擊強(qiáng)度降低。

圖1 浸潤劑黏度對(duì)PMMA試樣彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響Figure 1 Effect of viscosity of infiltrations on the flexural strength and impact strength of PMMA samples

2.2 浸潤劑種類對(duì)PMMA試樣力學(xué)性能的影響

表2列出了3種不同種類浸潤劑處理之后的PMMA試樣的力學(xué)性能。從2.1中環(huán)氧浸潤劑處理的PMMA試樣力學(xué)性能可知，環(huán)氧浸潤劑的黏度大約在125～155 mPa·s時(shí)PMMA的力學(xué)性能較好，因此，選取黏度為130 mPa·s的丙烯酸浸潤劑進(jìn)行比較。從兩種浸潤劑處理之后PMMA試樣的力學(xué)性能來看，丙烯酸浸潤劑對(duì)材料的增強(qiáng)能力與環(huán)氧浸潤劑相比有較大差距，可能是丙烯酸浸潤劑由高揮發(fā)性的小分子組成，在后處理時(shí)活性單體損耗較多所致。

表2 不同浸潤劑處理的PMMA試樣的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of PMMA samples treated with different infiltrations

石蠟是用物理方法對(duì)PMMA試樣的表面進(jìn)行修飾，對(duì)材料的力學(xué)增強(qiáng)效果幾乎可以忽略不計(jì)，說明增強(qiáng)PMMA試樣的主要因素是試樣表面及滲透進(jìn)入內(nèi)部的活性單體的交聯(lián)反應(yīng)。

3 結(jié)論

1）環(huán)氧樹脂、丙烯酸等反應(yīng)型浸潤劑可以滲透進(jìn)入用SLS和BJT技術(shù)打印產(chǎn)品的內(nèi)部，并發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而提高3D打印產(chǎn)品的力學(xué)性能。石蠟以物理方式對(duì)材料表面進(jìn)行修飾，幾乎沒有增強(qiáng)效果。

2）黏度對(duì)浸潤劑的增強(qiáng)作用有較大影響，本文制備的環(huán)氧浸潤劑的最佳使用黏度是125～155 mPa·s。

3）經(jīng)過烘干、真空干燥等后處理，環(huán)氧樹脂浸潤劑的增強(qiáng)效果優(yōu)于丙烯酸浸潤劑，更適合工業(yè)生產(chǎn)使用。

［1］Lemu H G．Study of Capabilities and Limitations of 3D Printing Technology［J］．AIP Conf Proc，2012，1431： 857-865．

［2］Song M，Park M S，Kim JK，et al．Water-Soluble Binder with High Flexural Modulus for Powder Injection Molding［J］．J Mater Sci，2005，40（5）：1105-1109．

［3］朱偉軍，任科，張征宇，等．基于3D打印的舵面可調(diào)實(shí)用化飛機(jī)風(fēng)洞模型的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］．航空學(xué)報(bào)，2013，32（9）：1-8．

［4］賀超良，湯朝暉，田華雨，等．3D打印技術(shù)制備生物醫(yī)用高分子材料的研究進(jìn)展［J］．高分子學(xué)報(bào)，2013，6：722-732．

［5］張楠，李飛．3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，30（7）：97-99．

［6］喬益民，王家民．3D打印技術(shù)在包裝容器成型中的應(yīng)用［J］．包裝工程，2012，13（22）：68-72．

［7］Vaezi M，Chua C K．Effect of Layer Thickness and Binder Saturation Level Parameters on 3D Printing Process［J］．Int J Adv Manuf Technol，2011，53（1-4）：275-284．

［8］Polzin C，Spath S，Seitz H．Characterization and evaluation of a PMMA-based 3D printing process［J］．Rapid Prototyping J，2013，19（1）：37-43．

Preparation of Infiltrations and their Effect on the Mechanical Properties of PMMA by 3D Printing

LI Zai-xing，LI Li

（Harbin Research Institute of Chemical Industry，Harbin 150020，China）

Infiltrations were prepared with epoxy and acrylic as main raw materials，respectively．PMMA specimens were treated with the infiltrations and wax．The mechanical performances of the infiltrations on PMMA specimens for 3D printing were studied．The results demonstrated that reactive infiltrations could significantly strengthen the products modeling by 3D printing such as SLS and BJT，and the mechanic of PMMA infiltrated with epoxy was better than that of PMMA infiltrated with acrylic after post－processing．Moreover，the viscosity affected the epoxy infiltration visibly．

infiltration；3D printing；epoxy；acrylic；strengthen

TQ323

A

1004-275X（2014）02-0046-03

12．3969／j．issn．1004-275X．2014．02．014

收稿：2013-12-17

李在興（1979-），男，黑龍江人，工程師，主要從事保護(hù)涂料方面的研究工作。