光固化3D打印與傳統(tǒng)涂膜法制備聚酰亞胺的摩擦學(xué)性能比較研究

姚昕樂 ,孫初鋒* ,郭玉雄 ,張曉琴 ,姬忠瑩,3 ,郭 蕊,3 ,王曉龍*,王齊華

(1.西北民族大學(xué) 化工學(xué)院,甘肅 蘭州 730030;2.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;3.煙臺先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室,山東 煙臺 264006;4.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122)

聚酰亞胺(PI)作為一種特種工程塑料，依靠其高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性、優(yōu)異的機(jī)械性能和顯著的耐磨損性能而被廣泛應(yīng)用于多種極端工況中[1-4].在摩擦學(xué)領(lǐng)域，PI通常被加工成多孔含油自潤滑軸承、齒輪或?qū)Ｓ妹芊馊Φ攘悴考?yīng)用于航空器、人造衛(wèi)星和汽車制造等領(lǐng)域[5-12].為了滿足PI應(yīng)用于高端機(jī)械裝備對其摩擦學(xué)性能越來越高的要求，研究人員一方面通過設(shè)計分子結(jié)構(gòu)的方法提高PI的潤滑性能，例如將氨基石墨烯和籠型倍半硅氧烷等功能型單體引入PI分子鏈上以達(dá)到減摩抗磨的目的[13-14]；另一方面，通過添加固體自潤滑填料(例如納米Si3N4、石墨烯、碳纖維和二硫化鉬)的方式改善其潤滑性能[15-17].盡管以上技術(shù)方法使得PI具備優(yōu)異的減摩抗磨性能，但目前由于PI通常采用流延法、模壓法和熱壓法等方式進(jìn)行成形加工，使其仍局限于薄膜、板材、棒材和塊體等簡單結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造[18-19]，很難滿足航空航天、飛行器、空間裝備和汽車制造等領(lǐng)域復(fù)雜潤滑結(jié)構(gòu)件制造的需求，其應(yīng)用和發(fā)展已嚴(yán)重受限.因此，開發(fā)一種可實(shí)現(xiàn)高精度及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PI潤滑材料制造方法尤為重要.

近年來，3D打印技術(shù)，也稱為“增材制造”技術(shù)，因具有控形控性優(yōu)勢被快速發(fā)展起來.目前，將3D打印技術(shù)與光敏聚酰亞胺(PSPI)結(jié)合發(fā)展，使3D打印PSPI材料及成形制造滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的高精度復(fù)雜零部件制造，引起了越來越多研究者的關(guān)注[20-21].據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道，已經(jīng)發(fā)展起來的光固化3D打印PSPI主要基于立體光刻3D打印技術(shù)(SLA)、直書寫3D打印技術(shù)(DIW)和數(shù)字光處理3D打印技術(shù)(DLP)[20-23].目前，已有部分高精密構(gòu)件(如齒輪、保持架和軸承等復(fù)雜微精密部件)被成功打印出來[23]，已初步展示了3D打印PI在運(yùn)動構(gòu)件及其微精密復(fù)雜潤滑部件制造的潛力.但目前已發(fā)展的光固化3D打印樣品相比于鑄造成形仍存在一定理化性質(zhì)差異，而這種差異會進(jìn)一步影響材料的潤滑性能，因此探究兩者差異的影響因素對于發(fā)展光固化3D打印潤滑器件具有一定研究意義.

因此，本文中基于已發(fā)展的光固化3D打印PSPI[23]，分別采用DLP 3D打印和傳統(tǒng)涂膜的成形方式制備PI，并對其減摩抗磨性能等進(jìn)行了對比研究.具體內(nèi)容如下，通過系統(tǒng)比較不同成形方式制備的具有相同結(jié)構(gòu)主體PI的摩擦學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能，深究3D打印PSPI摩擦學(xué)性能的影響因素，為其減摩抗磨性能的增強(qiáng)改善提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，并為采用光固化3D打印直接制造PI運(yùn)動潤滑器件提供材料和技術(shù)基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

4,4'-氧雙鄰苯二甲酸酐(ODPA)、雙(3-氨基-4-羥基苯基)六氟丙烷(6FOHA)和1,3-雙(3-氨基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷購于鄭州阿爾法化工有限公司；順丁烯二酸酐(MA)和三乙胺購于成都市科隆化學(xué)品有限公司；甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、四乙基溴化銨(TEAB)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)購于上海麥克林生化科技有限公司；1,4-對苯二酚購于西隴化工股份有限公司；N-甲基吡咯烷酮(NMP)購于天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)和光引發(fā)劑819購于德國良制化學(xué)(中國)有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)購于利安隆博華(天津)醫(yī)藥化學(xué)有限公司.

1.2 PSPI的合成制備

向裝有26.48 ml NMP的三頸燒瓶中加入1.831 g(5 mmol) 6FOHA和1.491 g (6 mmol) SiDA，等待完全溶解，在0 ℃的N2環(huán)境下，緩慢向燒瓶中加入3.102 g(10 mmol) ODPA，機(jī)械攪拌4 h后加入0.196 g (2 mmol)MA繼續(xù)機(jī)械攪拌1 h得到均勻的淺棕色聚酰胺酸(PAA)溶液.然后將PAA溶液置于80 ℃油浴中恒溫反應(yīng)2 h，再升至130 ℃恒溫反應(yīng)6 h，最后升至200 ℃恒溫反應(yīng)6 h，整個加熱反應(yīng)過程持續(xù)機(jī)械攪拌，此時制得PI溶液，冷卻至室溫.隨后向PI溶液中加入2.132 g(15 mmol) GMA、50 mg三乙胺、105 mg TEAB和82 mg 1,4-對苯二酚，在100 ℃油浴中N2保護(hù)下機(jī)械攪拌4 h以使GMA接枝在PI的羥基官能團(tuán)上，當(dāng)冷卻至室溫后，將溶液倒入100 ml蒸餾水中并攪拌沉淀.將GMA接枝的PI低聚物(PI-GMA)經(jīng)過濾收集并徹底清洗后，在40 ℃溫度下真空干燥12 h得到6.157 g的PSPI暗黃色粉末.

1.3 制備測試樣品

為了探究不同成形方式下光固化3D打印PSPI和傳統(tǒng)涂膜熱固化PI摩擦學(xué)性能之間的差異，通過涂膜和3D打印兩種方式分別按照表1中所列的配方制備測試樣品并進(jìn)行后處理.3D打印制備樣品的原理如圖1(a)所示，使用3D Max軟件建模并導(dǎo)入DLP打印機(jī)(金達(dá)雷SLASH2)中進(jìn)行切片，使用PI-5的配方進(jìn)行3D打印，層厚設(shè)置為100 μm.

涂膜樣品制備過程如圖1(b)所示，PAA溶液在合成PSPI過程中取樣得到，采用直接涂膜并熱亞胺化的成形方式固化成形，并將其作為傳統(tǒng)熱固性PI的代表(由于溶液中含有大量NMP需要蒸發(fā)，并且PAA需要熱亞胺化，故PI-1的后處理溫度設(shè)定為300 ℃).為進(jìn)一步探究PSPI配方中各組分及后處理方式對摩擦學(xué)性能、熱性能以及機(jī)械性能的影響，分別制備了PI-2(純PI-GMA，無活性稀釋劑和交聯(lián)劑)、PI-3 (僅含有交聯(lián)劑TMPTA的光敏PSPI)和PI-4 (添加了活性稀釋劑NVP，與PI-5的配方完全一致，但制備方法為涂膜光固化成形)，以上樣品涂布厚度均為300 μm，且均按照表1中所列的后處理方法分別制備.

表1 樣品的配方和加工方法Table 1 Formulations and processing methods of samples

1.4 性能表征

采用高溫同步熱分析儀(STA 449C,Germany)測定樣品的熱穩(wěn)定性，溫度范圍為25～850 ℃，氣氛為N2，升溫速率為10 ℃/min.采用納米壓痕儀(Anton Paar NHT2)測定樣品的硬度和模量，最大載荷為3 mN，每個樣品至少測試4次并取平均值.采用光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS,BX51)和掃描電子顯微鏡(SEM，Phenom ProX)對樣品的磨損表面表征分析.使用往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(Anton Paar CEM-THT07-135)對所制備PI樣品進(jìn)行摩擦學(xué)性能研究.上試樣使用直徑為6 mm的GCr15鋼球，用丙酮清洗后待用.下試樣為10 mm×10 mm×10 mm的3D打印塊體或鑄造于載玻片上的薄膜[25 mm×71 mm×(0.1～0.3) mm]，每次摩擦試驗(yàn)前用無水乙醇清理樣品表面.在空氣環(huán)境中摩擦試驗(yàn)持續(xù)1 h，載荷為5 N，單次行程長度為2 mm，滑動頻率為1 Hz，試驗(yàn)結(jié)束后，利用非接觸式光學(xué)輪廓儀(MicroXAM-800)觀察磨痕形貌、深度并計算磨損體積，磨損率K[單位mm3/(N·m)]由公式(1)計算得出：

Fig.1 Schematic illustration of samples manufactured by (a) DLP 3D printing and (b) casting圖1 試驗(yàn)樣品的制備原理示意圖：(a) DLP 3D打印成形和(b)涂膜成形

其中V為3次平行試驗(yàn)的平均磨損體積(mm3)，由接觸式三維表面輪廓儀測量得到；F為法向載荷(N)；S為總行程(m).

2 結(jié)果與討論

2.1 熱穩(wěn)定性

從圖2(a)的熱重分析(TGA)曲線和表2中的相應(yīng)熱性能數(shù)據(jù)可以看出，所有樣品的初始分解溫度(T5%)均在379到460 ℃范圍內(nèi)，表明所得PI樣品具有較高的耐熱性，其分解主要由PI芳香環(huán)的斷裂引起[24].對熱固化成型的PI-1和PI-2的初始分解溫度對比發(fā)現(xiàn)，PI-1的初始分解溫度比PI-2高約62 ℃，這說明光敏基團(tuán)(GMA)的引入降低PI的耐熱性能.對光固化和熱固化樣品的初始分解溫度對比發(fā)現(xiàn)，光固化樣品PI-3(399.13 ℃)、PI-4 (382.39 ℃)和PI-5 (379.57 ℃)的初始分解溫度(T5%)均低于PI-1 (459.70 ℃)，說明為實(shí)現(xiàn)PI光固化成形而加入TMPTA和NVP等活性稀釋劑組分對其熱性能具有顯著影響.通過對800 ℃時樣品殘余質(zhì)量大小進(jìn)行排序：PI-1＞PI-2＞PI-4＞PI-3＞PI-5，可以發(fā)現(xiàn)，熱固化樣品比光固化樣品具有較高的殘余質(zhì)量，說明熱固化樣品比光固化樣品具有更高的耐熱性.進(jìn)一步分析微分熱重(DTG)曲線[圖2(b)]表明，光固化樣品和熱固化樣品最大分解速率溫度(TMax)的變化趨勢均與初始分解溫度(T5%)基本一致.

表2 PI-1～PI-5的熱學(xué)性能參數(shù)Table 2 Thermal properties of PI-1～PI-5

Fig.2 (a) TGA and (b) DTG curves of PI-1～PI-5圖2 試驗(yàn)樣品PI-1～PI-5的熱性能：(a)TGA和(b)DTG曲線

2.2 機(jī)械性能

由PI的載荷-深度曲線[圖3(a)]和機(jī)械性能參數(shù)(表3)可以看出，PI-1和PI-5的壓入深度相似且相對最淺，而PI-2、PI-3和PI-4的壓入深度相對較深，說明相對于PI-2、PI-3和PI-4而言，PI-1和PI-5具有更加優(yōu)異的機(jī)械性能.這種現(xiàn)象可以歸因于以下幾點(diǎn)：首先通過觀察熱固性PI的硬度和模量值[圖3(b)]，可以發(fā)現(xiàn)PI-1具有較高的硬度和模量，而光敏基團(tuán)接枝的PI (PI-2) 的機(jī)械性能顯著降低，可能由于光敏基團(tuán)的引入擾亂了PI的分子排列，從而降低材料表面的機(jī)械性能，導(dǎo)致壓入深度較深.其次，通過比較三種光固化PI可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加交聯(lián)劑TMPTA后賦予PI-3一定的光固化能力，但機(jī)械性能較低.而同時添加活性稀釋劑NVP和交聯(lián)劑TMPTA后顯著提升材料的機(jī)械性能(PI-4和 PI-5)，這是由于TMPTA和NVP形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)與PSPI的芳香鏈段產(chǎn)生協(xié)同作用，進(jìn)而形成致密的混合交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，提高PSPI的抗變形能力，導(dǎo)致壓入深度較PI-3淺.此外，通過對比PI-4和PI-5可以發(fā)現(xiàn)，3D打印成形的PI-5的硬度高于涂膜成形PI-4，這是因?yàn)镈LP 3D打印過程中的層層固化疊加能夠使材料受光均勻，所產(chǎn)生的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相比涂膜材料更加致密，從而提升其機(jī)械性能.最后，通過對比機(jī)械性能較高的熱固化成形樣品PI-1和光固化3D打印成形樣品PI-5，發(fā)現(xiàn)兩者的機(jī)械性能基本相當(dāng).綜上所述，NVP和TMPTA的加入可以改善PSPI的機(jī)械性能，從而使3D打印PSPI具有與涂膜成形的熱固性PI相當(dāng)?shù)挠捕群湍Ａ?已有文獻(xiàn)報道[23]，活性稀釋劑對PSPI材料性能具有顯著影響，與本文中活性稀釋劑的加入可以改善PSPI的機(jī)械性能的結(jié)論是一致的.

表3 PI-1～PI-5的機(jī)械性能Table 3 Mechanical properties of PI-1～PI-5

Fig.3 (a) Load-depth curves,(b) hardness and modulus of PI-1～PI-5圖3 試驗(yàn)樣品PI-1～PI-5的機(jī)械性能：(a)納米壓痕試驗(yàn)的載荷-深度曲線及(b)硬度和模量圖

2.3 摩擦學(xué)性能分析

摩擦系數(shù)曲線及其曲線穩(wěn)定階段放大圖如圖4(a～b)所示.在摩擦試驗(yàn)中，摩擦系數(shù)從低到高快速上升，最后趨于穩(wěn)定.考慮其原因?yàn)镻I表面相對光滑，在摩擦初始階段，試樣表面無法被破壞，因此呈現(xiàn)相對較低的摩擦系數(shù)，但隨著摩擦過程的進(jìn)行，試樣表面被鋼球磨損破壞并產(chǎn)生磨屑，進(jìn)而使摩擦系數(shù)增大，最后趨于穩(wěn)定.此外，由于PI是一種黏彈性聚合物[25]，在往復(fù)滑動過程中將產(chǎn)生摩擦熱，材料的摩擦系數(shù)和磨損率將受摩擦熱的影響而逐漸升高[26-27].不同PI樣品的平均摩擦系數(shù)如圖4(c)所示，其中熱固化成形的PI-1和PI-2的摩擦系數(shù)均為0.68，說明光敏基團(tuán)的接枝對材料的摩擦學(xué)性能影響不大.而對于光固化成形PI，當(dāng)添加交聯(lián)劑TMPTA時(PI-3)，其摩擦系數(shù)略有升高.當(dāng)同時添加NVP和TMPTA (PI-4和PI-5)時，其摩擦系數(shù)顯著升高.可能是由于NVP和TMPTA所形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)不耐磨，在摩擦過程中不斷產(chǎn)生碎屑阻礙摩擦過程進(jìn)行，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦系數(shù)升高.最后，對比熱固化成形的PI-1 (0.68)和光固化3D打印成形的PI-5 (0.76)可以發(fā)現(xiàn)，PI-5的摩擦系數(shù)比PI-1高0.08，說明光固化3D打印的PI具有較高的摩擦系數(shù)與NVP和TMPTA等活性稀釋劑的引入有關(guān).值得注意的是，無論是涂膜成形的PI-4還是3D打印成形的PI-5，兩者的摩擦系數(shù)均在傳統(tǒng)PI的可控范圍內(nèi)(傳統(tǒng)PI的摩擦系數(shù)在0.40～0.78之間[14,28-29])，表明在摩擦學(xué)性能方面，光固化3D打印PI已經(jīng)能夠和傳統(tǒng)PI相當(dāng).

樣品的磨損率如圖4(d)所示，對比兩種熱固化成形的PI發(fā)現(xiàn)，PI-2 的磨損率[3.2×10-5mm3/(N·m)]較PI-1[4.0×10-5mm3/(N·m)]低，即光敏基團(tuán)的引入降低了熱固性PI的磨損率.而通過對比三種光固化成形的PI，發(fā)現(xiàn)PI-3的磨損率[2.6×10-5mm3/(N·m)]較低，推斷這是由于引入的交聯(lián)劑TMPTA與PI側(cè)鏈上的GMA官能團(tuán)連接，增加了PI分子間結(jié)合力，進(jìn)而提升其耐磨性.盡管如此，由于PI-3的光固化性能不佳，無法快速成形，因此無法被應(yīng)用于3D打印.相比之下，添加了活性稀釋劑NVP和交聯(lián)劑TMPTA的PI-4 [6.0×10-5mm3/(N·m)]和PI-5 [4.9×10-5mm3/(N·m)]的磨損率較高.推斷是NVP和TMPTA所形成的光固化交聯(lián)結(jié)構(gòu)不耐磨，容易在磨損過程中產(chǎn)生細(xì)小的碎屑，并且碎屑在磨損過程中不斷切削磨損表面，從而加劇了材料的磨損，而傳統(tǒng)PI的磨損率范圍為1.9×10-5～2.0×10-4mm3/(N·m)[1-2,30-31].通過觀察樣品表面磨痕的三維形貌圖(圖5)，可以發(fā)現(xiàn)熱固化成形樣品PI-1和PI-2的磨損痕跡較淺，而光固化成形樣品中由于PI-3添加了交聯(lián)劑TMPTA，促進(jìn)了PI分子間連接從而使磨損率降低故磨痕同樣較淺.PI-4和PI-5由于同時添加了NVP和TMPTA，降低了PI的耐磨性，從而加劇磨損，表現(xiàn)為較深的磨痕和較高的磨損率.這也證明了添加NVP和TMPTA后形成的光固化交聯(lián)結(jié)構(gòu)不耐磨的特性，與上文中的分析結(jié)果一致.

Fig.4 The curves of friction coefficient of PI-1～PI-5 with sliding time:(a) 0～3 500 s;(b) 2 500～3 500 s ;(c) steady-state;(d) wear rates圖4 試驗(yàn)樣品PI-1～PI-5的摩擦學(xué)性能表征:(a) 0～3 500 s；(b) 2 500～3 500 s；(c)穩(wěn)定時摩擦系數(shù)；(d)磨損率

Fig.5 Three-dimensional images of the wear morphology of test samples from PI-1 to PI-5:(a) PI-1;(b) PI-2;(c) PI-3;(d) PI-4;(e) PI-5圖5 試驗(yàn)樣品PI-1～PI-5磨痕形貌的三維圖片：(a) PI-1；(b) PI-2；(c) PI-3；(d) PI-4；(e) PI-5

2.4 磨損機(jī)理分析

樣品磨痕表面的光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡(SEM)如圖6所示.可以發(fā)現(xiàn)，圖6(a1)和6(b1)的磨痕較狹窄且清晰，表明兩種熱固化成形的PI耐磨性相對較好.此外，通過對比可以發(fā)現(xiàn)在圖6(a2)中較為光滑的表面上出現(xiàn)較淺的犁溝和部分磨屑，表明其磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和輕微疲勞磨損.而圖6(b2)的磨損表面則觀察到大量裂紋和磨屑，推斷由于接枝的光敏基團(tuán)的空間位阻使得PI芳香鏈段無法緊密排列，從而在磨損過程中發(fā)生塑性形變，所以考慮其磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和疲勞磨損.通過對比三種光固化成形的PI，在圖6(c2)的磨痕表面產(chǎn)生了微裂紋，考慮這是由于PI-3中加入了交聯(lián)劑TMPTA，在光引發(fā)雙鍵交聯(lián)固化的作用下使PI-GMA的光敏基團(tuán)與TMPTA緊密相連從而增強(qiáng)了分子間結(jié)合力，有效降低了磨損率，所以考慮其磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和較輕的疲勞磨損.最后，通過對比兩種相同配方不同成形方式的樣品PI-4和PI-5，可以發(fā)現(xiàn)PI-4磨痕表面[圖6(d1)]出現(xiàn)了縱向的裂紋，這表明活性稀釋劑NVP的引入會削弱其耐磨性，往復(fù)的摩擦過程使不耐磨的光固化基體產(chǎn)生塑性形變并開裂.而基于光固化3D打印的PI-5 [圖6(e1)]，并未產(chǎn)生縱向裂紋，但在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)兩種材料表面[圖6(d2)和(e2)]均發(fā)生了塑性形變，同時伴有大量磨屑產(chǎn)生并在磨損表面剝落，因此考慮其磨損機(jī)制主要為疲勞磨損和磨粒磨損.

Fig.6 Wear tracks of PI-1～PI-5 observed by an optical microscope and SEM micrographs:(a1,a2) PI-1;(b1,b2) PI-2;(c1,c2) PI-3;(d1,d2) PI-4;(e1,e2) PI-5圖6 用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡表征試驗(yàn)樣品PI-1～PI-5磨痕形貌的圖片：(a1,a2) PI-1；(b1,b2) PI-2；(c1,c2) PI-3；(d1,d2) PI-4；(e1,e2) PI-5

2.5 3D打印PI零部件

與傳統(tǒng)熱固化鑄造并機(jī)械加工的制造方式相比，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高精度和更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形制造.由于PI-5的配方通過3D打印成形，其樣品的機(jī)械性能較高且摩擦學(xué)性能也在可接受范圍內(nèi)，故采用PI-5的配方配制墨水并3D打印幾種常見的復(fù)雜工程零部件，并經(jīng)過高溫?fù)]發(fā)溶劑處理.如圖7所示，圖7(a～d)依次為3D打印的工程齒輪、錐齒輪、蝸桿和軸承構(gòu)件.將圖7(b)和7(d)中的樣品通過光學(xué)顯微鏡局部放大，證實(shí)了3D打印PSPI能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的高精度成形制造.在330 ℃的高溫測試中，樣品仍能保持原來的形狀，表明3D打印PSPI樣品在實(shí)際應(yīng)用中具有很高的熱穩(wěn)定性.通過3D打印制造的PSPI零部件不但具有精度高、成形性好和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，且成形工藝簡單，未來在航空航天、飛行器、空間裝備和先進(jìn)制造等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景.

Fig.7 Photographs of 3D printed (a) engineering gear,(b) bevel gear,(c) worm and (d) bearing圖7 3D打印的(a)工程齒輪，(b)錐齒輪，(c)蝸桿和(d)軸承的圖片

3 結(jié)論

本文中主要研究了光固化3D打印成形PI與傳統(tǒng)加工PI的摩擦學(xué)性能差異，分別通過光固化3D打印技術(shù)和涂膜鑄造對比研究了PSPI及熱固性PI的摩擦學(xué)性能、熱穩(wěn)定性及機(jī)械性能.結(jié)果表明3D打印的PSPI與涂膜鑄造成形的熱固性PI性能差異主要源于PSPI側(cè)鏈上光敏基團(tuán)的引入以及活性稀釋劑(NVP)和交聯(lián)劑(TMPTA)的存在，分析總結(jié)如下：

a.光固化3D打印PI的熱分解溫度為379 ℃，低于傳統(tǒng)熱固性PI的熱分解溫度(459 ℃),其主要原因是PSPI側(cè)鏈上光敏基團(tuán)的接枝以及配方中NVP和TMPTA的引入，降低了材料的熱穩(wěn)定性.

b.光固化3D打印PI的機(jī)械性能(硬度為0.43 GPa，模量為4.80 GPa)與傳統(tǒng)熱固化成形PI的機(jī)械性能(硬度為0.44 GPa，模量為4.78 GPa)基本相當(dāng).光固化PI前驅(qū)體樹脂PI-GMA固化成形后的機(jī)械性能不佳，應(yīng)與其側(cè)鏈GMA光敏基團(tuán)的引入有關(guān).但在配方中加入NVP和TMPTA后，其材料機(jī)械性能顯著提升至與傳統(tǒng)加工PI相當(dāng)?shù)乃?，說明活性稀釋劑、交聯(lián)劑和PSPI側(cè)鏈上光敏基團(tuán)的協(xié)同作用可以增強(qiáng)PSPI的機(jī)械性能.

c.光固化3D打印PI的摩擦學(xué)性能[摩擦系數(shù)為0.76，磨損率為4.9×10-5mm3/(N·m)]略低于傳統(tǒng)涂膜熱固化PI樣品[摩擦系數(shù)為0.68，磨損率為4.0×10-5mm3/(N·m)]，容易在磨損過程中發(fā)生塑性形變，其主要原因是在光固化3D打印PI配方中引入NVP和TMPTA.

綜上所述，為實(shí)現(xiàn)快速光固化3D打印成形，在光固化3D打印PI配方中加入的NVP和TMPTA等組分降低了樣品的熱穩(wěn)定性和摩擦學(xué)性能，但對機(jī)械性能具有提升作用.雖然光固化3D打印PI的耐熱性和摩擦學(xué)性能比傳統(tǒng)PI略差，但相較于傳統(tǒng)鑄造成形為塊體再熱加工的熱固性PI，3D打印PI具有制造工藝簡單、一體化成形、極高精度和材料均勻度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此可為新型PI基復(fù)雜結(jié)構(gòu)潤滑零部件的設(shè)計制造及其在航空航天和高端裝備等領(lǐng)域的研究提供新思路.