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文檔簡介
1、熔融沉積成型(FDM)是目前應(yīng)用最為廣泛的3D打印技術(shù),它要求成型線材具有熔融溫度低、黏度低、粘結(jié)性好、收縮率小等特點(diǎn),聚乳酸(PLA)線材具有良好的生物降解性、兼容性與可加工性,是極具應(yīng)用前景的品種之一,然而,其力學(xué)性能較差、導(dǎo)電性能極弱影響了其工程應(yīng)用范圍。石墨烯具有優(yōu)異的電、熱、磁和力等性能,有望作為聚乳酸線材改性的理想填料。為促進(jìn)FDM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,本課題研究PLA/石墨烯復(fù)合線材制備技術(shù),并進(jìn)行FDM打印實(shí)驗(yàn)研究。
2、 采用機(jī)械球磨法制備了PLA/石墨烯復(fù)合微粒,并對其包覆機(jī)理及其包覆量變化規(guī)律進(jìn)行了研究,在利用熱壓成型法制備聚乳酸/石墨烯復(fù)合試樣的基礎(chǔ)上,分析不同的復(fù)合微粒成型工藝性及電學(xué)、力學(xué)性能。結(jié)果表明:石墨烯包覆過程分為三個(gè)階段:少量石墨烯時(shí)以機(jī)械咬合的方式填充載粒子表面的凹陷,適量石墨烯時(shí)靜電吸附于載粒子表面逐漸達(dá)到包覆量上限,過量石墨烯時(shí)填充載粒子間隙甚至溢出;石墨烯的加入使得復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和導(dǎo)電性能顯著提高,且采用較小粒徑的聚乳
3、酸作為載粒子時(shí),抗彎強(qiáng)度和導(dǎo)電性提升更加明顯,其抗彎強(qiáng)度最高為57.87MPa,比未添加石墨烯提高了114.61%,石墨烯含量為9%時(shí)的電導(dǎo)率可達(dá)到0.202S/cm,當(dāng)石墨烯添加量超過9%時(shí),在160℃,6MPa壓力條件下,復(fù)合材料的表面出現(xiàn)裂紋、破碎等嚴(yán)重缺陷,其成型性較差;利用KH-550偶聯(lián)劑事先對PLA改性,可以提升復(fù)合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能,其中,KH-550與石墨烯添加量分別為1%、5%時(shí),電導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度分別分別可達(dá)到
4、0.045S/cm、54.282MPa,比未添加偶聯(lián)劑時(shí)的性能分別提高了34.5%、21.9%。
研制了PLA/石墨烯復(fù)合線材擠出成型機(jī),并對?1.75mm的PLA/石墨烯復(fù)合線材成型工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,探索了不同的石墨烯含量對復(fù)合線材的電導(dǎo)率、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率影響。結(jié)果表明:為了保證線材成型質(zhì)量,避免內(nèi)部產(chǎn)生氣孔,需要對復(fù)合微粒進(jìn)行60℃下4h烘干處理,為了防止復(fù)合線材扭曲變形,應(yīng)適當(dāng)提高冷卻水溫至40℃;為了控制線徑大
5、小,應(yīng)控制牽引機(jī)構(gòu)輥輪轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi),當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、5%、6%時(shí),輥輪最佳轉(zhuǎn)速分別為12r/min、14或16r/min、16r/min;PLA/石墨烯復(fù)合線材的電導(dǎo)率隨著石墨烯含量的增加而增大,而拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率隨之減小,當(dāng)石墨烯含量高于3%時(shí),石墨烯復(fù)合線材的電導(dǎo)率可達(dá)到10-3S/cm,而當(dāng)石墨烯含量為6%時(shí),其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率僅為36.7MPa和4.6%,低于合格線材的要求,故PLA/石墨烯復(fù)合線材中合適的石
6、墨烯添加量應(yīng)為4~5%。
利用FDM成型機(jī)進(jìn)行了3D打印工藝實(shí)驗(yàn)研究,對比研究了不同的打印溫度、打印速度、打印填充度、打印填充結(jié)構(gòu)對試樣的電學(xué)性能和力學(xué)性能影響。結(jié)果表明:打印溫度的升高會(huì)對試樣的電導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度有一定程度的提升;打印速度的增加將導(dǎo)致試樣的電導(dǎo)率減小,抗彎強(qiáng)度增大;打印填充度增加時(shí)試樣的電導(dǎo)率基本保持不變,而抗彎強(qiáng)度逐漸增大;打印填充結(jié)構(gòu)的改變不影響試樣的電導(dǎo)率,但抗彎強(qiáng)度依直線、同心、蜂窩結(jié)構(gòu)的順序逐漸增大;
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