聚合物基微納米功能復(fù)合材料3D打印加工的實踐探析

陳磊，陳月

聚合物基微納米功能復(fù)合材料3D打印加工的實踐探析

陳磊，陳月

（盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124000）

目前我國3D打印技術(shù)自身具有獨特性，所以在各行各業(yè)得到了廣泛的技術(shù)發(fā)展，是目前我國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)中重要組成部分。但是實際操作過程中，3D打印技術(shù)受到了材料的約束，需要我國技術(shù)人員針對聚合物基微納米功能復(fù)合材料進(jìn)行全面探索。首先針對3D打印加工技術(shù)限制因素進(jìn)行綜合闡述，并且結(jié)合壓電納米技術(shù)以及生物醫(yī)用納米技術(shù)總結(jié)出納米功能復(fù)合材料加工技術(shù)應(yīng)用。

聚合物基微納米功能復(fù)合材料；3D打??；納米技術(shù)；基礎(chǔ)性能

3D打印技術(shù)，又被稱為快速立體成型技術(shù)，其技術(shù)主要以數(shù)字和信息模型作為基礎(chǔ)條件，使用黏合材質(zhì)，逐層打印立體結(jié)構(gòu)物體。與傳統(tǒng)的加工成型方法相比，3D打印具有快速成型、加工成本低、逐層打印、高精確度、自動化程度高、個性化程度強的特點，可以制備出常規(guī)加工方法不能制備的特殊形狀的產(chǎn)品，因此在很多高科技領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。同時3D打印技術(shù)也存在很多亟待解決的難題，例如3D打印材料的選擇、打印設(shè)備的使用、打印技術(shù)的操作原理等[1-2]。

1 3D打印加工技術(shù)限制因素

1.1 打印材料

在工業(yè)生產(chǎn)中，雖然相對高速的工業(yè)打印可以有效完成塑料、金屬或者陶瓷物質(zhì)的結(jié)構(gòu)打印，但是實際使用過程中，其打印材料卻無法有效普及，十分昂貴。除此之外，其打印設(shè)備的基礎(chǔ)功能仍處于初級階段，不能有效完成日常生活中可以隨時接觸材料的打印，最終打印材料成為3D打印加工技術(shù)的主要限制因素[3]。

1.2 打印設(shè)備

3D打印技術(shù)在我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計以及幾何物體的制作方面上，已經(jīng)取得了一定程度的變化和成果，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，靜態(tài)物體和形態(tài)可以被有效的打印，但是針對動態(tài)物體，目前打印設(shè)備的核心技術(shù)無法有效實現(xiàn)清晰模仿和打印。然而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，此項困難在未來技術(shù)研發(fā)中可以有效被解決[4]。

1.3 經(jīng)濟支出

由于現(xiàn)階段我國3D打印技術(shù)沒有得到全面普及，同時其技術(shù)生產(chǎn)構(gòu)成中，無論是設(shè)備引進(jìn)還是材料選擇，所需要承擔(dān)的經(jīng)濟費用相對較高。所以3D打印技術(shù)想要有效普及，都需要將生產(chǎn)成本進(jìn)行降低。

2 納米功能復(fù)合材料加工技術(shù)應(yīng)用

聚合物基材料加工條件溫和、易于改性成型，是最適合3D打印個性化生產(chǎn)和規(guī)?；瘧?yīng)用的材料。但仍需解決可選擇原料種類少、結(jié)構(gòu)單一、打印精度和層間強度有待提高、傳統(tǒng)聚合物加工理論不完全適用等問題。目前，已建立了多種聚合物材料3D打印技術(shù)，如選擇性激光燒結(jié)（SLS）[5]、熔融沉積成型（FDM）[6-8]、立體光刻成型（SLA）[9-10]、三維打?。?DP）等[11-13]，可以制備傳統(tǒng)加工方法不能或難以制造的結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜的制品[14-17]；可以打印多層次結(jié)構(gòu)，如取向結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)、微孔結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可以通過3D打印加工制備無人機、微型衛(wèi)星、義肢等[18]。

2.1 壓電納米技術(shù)[19]

尼龍 11pall型號在3D打印技術(shù)中得到廣泛的使用，是少數(shù)具有壓電性能的復(fù)合材料之一，其材質(zhì)具有吸水性低、技術(shù)加工性能和力學(xué)性能優(yōu)秀的材料使用特點，而鈦酸鋇物質(zhì)又被稱為BT，是一種具有良好電力性能的壓電材料，在實際應(yīng)用和測試過程中，自身具備較高的壓電性能和電力介質(zhì)性能，所以技術(shù)人員通過有機技術(shù)處理和無機技術(shù)處理，將兩者物質(zhì)相互結(jié)合，最終制作成具備優(yōu)秀壓電性能和熱量加工性能的聚合物基微納米功能復(fù)合材料。但是在設(shè)計材料生產(chǎn)過程中，其主要難點和重點則在于將兩者原材料的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行分散，進(jìn)而有效完成微納米半復(fù)合材料的外部形態(tài)熱塑加 工[20]。

針對此種現(xiàn)狀，可以使用固態(tài)剪切和研磨等方法進(jìn)行零件的制作，最終得出材料的BT總體含量可以高達(dá)85%，并且在材料應(yīng)用時，自身具有良好分散性，以此為制作高基礎(chǔ)性能和高屬性的3D打印技術(shù)，提供了全新的聚合物基微納米功能復(fù)合材料。其中固定剪切和碾磨技術(shù)在日常操作過程中，主要在基礎(chǔ)磨盤形態(tài)下，針對3D打印技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和完善，以此形成全新的高分子材料加工技術(shù)。加上固定化學(xué)反應(yīng)設(shè)備實施3D打印技術(shù)后，自身具備特殊形態(tài)的三維剪切結(jié)構(gòu)，所以在實際研磨過程中會產(chǎn)生大量三維力場，以此有效針對原材料進(jìn)行粉碎和分散，最終實現(xiàn)3D打印技術(shù)的超細(xì)粉碎以及納米復(fù)合。而未經(jīng)過研磨的尼龍11pall與BT復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系中的BT粒子結(jié)合現(xiàn)狀十分嚴(yán)重，并且在研磨設(shè)備強大的三維剪切力場作用下，有效完成和實現(xiàn)了高物質(zhì)填充的BT粒子在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體中均勻分散。加上聚合物基微納米功能復(fù)合材料自身具備強大的阻尼感和性能，所以已經(jīng)制作完成的尼龍11pall與BT物質(zhì)已經(jīng)具有微型熱塑和加工性能。在實際生產(chǎn)時，使用3D打印技術(shù)后，整體模型制作速度較快，其填充時間均小于10 m·s-1，以此有效完成了技術(shù)的生產(chǎn)和應(yīng)用。在3D打印技術(shù)的應(yīng)用過程中，首次完成了對尼龍11pall與BT材質(zhì)的微型加工技術(shù)，并且其加工溫度保持在 270 ℃，最終有效實現(xiàn)了3D打印技術(shù)的加工和生產(chǎn)，尤其是在產(chǎn)品微型生產(chǎn)過程中，其注射數(shù)據(jù)壓力的峰值以及模型壓力均在合理的范圍內(nèi)，對微型樣品結(jié)構(gòu)的形態(tài)也具有良好的保證。

2.2 碳納米管復(fù)合技術(shù)

熱塑性聚氨酯（TPU）材料加工性能好，生物相容性好，但不導(dǎo)電，碳納米管（CNTs）導(dǎo)電性能優(yōu)異、力學(xué)性能好[21]，將兩者進(jìn)行復(fù)合，通過選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制備出性能優(yōu)越的TPU/CNTs納米復(fù)合材料。碳納米管的加入可顯著提高聚氨酯材料的導(dǎo)電率。通過激光燒結(jié)技術(shù)使碳納米管附著在聚氨酯表層，比傳統(tǒng)的模壓注射成型的制品導(dǎo)電率高出數(shù)倍。碳納米管的加入使其材料具有復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，同時又能制備出形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)規(guī)整的TPU/CNTs制品，使制品具有良好的導(dǎo)電性能和優(yōu)異的柔韌性，可用于壓力傳感器柔性導(dǎo)電制件，在很多方面有重要應(yīng)用。

2.3 生物醫(yī)用納米技術(shù)[22-24]

聚乙烯醇物質(zhì)在醫(yī)學(xué)生產(chǎn)過程中又被稱為PVA，其物質(zhì)自身具備良好的力學(xué)綜合性能，可以有效與生物進(jìn)行相互融合，但是在實際結(jié)合和操作過程中缺少生物自身的活性指數(shù)。羥基磷灰石又被稱為HA，其物質(zhì)本身具有良好的生物基礎(chǔ)活動和生物通用性，但是物質(zhì)力學(xué)性質(zhì)相對較差。所以想要在醫(yī)學(xué)納米技術(shù)研究中引進(jìn)3D打印技術(shù)，就需要將PVA物質(zhì)與HA物質(zhì)進(jìn)行組合，以此制造出具有較高力學(xué)性能、生物基礎(chǔ)活動以及生物基礎(chǔ)通用性的聚合物基微納米功能復(fù)合材料。最后使用其材料結(jié)合3D打印技術(shù)，生產(chǎn)出生物醫(yī)用的微型零部件。

在實際生產(chǎn)和制作PVA/HA復(fù)合材料時，其生產(chǎn)難點主要在PVA物質(zhì)中的多羥基強氫鍵結(jié)構(gòu)方面，由于其結(jié)構(gòu)特點、自身熔點以及溫度分散點十分相近，所以材料組合研究時，不能使用熱量加工。除此之外，HA物質(zhì)結(jié)構(gòu)中的納米粒子組合難點則在于如何在PVA物質(zhì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體中進(jìn)行均勻的分散和結(jié)合。通過技術(shù)人員的不懈努力，依靠物質(zhì)分子的重復(fù)結(jié)合，最終完成了PVA物質(zhì)的熱量加工。

而材料使用固態(tài)研磨方法進(jìn)行制作和結(jié)合時，應(yīng)該選擇具有高填充能力的PVA/HA 納米復(fù)合材料，以此作為基礎(chǔ)，有效完成微型模式的注入和蘇醒技術(shù)要求，其中分子的加工和充分主要指的是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，將高分子物質(zhì)依靠庫侖力進(jìn)行轉(zhuǎn)化，尤其是在分子結(jié)構(gòu)上針對其聚合物進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而有效改善其材料的基礎(chǔ)性能。而在材料復(fù)合過程中，選擇與PVA材質(zhì)結(jié)構(gòu)相互互補的復(fù)合物，最終形成復(fù)合形態(tài)的加工材料，從根本上有效抑制了PVA物質(zhì)的結(jié)晶，減少物質(zhì)熔點系數(shù)，提升物質(zhì)的分解整體溫度，進(jìn)而完成在100 ℃以上進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱塑和技術(shù)加工。使用此種技術(shù)不僅緩解PVA物質(zhì)在生產(chǎn)和復(fù)合過程中，無法使用熱量加工的核心問題，一定程度上還能降低其復(fù)合物質(zhì)的基礎(chǔ)熔點，有利于后續(xù)微型零部件以及3D打印技術(shù)的應(yīng)用和加工[25]。

在材料復(fù)合加工技術(shù)中，研磨技術(shù)自身強大的剪切力場，可完成將高含量的HA物質(zhì)顆粒在PVA物質(zhì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體中進(jìn)行均勻分散。并且經(jīng)過分子進(jìn)行復(fù)合和轉(zhuǎn)變后，其PVA物質(zhì)結(jié)晶程度會有所降低。而磨盤碾磨技術(shù)在實際操作過程中，并不會損壞納米復(fù)合材料的HA物質(zhì)所產(chǎn)生的晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而有效保證生物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)活性。而在HA物質(zhì)和PVA物質(zhì)之間所產(chǎn)生的氫鍵物質(zhì)，以及HA物質(zhì)的空間阻隔性質(zhì)，一定程度上可以有效抑制PVA物質(zhì)的結(jié)晶。尤其是在制作兩者復(fù)合形態(tài)納米材料時，其自身材料已經(jīng)具有較高的力學(xué)特點，材料整體的拉伸強度可以達(dá)到32 MPa，并且經(jīng)過高壓拉伸后，斷裂伸長效率也同樣達(dá)到567%左右。加上PVA物質(zhì)材質(zhì)無法使用加熱功能進(jìn)行外部形態(tài)塑造，而使用無機技術(shù)進(jìn)行材料填充后，以PVA物質(zhì)為基礎(chǔ)的復(fù)合形態(tài)材料，使用加熱技術(shù)難度系數(shù)則更高，為此使用此種材料進(jìn)行3D打印技術(shù)生產(chǎn)是無法有效完成外形的塑造。針對此種材料性能特點和使用現(xiàn)狀，技術(shù)人員通過分子之間的整合、分散、固定以及研磨等相關(guān)技術(shù)，全面完善、優(yōu)化微型零部件外部塑形的基礎(chǔ)工藝環(huán)境和條件，實現(xiàn)材料的外部形態(tài)加工和內(nèi)部填充，最終利用以上技術(shù)首次實現(xiàn)了醫(yī)用微型復(fù)合材料中HA物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%。

3 結(jié)束語

通過聚合物基納米復(fù)合材料的制備，利用選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成型等加工成型方法，制備出結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的制品，以及傳統(tǒng)成型加工工藝無法制備的新型功能高分子材料。由此可見，3D打印技術(shù)在實際操作和生產(chǎn)過程中，更加適合生產(chǎn)小規(guī)模的物體，例如汽車核心零件等，所以針對其基礎(chǔ)材料的研究需要不斷被優(yōu)化和發(fā)展，才能保證其技術(shù)未來應(yīng)用范圍逐漸廣泛。

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Practical Analysis of 3D Printing Processing of Polymer-based Micro-nano Functional Composite Materials

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（Panjin Vocational & Technical College, Panjin Liaoning 124000, China）

With its own uniqueness, 3D printing technology in our country has been extensively developed in various industries and has become an important part of advanced science and technology nationally at present. However, 3D printing technology is constrained by materials in the actual operation process, and it is necessary for Chinese technicians to conduct a comprehensive exploration of polymer-based micro-nano functional composite materials. In this article, the limiting factors of 3D printing processing technology were analyzed, and piezoelectric nanotechnology and biomedical nanotechnology were combined to summarize the application of nano-functional composite material processing technology.

Polymer-based micro-nano functional composite materials; 3D printing; Nanotechnology; Basic performance

2021-09-08

陳磊（1985-），女，遼寧省葫蘆島市人，講師，碩士研究生， 2011年畢業(yè)于沈陽化工大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)，研究方向：3D打印技術(shù)、聚合物加工生產(chǎn)技術(shù)、化工專業(yè)教學(xué)改革。

陳月（1976-），女，副教授，碩士研究生，研究方向：化工教學(xué)改革、化工生產(chǎn)技術(shù)。

TQ050.4+3

A

1004-0935（2022）03-0391-04