芳香族非晶聚酯合成及其3D打印性能

張龍貴，姚雪容

（中國(guó)石化 北京化工研究院，北京 100013）

芳香族非晶聚酯合成及其3D打印性能

張龍貴，姚雪容

（中國(guó)石化 北京化工研究院，北京 100013）

以對(duì)苯二甲酸（PTA）、間苯二甲酸（IPA）、乙二醇（EG）為原料制備了高IPA含量的芳香族共聚酯，通過(guò)1H NMR、毛細(xì)管黏度計(jì)等方法分析了共聚酯的特性黏數(shù)和分子鏈結(jié)構(gòu)等，采用DSC和WAXD方法研究了共聚酯的結(jié)晶性能，并研究了芳香族共聚酯的熔融沉積成型（FDM）3D 打印性能以及FDM制品的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，IPA/PTA混合二甲酸易與EG聚合制備芳香族共聚酯，當(dāng)混合二甲酸中IPA的摩爾分?jǐn)?shù)大于0.40時(shí)，制備的芳香族共聚酯是典型的非晶聚合物，在較寬的溫度范圍內(nèi)（190～220 ℃）能滿足FDM成型工藝的需求，且制備的制品具有較好的力學(xué)性能。

芳香族共聚酯；非晶聚合物；3D打??；熔融沉積成型

高分子材料3D打印技術(shù)是一種通過(guò)逐層疊加材料制備三維實(shí)體的新型制造技術(shù)，與傳統(tǒng)注塑、吹塑等塑料成型工藝相比，具有可制備結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的制品、原料損耗極小、設(shè)計(jì)模型可快速實(shí)體化等特點(diǎn)，主要工藝有激光熔覆成形技術(shù)、熔融沉積快速成型（FDM）技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、立體光固化技術(shù)、三維印刷成型技術(shù)等，其中，桌面3D打印設(shè)備主要采用FDM打印工藝，常用的兩種材料是丙烯腈/丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物（ABS）和聚乳酸（PLA）［1-5］。但ABS在打印過(guò) 程中有明顯氣味，給使用者造成一定的不適感，PLA雖然氣味小，但打印制品的力學(xué)性能較差，因此性能更優(yōu)良的聚碳酸酯、對(duì)苯二甲酸/乙二醇/環(huán)己烷二甲醇共聚酯、非晶聚酰胺等也逐漸成為新的3D打印耗材。

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）具有氣味小、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，但常規(guī)PET聚酯屬于可結(jié)晶聚合物，并且熔融溫度高，不適合制備FDM成型的線材。George等［6-8］通過(guò)間苯二甲酸（IPA）共聚改性PET，但I(xiàn)PA的含量通常低于20%（x），共聚酯也具有一定的結(jié)晶性能。對(duì)于高IPA含量（含量大于20%（x））的共聚酯很少有文獻(xiàn)報(bào)道，用于FDM成型的報(bào)道更少。

本工作通過(guò)在PET化學(xué)結(jié)構(gòu)中引入大量的間苯二甲酸乙二醇酯單元，制備了完全非晶的聚酯，并研究了它所制備的線材的可FDM成型性能及其制品性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及設(shè)備

對(duì)苯二甲酸（PTA）、乙二醇（EG）：工業(yè)級(jí)，揚(yáng)子石油化工有限公司；IPA：工業(yè)級(jí)，燕山石油化工有限公司；醋酸銻、亞磷酸三苯酯：分析純，北京化學(xué)試劑公司。

中國(guó)石化北京化工研究院自制的2 L不銹鋼通用聚酯縮聚釜、賽默飛世爾公司的HAAKE Polylab試驗(yàn)機(jī)、MakerBot公司的Replicator型桌面3D打印機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 芳香族非晶聚酯的合成

在2 L聚合裝置上，將適當(dāng)摩爾比的單體PTA、IPA和EG投入反應(yīng)釜，再加入催化劑醋酸銻，通入氮?dú)庵脫Q反應(yīng)釜中的氧氣，反復(fù)三次，升溫至200 ℃，開動(dòng)攪拌，逐漸升溫至230 ℃，進(jìn)行酯化反應(yīng)2 h；加入亞磷酸三苯酯，升溫至260 ℃，并開始抽真空，在70 Pa壓力下反應(yīng)2 h，采用高壓氮?dú)忭敵?，?jīng)冷卻切粒，得到共聚酯切片，編號(hào)為PETI。

1.2.2 FDM打印聚酯線材的制備

將制備的共聚酯切片在65 ℃下真空干燥24 h，加入到HAAKE Ploylab單螺桿擠出機(jī)中，設(shè)置熔融段溫度200 ℃，模口溫度180 ℃，經(jīng)水冷牽引制備得到直徑（1.75±0.3）mm的線材。

1.2.3 樣條的制備

選擇合適的溫度，分別采用注射成型和FDM成型，制備10 mm×100 mm×4 mm的樣條。

1.3 分析測(cè)試

以質(zhì)量比1∶1的苯酚和四氯乙烷為混合溶劑，參照文獻(xiàn)［9］報(bào)道的方法在恒溫水浴中測(cè)定特性黏數(shù)，參照文獻(xiàn)［10］報(bào)道的方法測(cè)定端羧基含量。

在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，采用Perkin-Elmer公司TA Q100型熱分析儀進(jìn)行DSC表征。以10 ℃/min的升溫速率從25 ℃升至300 ℃，然后以同樣的速率降溫至室溫，再以同樣的升溫速率升溫至300 ℃。

采用荷蘭Philips公司X’Pert MPD型多功能X射線衍射儀進(jìn)行WAXD表征，CuKα射線，管電壓40 kV，管電流40 mA，石墨單色器，掃描速率3（°）/min，掃描范圍2θ= 5°～40°。

采用Bruker公司的DMX300型核磁共振譜儀進(jìn)行1H NMR表征。溶劑為氘代三氟乙酸，試樣質(zhì)量濃度0.2 g/mL（將試樣在50 ℃溶解2 h，放置過(guò)夜）；譜圖采集16次。

在2.16 kg砝碼下，采用熔融指數(shù)儀分別在170，180，190，200，210，220 ℃下測(cè)試試樣的熔體流動(dòng)速率（MFR）。

2 結(jié)果與討論

2.1 共聚酯的結(jié)構(gòu)分析

PETI的1H NMR譜圖見圖1。由圖1可見，芳環(huán)1H 的化學(xué)位移δ分別為8.26，7.68，8.88，8.41，δ為4.86，4.72，4.23的三個(gè)峰歸屬于—CH2—的1H特征峰。另外，芳環(huán)的1H特征峰存在多重峰現(xiàn)象，主要是由于反應(yīng)過(guò)程中兩個(gè)羥基發(fā)生脫水反應(yīng)生成了醚鍵，進(jìn)而引起芳環(huán)1H周圍的電子環(huán)境變化，導(dǎo)致δ發(fā)生輕微變化。根據(jù)文獻(xiàn)［11］確定PETI的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。以特征峰面積做定量分析，可以計(jì)算出IPA單元及二甘醇的含量。

圖1 PETI的1H NMR譜圖Fig.11H NMR spectrum of poly(ethylene terephthalateco-isophthalate)(PETI).

圖2 PETI的分子結(jié)構(gòu)Fig.2 Molecular structure of PETI.

2.2 IPA含量對(duì)聚酯端羧基和二甘醇含量的影響

聚酯切片的表征結(jié)果見表1。從表1可看出，通過(guò)1H NMR計(jì)算得到的聚酯切片中的IPA含量與反應(yīng)前的IPA添加量基本一致，表明IPA全部參加反應(yīng)。與純PET相比，IPA和PTA混合二甲酸在相同聚合條件下得到的聚酯切片的端羧基含量、特性黏數(shù)及二甘醇含量變化不大。這是由于IPA和PTA的相對(duì)分子質(zhì)量相同、結(jié)構(gòu)接近，羥基的活性在酯化反應(yīng)階段幾乎等同，因此生成的預(yù)聚物經(jīng)進(jìn)一步縮聚制備聚酯的反應(yīng)過(guò)程與純PTA制備聚酯的反應(yīng)過(guò)程沒有差別。

表1 聚酯切片的表征結(jié)果Table 1 Characterization results of polyester samples

2.3 共聚酯的熱性能

共聚酯的熔點(diǎn)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度見表2。從表2可見，引入大量的IPA第三單體制備的共聚酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度明顯低于純PET，這是由于純PET分子鏈中的PTA與兩邊的酯基形成對(duì)稱性良好的鏈段結(jié)構(gòu)，存在一定的共軛效應(yīng)，而間苯二甲酸乙二醇酯單元沒有明顯的共軛性，因此PET分子鏈的剛性高于PETI。且隨著IPA含量的增加，聚酯由結(jié)晶聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷Ь酆衔?，這是由于IPA單元的大量引入破壞了PET分子鏈的規(guī)整性，分子鏈無(wú)法有序排列形成長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，因此無(wú)法進(jìn)行有序堆積形成晶體結(jié)構(gòu)［12］。在110 ℃下退火24 h后共聚酯的DSC曲線見圖3。

表2 共聚酯的熔點(diǎn)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Table 2 Glass transition temperature(Tg) and melting point(Tm) of the polyester samples

由圖3可見，當(dāng)IPA含量（混合酸中IPA的摩爾分?jǐn)?shù)）為0.30時(shí)，PETI具有多重熔融峰現(xiàn)象，這可能是PETI分子鏈中仍有一部分可形成長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)的分子鏈，在冷卻過(guò)程中形成了不同厚度的片晶［13］。

圖3 聚酯試樣的DSC曲線Fig.3 DSC curves of the polyester samples.

65 ℃下退火處理48 h的PETI和PET試樣的WAXD譜圖見圖4。

圖4 聚酯試樣的WAXD譜圖Fig.4 WAXD spectra of the polyester samples.

從圖4可見，PETI-1與 PET具有相同的衍射峰，因此晶型均為三斜晶型［14］。當(dāng)IPA含量達(dá)到0.40時(shí)，即使經(jīng)過(guò)48 h的退火處理，PETI-2試樣仍然沒有衍射峰，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可發(fā)現(xiàn)，散射峰擬合曲線是典型的高斯分布，符合非晶聚合物的衍射特征，因此可以確定PETI-2為非晶聚合物，同樣PETI-3也是非晶聚合物。

2.4 PETI的可打印性能

高分子材料是否可進(jìn)行FDM成型，主要是由成型收縮率和流變性能決定的［15］，因此打印機(jī)頭的溫度設(shè)置很關(guān)鍵。共聚酯的力學(xué)性能見表3，不同溫度下FDM成型的PETI樣條見圖5。從表3可看出，由于PET為結(jié)晶聚合物，在170～220 ℃不能熔融，因此無(wú)法進(jìn)行3D打印。PETI-1在該范圍內(nèi)也由于不能完全熔融或MFR小而無(wú)法進(jìn)行3D打印。PETI-2和PETI-3屬于非晶聚合物，在170 ℃時(shí)MFR較小，熔體黏度較高，即使打印速率較低也無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)堆積制成樣條。隨著溫度的升高，MFR逐漸增大，在堆積過(guò)程中更易實(shí)現(xiàn)較高的填充率，因此可打印性能也逐漸提高。打印溫度達(dá)到190 ℃時(shí)，盡管可以連續(xù)擠出線條，但打印樣條一端略有翹曲（見圖5中1號(hào)樣條），這主要是由于材料流動(dòng)性較差，導(dǎo)致打印的支撐部分存在一定的應(yīng)力，其中一端和底板有脫離現(xiàn)象，進(jìn)一步打印時(shí)，支撐部分脫離底板，最終導(dǎo)致打印樣條翹曲。當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，打印樣條完全達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸，滿足制樣要求（見圖5中2～6號(hào)樣條）。由于在較高加工溫度下，聚酯吸收的水分容易促成水解反應(yīng)，可能造成最終制品性能下降［13］，且在高溫下聚酯易氧化，造成顏色變化和氣味增加，因此不適合更高的打印溫度。

表3 共聚酯的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the polyesters

此外，打印設(shè)備的底板溫度對(duì)材料的順利成型也有影響，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)底板溫度較低（＜40 ℃）時(shí)，擠出線條無(wú)法連續(xù)鋪覆于底板；底板溫度較高（＞65 ℃）時(shí)，聚合物冷卻慢，后續(xù)擠出的聚合物容易將前一層尚未冷卻硬化的聚合物刮花，樣條外形不能滿足設(shè)計(jì)要求。滿足本實(shí)驗(yàn)制備的3D打印線材的合適底板溫度為45～65 ℃（見圖6）。

由于3D打印制品的力學(xué)性能與注塑性能等與傳統(tǒng)高分子加工工藝制品存在較大差距［16］，因此應(yīng)用領(lǐng)域受到較大的限制，尤其是沖擊性能和彎曲性能很難滿足實(shí)際制品的需求。通過(guò)比較不同溫度下的注塑樣條和FDM成型樣條的力學(xué)性能（表3）可發(fā)現(xiàn)，盡管PETI的FDM成型樣條的沖擊性能和抗彎曲性能低于注塑樣條，但仍然有較好的力學(xué)性能，可滿足一般需求。

圖5 不同溫度下FDM成型的PETI樣條Fig.5 The PETI products by FDM at different temperature.

圖6 共聚酯的FDM成型范圍Fig.6 Suitable range for FDM of PETI.

3 結(jié)論

1）IPA含量大于等于0.40的芳香族共聚酯是典型的非晶聚合物。

2）特性黏數(shù)0.65 dL/g左右的非晶芳香族共聚酯在190～220 ℃范圍內(nèi)具有良好FDM成型性能。

3）芳香族非晶共聚酯的FDM成型制品具有較好的力學(xué)性能。

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（編輯 王 萍）

Synthesis and 3D printing properties of amorphous aromatic co-polyester

Zhang Longgui，Yao Xuerong
（Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China）

Amorphous aromatic co-polyesters with high isophthalic acid(IPA) content were synthesized from terephthalic acid，IPA and ethylene glycol. The molecular structures and crystallization properties of the co-polyesters were characterized by means of1H NMR，DSC and WAXD. The fused deposition modeling(FDM) process of the co-polyester and the mechanical properties of the FDM products were investigated. The results showed that，the co-polyester with IPA content higher than or equal to 0.40(x) in the mixed acids was a typical amorphous polymer and was a fitting material for the FDM process in the temperature range of 190-220 ℃. The FDM product manufactured from the co-polyester had good mechanical properties.

aromatic co-polyester；amorphous polymer；3D printing；fused deposition modeling

1000-8144（2017）05-0587-05

TQ 320.6

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.05.011

2016-12-08；［修改稿日期］2017-02-09。

張龍貴（1976—），男，山西省朔州市人，碩士，高級(jí)工程師，電話 010-59202346，電郵 zhanglg.bjhy@sinopec.com。