竹粉/共聚酰胺激光燒結(jié)復(fù)合材料的制備與成型特性1)

趙德金 郭艷玲 宋文龍 姜凱譯

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

選擇性激光燒結(jié)是增材制造技術(shù)的一種，也叫分層制造技術(shù)，該技術(shù)主要利用STL 格式零件模型的分層信息，用計算機(jī)控制激光對該零件進(jìn)行一層一層的加工。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用成品金屬件加工和使用熱塑性樹脂加工的熔模鑄造用模型、樣機(jī)、工藝品及功能性零件［1-2］。目前被廣泛研究的激光燒結(jié)熱塑性樹脂材料一般都是尼龍11、尼龍12、聚丙烯以及聚醚醚酮等材料［3-6］。大多數(shù)學(xué)者基本都是研究尼龍基復(fù)合材料力學(xué)特性、激光燒結(jié)參數(shù)，以及添加增強(qiáng)填料對材料綜合性能的影響［7-10］，有關(guān)天然植物纖維粉末熱塑性樹脂，有學(xué)者研究過木粉/聚醚砜(PES)熱熔膠和稻殼粉/Co-PES 熱熔膠粉復(fù)合材料激光燒結(jié)特性，得出其拉伸強(qiáng)度分別為1．21、1．47 MPa［11-12］。竹粉也是天然植物纖維，竹材具有良好的力學(xué)性能，材料脆性大，易于加工粉碎，竹制品產(chǎn)生的廢棄物占竹材料質(zhì)量的60%［13］。竹子生長周期短，成材快，隨著木材資源的匱乏，竹材在應(yīng)用上將成為木材的替代品。那么隨著竹制品企業(yè)的發(fā)展，這部分竹材廢棄物的利用將成為一個重要問題。本實(shí)驗(yàn)研究了竹粉/共聚酰胺復(fù)合材料的激光燒結(jié)以及其成型特性。

1 材料與方法

1．1 材料及設(shè)備

竹粉，自制，120 目。共聚酰胺，復(fù)合偶聯(lián)劑，抗氧劑和潤滑劑。

振動篩(新鄉(xiāng)華成機(jī)械設(shè)備有限公司)、帶加熱功能高速混合機(jī)(張家港市宏基機(jī)械有限公司)、萬能拉伸實(shí)驗(yàn)臺(MTS 系統(tǒng)公司)，差示掃描量熱分析儀(Perkin Elmer Diamond DSC，美國)和電子掃描顯微鏡(FEI Quanta 200，荷蘭)。

1．2 竹粉/共聚酯復(fù)合材料的制備

本實(shí)驗(yàn)竹材廢棄物從某竹筷廠收集，并用粉碎機(jī)將其進(jìn)一步粉碎，利用振動篩使用標(biāo)準(zhǔn)120 目篩網(wǎng)將粉碎的竹粉進(jìn)行篩分，獲得粒徑小于120 μm 的竹粉;然后利用張家港弘基機(jī)械廠生產(chǎn)的具有加熱功能的高速混合機(jī)對竹粉進(jìn)行烘干處理。利用混合機(jī)自加熱和混合機(jī)葉片和竹粉高速摩擦產(chǎn)生的熱量使竹粉迅速升溫，通過控制混合機(jī)的轉(zhuǎn)速以及加熱溫度將竹粉的干燥溫度控制在100 ～120 ℃。利用高速混合機(jī)干燥，高速混合機(jī)的葉片不斷地攪拌竹粉，水蒸氣可快速地通過混合機(jī)的排氣孔排出，對竹粉的干燥均勻且快速，一般干燥5 ～6 h，竹粉的含水率小于5%。干燥后的竹粉堆積密度為0．35 g/cm3，電鏡掃描圖片如圖1a 所示，觀察圖片發(fā)現(xiàn)竹粉有大量短竹纖維和不規(guī)則片狀顆粒組成。

共聚酯是一種白色無毒無味的環(huán)境友好型熱塑性樹脂粉末材料，電鏡掃描圖片如圖1b 所示，共聚酰胺由大量不規(guī)則塊狀顆粒組成。

按m(竹粉)∶m(共聚酰胺)= 1 ∶3 配比，同時加入少量復(fù)合偶聯(lián)劑、抗氧劑和潤滑劑利用高速混合機(jī)在50 ℃以下700～800 r/min 混合15 min。將竹粉/共聚酰復(fù)合材料塑封保存。由于竹粉相對于礦物填料具有質(zhì)量輕和質(zhì)地柔軟的特點(diǎn)，在竹粉/共聚酰復(fù)合材料制備和加工過程中對設(shè)備的磨損小，并且機(jī)械阻力小。

圖1 粉末電鏡掃描圖片(×500)

1．3 選擇型激光燒結(jié)

拉伸測試件采用華中科技大學(xué)HRPS-ⅢA 型激光燒結(jié)機(jī)燒結(jié)，采用波長為10．6 μm、光斑為(2．6±0．4)mm、功率為55W 的CO2激光器，拉伸測試按照ISO527-1 進(jìn)行拉伸測試，其零件尺寸165 mm×13 mm×4 mm。

1．4 拉伸測試和電鏡掃描

采用萬能拉伸試驗(yàn)臺進(jìn)行拉伸測試，拉伸速度為5 mm/min。零件的激光燒結(jié)表面和斷面采用電子掃描顯微鏡進(jìn)行掃描。

1．5 DSC 測試

使用差示掃描量熱分析儀對共聚酰胺做DSC分析。DSC 分析測試時，取樣品5 mg 左右，升溫速率為10 ℃/min，溫度范圍為40 ～180 ℃;降溫5 ℃/min，溫度范圍40 ～180 ℃。采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，流速為20 mL/min。

圖2 共聚酰胺DSC 曲線

表1 粉床預(yù)熱溫度對竹粉/共聚酰胺復(fù)合材料單層激光加工的影響

2 結(jié)果與分析

2．1 DSC 曲線分析

共聚酰胺作為竹粉的黏合劑，恰當(dāng)?shù)姆鄞差A(yù)熱溫度將減少竹粉/共聚酰胺復(fù)合材料在激光燒結(jié)加工過程中翹曲變形，保證加工的順利進(jìn)行。從圖2 可以看出，共聚酰胺升溫曲線有兩個放熱峰，說明該共聚酰胺有兩種材料復(fù)合而成，降溫曲線沒有明顯的吸熱峰，說明該材料在40 ～180 ℃發(fā)生固化，沒有較大的吸熱現(xiàn)象。通過實(shí)驗(yàn)來確定粉床的預(yù)熱溫度，將粉床的預(yù)熱溫度設(shè)定為43、70、80、90、105 ℃等5 個溫度進(jìn)行單層激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，效果如表1 所示。結(jié)果表明，預(yù)熱溫度為90 ℃比較理想。

2．2 選擇性激光燒結(jié)

激光燒結(jié)加工零件的主要參數(shù)有激光功率(P)、激光掃描間距(s)、激光掃描速度(v)和鋪粉層厚(l)4 個參數(shù)，而激光燒結(jié)加工的能量密度(DE)可由以下公式計算［14］:

本實(shí)驗(yàn)研究了當(dāng)激光功率為10 W、激光掃描速度為2 000 mm/s、鋪粉厚度為0．1 mm，以及掃描間距為0．1、0．15 和0．2 激光燒結(jié)拉伸測試件的力學(xué)特性，拉伸強(qiáng)度平均值如圖3 所示，拉伸件的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4 所示。從圖3 可以看出，當(dāng)激光功率10 W、掃描速度2 000 mm/s、鋪粉層厚0．1 mm 和激光掃描間距為0．1 mm 時，拉伸強(qiáng)度為8．3 MPa。拉伸件的力學(xué)強(qiáng)度隨著激光掃描間距增加而減小，根據(jù)公式(1)可知，激光掃描間距增加，則能量密度數(shù)值降低，推測共聚酰胺對竹粉的粘結(jié)效果降低，最終導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度降低。

圖3 掃描間距對拉伸強(qiáng)度的影響

圖4 拉伸件的力位移曲線

拉伸測試件的標(biāo)距為l0=50 mm，l1為拉伸測試件標(biāo)距變形后的斷裂長度值，斷裂伸長率由下列公式計算:

從圖4 可以看出，拉伸過程中，拉伸測試件具有明顯的線性階段，斷裂伸長率較大，通過公式(2)計算分別為:當(dāng)掃描間距為0．1 mm 時，斷裂伸長率為30%;掃描間距為0．15 mm 時，斷裂伸長率為26%;掃描間距為0．2 mm 時，斷裂伸長率為38%。

2．3 激光燒結(jié)零件微觀形貌

膠接理論是研究膠接力的形成機(jī)理，對于竹粉而言，它是一種表面不規(guī)則、多孔性材料，含有大量的纖維素(60%)及木質(zhì)素(32%)，并且它的微纖絲角(2°～10°)［15］，竹粉/共聚酰胺復(fù)合材料在激光燒結(jié)過程中就可以用膠接理論中的化學(xué)鍵理論和機(jī)械結(jié)合理論來解釋。竹粉中纖維素和木質(zhì)素含有大量的羥基，復(fù)合偶聯(lián)劑即可與膠黏劑形成化學(xué)鍵又可與纖維素和木質(zhì)素的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)鍵［16］。從激光燒結(jié)測試件表面和斷面可以看出共聚酰胺與竹粉膠合效果顯著，說明共聚酰胺在偶聯(lián)劑的作用下通過激光瞬間加熱速溶對竹粉的浸潤效果良好，從圖5(a)、5(b)放大圖片可以看出，竹粉顆粒被共聚酰胺包裹，并與共聚酰胺形成連續(xù)的復(fù)合材料基體。這種結(jié)構(gòu)可以用機(jī)械結(jié)合理論解釋，由于竹粉中含有竹纖維和片狀粉末顆粒，他們在激光燒結(jié)件中充當(dāng)錨桿，對復(fù)合材料起到增強(qiáng)效果，并且表面粗糙存在不規(guī)則形狀微孔。這些微孔主要是因?yàn)橹穹郾砻娲植诩肮簿埘０贩勰┬螤畈灰?guī)則，鋪粉過程中形成具有空隙的粉末層。當(dāng)激光燒結(jié)時，共聚酰胺聚合粘結(jié)竹粉顆粒形成微孔。

圖5 燒結(jié)件電鏡掃描圖片

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)制備了一種適合選擇性激光燒結(jié)的竹塑復(fù)合材料，并采用選擇性激光燒結(jié)制造了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。通過電鏡掃描圖片，結(jié)合膠接機(jī)理的化學(xué)鍵理論和機(jī)械結(jié)合理論分析了竹粉/共聚酰胺復(fù)合材料的成型機(jī)理。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到8．3 MPa，與木塑復(fù)合材料和稻殼塑料復(fù)合材料激光燒結(jié)拉伸強(qiáng)度相比有了較大提高。

粉床的預(yù)熱溫度對材料的成型影響很大，通過DSC 曲線分析可知，當(dāng)材料預(yù)熱溫度過低，材料變形嚴(yán)重，當(dāng)材料預(yù)熱溫度超過融化溫度的起點(diǎn)，材料結(jié)塊，無法順利進(jìn)行激光燒結(jié)加工。

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