松木粉/聚醚砜樹脂復(fù)合材料的制備及選擇性激光燒結(jié)試驗1)

張 慧 郭艷玲 趙德金 于志祥

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (哈爾濱理工大學(xué))

松木粉/聚醚砜樹脂復(fù)合材料的制備及選擇性激光燒結(jié)試驗1)

張 慧 郭艷玲 趙德金 于志祥

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (哈爾濱理工大學(xué))

以松木粉、聚醚砜樹脂為材料，用SHR-10A型高速混合機制備松木粉/聚醚砜樹脂復(fù)合粉末；用HRPS-ⅢA型激光粉末燒結(jié)快速成型機，遴選出復(fù)合粉末可用于選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù)及適宜的預(yù)熱溫度，燒結(jié)成型。測量了不同松木粉質(zhì)量比對復(fù)合粉末力學(xué)性能的影響，觀察并測量了輸入不同的能量密度時，燒結(jié)試件的成型效果和力學(xué)性能。結(jié)果表明：隨著松木粉質(zhì)量比的增加，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能降低。對于松木粉質(zhì)量比為20%的木塑復(fù)合粉末，當(dāng)輸入的能量密度為0.128 J/mm3時，復(fù)合粉末即可成型；當(dāng)輸入的能量密度為0.312 J/mm3時，木塑復(fù)合材料的拉伸強度達到4.846 5 MPa，彎曲強度為8.215 2 MPa，沖擊強度為1.257 4 MPa，此時力學(xué)性能最強；若輸入的能量密度大于0.312 J/mm3時，出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，力學(xué)性能下降。采用掃描電鏡對燒結(jié)件斷面的形貌進行了表征。

選擇性激光燒結(jié)；木塑復(fù)合材料；松木粉/聚醚砜樹脂復(fù)合粉末；力學(xué)性能；能量密度

選擇性激光燒結(jié)(SLS)，屬于3D打印技術(shù)的一種方法，采用可控激光束熔融粉末狀材料進行層層累積燒結(jié)出復(fù)雜的立體模型[1]。在發(fā)展選擇性激光燒結(jié)這類3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的進程中，制造設(shè)備和材料基礎(chǔ)研究是兩大關(guān)鍵技術(shù)[2-5]。選擇性激光燒結(jié)對原材料要求較為苛刻，材料需要以粉末狀提供；燒結(jié)過程中，材料在快速融化和凝固等物態(tài)變化之后，仍須具有良好的物理、化學(xué)性質(zhì)[6]?？蓱?yīng)用于選擇性激光燒結(jié)成型的材料不僅種類少、成本昂貴，而且加工工藝也比較復(fù)雜，因而難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[7]。

目前，常用于選擇性激光燒結(jié)研究的材料，有金屬材料、陶瓷材料、聚合物材料以及它們之間的復(fù)合材料[8]。美國的Texas大學(xué)Austin學(xué)院自由成形實驗室，對Cu-Sn、Ni-Sn、Fe-Cu等合金粉末的SLS技術(shù)和后處理工藝進行了長期研究；英國利物浦大學(xué)，對SiC和聚合物混合粉末進行了SLS試驗；德國的EOS公司，將生產(chǎn)的尼龍粉末材料PA2200、 PA3200GF，用于SLS技術(shù)。中國的王明華科研團隊，將飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成型技術(shù)，應(yīng)用于中國第二款自主設(shè)計制造的國產(chǎn)大型客機C919的零部件制造上；華中科技大學(xué)閆春澤等人，通過溶劑沉淀法制備了SLS用納米二氧化硅/尼龍復(fù)合粉末材料，并進一步研究了納米二氧化硅對SLS成形件力學(xué)性能的影響；中北大學(xué)研發(fā)的覆膜陶瓷粉末(CCP1)，已經(jīng)投入加工[9-11]。

東北林業(yè)大學(xué)郭艷玲，提出將木塑復(fù)合材料運用于選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)的觀點。木塑復(fù)合材料應(yīng)用于3D打印技術(shù)中，可降低原材料的成本，擴大該先進技術(shù)的可行領(lǐng)域[12]。

松木粉來源廣泛且價格低廉；聚醚砜樹脂(PES)作為木塑復(fù)合材料的黏結(jié)劑，具有機械強度高、尺寸穩(wěn)定性好以及優(yōu)良的成型加工性能等特點[13-14]。本文實驗制備松木粉/PES復(fù)合粉末，并用于選擇性激光燒結(jié)；制備工藝簡單，復(fù)合粉末易獲得。測量并分析，不同松木粉質(zhì)量比對木塑復(fù)合材料燒結(jié)試件力學(xué)性能的影響；通過實驗觀察，該復(fù)合材料在不同能量密度下的成型效果；用掃描電鏡觀察，對燒結(jié)件斷面的形貌進行表征。

1 材料與方法

松木粉：呈淡黃色，密度約為0.237 g/cm3，顆粒直徑為45～96 μm(160目)。掃描電鏡放大300倍，可觀察到松木粉纖維呈扁片狀(見圖1(a))。

聚醚砜樹脂(PES)：呈白色細粉末狀，顆粒直徑為180～250 μm(60目)。掃描電鏡放大300倍，PES呈不規(guī)則的顆粒狀(見圖1(b))。

松木粉/聚醚砜樹脂復(fù)合材料的制備：將松木粉放入HC-600-3S型超聲波振動篩(河南新鄉(xiāng)市華成機械有限公司)，篩選出160目顆粒大小均一的粉末。隨后，將篩選好的粉末放入SHR-10A型高速混合機(張家港市宏基機械有限公司)，烘干。由于溫度高于105 ℃時，植物纖維的結(jié)構(gòu)容易被破壞；因此，烘干溫度需要控制在100～104 ℃。

(a)松木粉 (b)PES

圖1 復(fù)合粉末組成成分掃描電鏡放大300倍的形貌

將干燥好的松木粉和密封存儲的PES粉末，按照表1的3種配比方案進行混粉；分別在手動機械冷混后，放入高速混合機中。先低速間歇混合10 min，然后高速混合1 min；溫度控制在55 ℃以下，防止溫度高時，材料發(fā)生黏結(jié)現(xiàn)象。最后，將3種不同質(zhì)量比的復(fù)合粉末分別放入隔潮袋子中。

表1 松木粉/PES復(fù)合材料的3種配比情況

燒結(jié)試驗：為了確定松木粉/PES復(fù)合粉末，用于選擇性激光燒結(jié)是否具有可行性；在正式燒結(jié)試件前，需先進行4～5層簡單的激光燒結(jié)實驗，遴選松木粉/PES復(fù)合材料可成型的工藝參數(shù)以及適宜的預(yù)熱溫度。HRPS-ⅢA型激光粉末燒結(jié)快速成型機(華中科技大學(xué)-武漢濱湖機電有限公司)的光斑直徑為(2.6±0.4)mm，掃描方式采用分組變向。經(jīng)過反復(fù)試驗確定，該復(fù)合粉末可用于選擇性激光燒結(jié)工藝，適宜的預(yù)熱溫度為70～80 ℃。

能量密度，作為選擇性激光燒結(jié)的一項重要參數(shù)，其輸入的大小影響著燒結(jié)試件的力學(xué)性能。能量密度的大小，取決于激光功率、掃描速率、燒結(jié)間距、單層厚度4項工藝參數(shù)[15-16]，關(guān)系式：E=P/vst。式中：E為能量密度；P為激光功率；v為掃描速率；s為燒結(jié)間距；t為單層厚度。

實驗1——分別對松木粉質(zhì)量比為20%、25%、30%的木塑復(fù)合材料進行激光燒結(jié)。根據(jù)以往經(jīng)驗和初步試驗，采用的工藝參數(shù)為：預(yù)熱溫度72 ℃、激光功率7.7 W、掃描速率1 900 mm/s、燒結(jié)間距0.15 mm、單層厚度0.15 mm。

實驗2——根據(jù)能量密度公式，可將掃描速率設(shè)置為2 000 mm/s、燒結(jié)間距0.15 mm、單層厚度0.1 mm；激光功率分別設(shè)置為3.85、5.50、6.05、7.70、8.80、9.35、9.90 W。即，分別采用0.128、0.183、0.202、0.257、0.293、0.312、0.33 J/mm3的能量密度進行燒結(jié)實驗，工作臺預(yù)熱溫度控制在72 ℃左右。

力學(xué)性能測試：采用MTS工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司生產(chǎn)的CMT5504型微機控制電子萬能試驗機，對燒結(jié)的力學(xué)測試件進行拉伸和彎曲實驗；拉伸強度按照GB/T1040—92進行檢測，彎曲強度按照GB/T9341—2008進行檢測。采用承德精密試驗機有限公司生產(chǎn)的XJC-25Z型機械組合式擺錘沖擊試驗機，對燒結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)測試件進行沖擊實驗。

掃描電子顯微鏡(SEM)觀察：制作掃描電鏡的樣品，包括松木粉、PES粉末、3種不同質(zhì)量比的復(fù)合材料燒試件以及力學(xué)性能最強的燒結(jié)試件。采用瑞士生產(chǎn)的SCD-005型噴涂刻蝕儀進行噴金。最后，將處理好的樣品，送入FEI公司生產(chǎn)的QUANTA-200型電子掃描儀進行掃描電鏡觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

實驗1結(jié)果表明：3種比例的復(fù)合粉末，均可在SLS試驗中成型，當(dāng)松木粉質(zhì)量比增大時，燒結(jié)試件密度降低。隨著松木粉質(zhì)量比的增加，燒結(jié)試件的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度均降低(見表2)，即力學(xué)性能減弱。

表2 燒結(jié)試件力學(xué)性能與松木粉質(zhì)量比的關(guān)系

實驗2結(jié)果表明：當(dāng)能量密度小于0.128 J/mm3時，松木粉/PES復(fù)合材料無法熔融成型或者燒結(jié)試件松散易分層。隨著能量密度的增加，力學(xué)性能逐漸增強，當(dāng)能量密度達到0.312 J/mm3時，力學(xué)性能最強；大于此能量密度時，復(fù)合粉末發(fā)生過燒現(xiàn)象，降低了燒結(jié)試件的力學(xué)性能。圖2為輸入能量密度分別是0.147、0.312 J/mm3的力學(xué)測試件的形貌對比圖。從圖2中可明顯看到：由于能量密度的增加，燒結(jié)試件的外觀顏色加深。查看相關(guān)實驗及文獻得知：隨著受熱強度的增加，松木粉的部分纖維逐漸發(fā)生降解[17-18]。燒結(jié)件的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度，隨能量密度變化的趨勢如圖3。

圖2 能量密度為0.147、0.312 J·mm-3時的力學(xué)測試件形貌

2.2 斷面掃描電鏡觀察

燒結(jié)試件斷面，在掃描電鏡下觀察，可以發(fā)現(xiàn)存在著空隙；這是由于木塑復(fù)合材料是非結(jié)晶聚合物，燒結(jié)過程中，顆粒的流動性相對于結(jié)晶聚合物的流動性小，相對位置變化小，因而，燒結(jié)試件存在著孔隙[19]。從圖4中(a)和(b)的對比可以發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)，當(dāng)輸入的能量密度大時，PES熔融程度增大，復(fù)合材料黏結(jié)效果增強，空隙減小。將松木粉質(zhì)量比分別為20%、25%、30%的3種燒結(jié)試件的斷面形貌放大300倍，可以觀察到：隨著松木粉質(zhì)量比的增加，試件的空隙增多。這是由于木粉質(zhì)量的增加，導(dǎo)致了復(fù)合材料的流動性降低，黏結(jié)程度降低，試件的結(jié)構(gòu)松散，故力學(xué)性能也降低。

圖3 能量密度對松木粉/PES復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖4 不同能量密度時燒結(jié)試件斷面的形貌

2.3 燒結(jié)制件

采用激光功率9.35W、掃描速率2000mm/s、燒結(jié)間距0.15mm、單層厚度0.20mm的工藝參數(shù)(能量密度為0.156J/mm3)，燒結(jié)液壓閥體模型。由圖5可看出，松木粉/PES復(fù)合材料用于SLS，尺寸形狀精度較高，可清晰的表達出螺紋、鍵槽、孔等復(fù)雜、小尺寸形狀結(jié)構(gòu)。因此，松木粉/PES復(fù)合材料，適用于選擇性激光燒結(jié)成型。

圖5 液壓閥體模型燒結(jié)制件

3 結(jié)論

松木粉/聚醚砜樹脂，可作為激光燒結(jié)成型的一種新型木塑復(fù)合材料，其成本低、耗能低、易于制備及成型。

隨著松木粉質(zhì)量比的增加，粉末顆粒的流動性降低，燒結(jié)試件的力學(xué)性能下降。松木粉與聚醚砜樹脂的質(zhì)量比為1∶4時，平均最大拉伸強度能達到4.85 MPa、彎曲強度達到8.22 MPa、沖擊強度為1.26 MPa。試件具有良好的韌性。

松木粉/聚醚砜樹脂復(fù)合材料，燒結(jié)成型所需能量較低：當(dāng)輸入能量密度為0.128 J/mm3時，該材料即可成型；當(dāng)輸入能量密度為0.312 J/mm3時，就可達到良好的成型效果。超過此能量密度時，由于松木粉部分纖維降解，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能逐漸下降。

[1] 徐林，史玉升，閆春澤，等.選擇性激光燒結(jié)鋁/尼龍復(fù)合粉末材料[J].復(fù)合材料學(xué)報，2008，25(3)：25-30.

[2] 王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012(26)：3-5.

[3] 李小麗，馬劍雄，李萍，等.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J].自動化儀表，2014，35(1)：1-5.

[4] Guo Y， Jiang K， Bourell D L. Preparation and laser sintering of limestone PA 12 composite[J]. Polymer Testing，2014，37：210-215.

[5] 劉紅光，楊倩，劉桂鋒，等.國內(nèi)外3D打印快速成型技術(shù)的專利情報分析[J].情報雜志，2013，32(6)：40-46.

[6] 王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟縱橫，2013(1)：90-93.

[7] 杜宇雷，孫菲菲，原光，等.3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，29(1)：20-24.

[8] 姜凱譯，郭艷玲，劉祥.選擇性激光燒結(jié)用原材料研究進展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2010，25(5)：78-81.

[9] 任繼文，劉建書.選擇性激光燒結(jié)主要成型材料的研究進展[J].機械設(shè)計與制造，2010(11)：266-268.

[10] 任繼文，彭蓓.選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J].機械設(shè)計與制造，2009(10)：266-268.

[11] 閆春澤，史玉升，楊勁松，等.高分子材料在選擇性激光燒結(jié)中的應(yīng)用(Ⅰ)：材料研究的進展[J].高分子材料科學(xué)與工程，2010，26(7)：170-174.

[12] 姜凱譯.木塑復(fù)合材料選擇性激光燒結(jié)實驗與后處理研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2011.

[13] 毛博.高性能樹脂：聚醚砜樹脂[J].化工新型材料，2007，35(12)：72-73.

[14] 王貴賓，姜振華，于闖，等.特種工程塑料PES、PEEK的成型加工特性[J].化工科技，2001，9(2)：44-48.

[15] Olakanmi E O. Direct selective laser sintering of aluminum alloy powders[D]. Leeds UK： University of Leeds，2008.

[16] Spierings A B， Wegener K， Levy G. Designing material properties locally with additive manufacturing technology SLM[C]. Texas： University of Texas at Austin(freeform)，2012：447-455.

[17] 陳利芳，謝桂軍，馬紅霞，等.加速熱處理技術(shù)對木材顏色變化影響的研究[J].廣東林業(yè)科技，2012，28(5)：35-39.

[18] 李東方.聚乙烯木塑復(fù)合材料性能影響因子與界面特性研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2013.

[19] 汪艷.選擇性激光燒結(jié)高分子材料及其制件性能研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

Preparation and Selective Laser Sintering of Pine/Polyether sulfone Composite

/Zhang Hui, Guo Yanling, Zhao Dejin

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Yu Zhixiang(Harbin University of Science and Technology)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(11).-150～152，157

We developed pine/polyether sulfone composite powder (PES) by SHR-10A high-speed mixer for selective laser sintering (SLS). The mechanical properties of wood plastic composite were reinforced with the increase of mass ratio of PES. We observed and tested deforming effect of sintered parts and the influence on the mechanical properties while putting in different energy density. The experiment showed that pine/PES wood composite could be shaped up when the energy density was 0.128 J/mm3, when it reached 0.312 J/mm3, the tensile strength of the material was 4.846 5 MPa, the bending strength was 8.215 2 MPa, the impact strength was 1.257 4 MPa, and the mechanical properties were the strongest. When the energy density was greater than 0.312 J/mm3, pine would be carbonized during the process of sintering, therefore, the mechanical properties decreased. At last, we observed the section topography of sintered parts by scanning electron microscopy (SEM).

Selective laser sintering; Wood plastic composite material; Pine/polyether sulfone composite powder; Mechanical properties; Energy density

1) 國家自然科學(xué)基金項目(51075067)，高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20130062110006)。

張慧，女，1990年5月生，東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，碩士研究生。E-mail：1226419340@qq.com。

郭艷玲，東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，教授。E-mail：guo.yl@hotmail.com。

2014年7月28日。

TB332

責(zé)任編輯：張 玉。