基于FDM的PLA基多孔复合材料的制备与性能研究

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聚合物多孔材料是当前材料科学研究领域的一大热点,但目前常规的聚合物致孔技术难以实现复杂结构、个性定制多孔材料的成型。3D打印(3D Printing,3DP)在复杂结构快速成型、个性定制和缩短开发周期方面具有明显的优势。熔融沉积成型(Fused Deposition Modelling,FDM)是典型的3D打印快速成型工艺,因其成本低、设备简单,发展迅猛。但目前FDM 3D打印机精度所限,难以打印微纳孔结构。针对上述问题,本文采用熔融共混挤出法制备了一类新型聚乳酸(PLA)基FDM复合材料,并探索了3D打印—水洗(3D Printing-Washing,3DP-W)制备PLA基多孔器件的新方法。本文重点研究了聚乙烯醇(PVA)和硫酸钠(Na2SO4)两类水溶性致孔剂与PLA共混改性制备的新型PLA基复合线材及3DP-W法制备的复合多孔器件。复合材料的力学性能、热性能、加工性能、降解性能与孔结构等采用万能力学试验机、同步热分析仪、热变形温度测试仪、MFR、XRD和SEM等进行了测试与表征。首先,研究了以PVA为致孔剂的PVA/PLA多孔复合材料体系。初步进行了复合材料配方设计,确定了挤出温度区间,重点考察了PVA含量、增韧剂等因素对多孔复合材料性能的影响。结果表明:适宜的挤出温度区间为170180℃;PVA的加入提高了复合材料的耐热性和结晶度,改善了其降解性能;随着PVA含量的增加,复合材料孔隙率增大,拉伸强度下降,流动性和韧性明显下降。当PVA的含量为30wt%时,器件的孔隙率达23.1%,复合材料拉伸强度为51.61MPa,但流动性和韧性待改善;进而采用PBAT、EVA、PEG和TPU等4种增韧剂对PVA/PLA质量配比为30/70的复合材料改性,增韧后复合材料的断裂伸长率和冲击强度均提高,增韧剂用量为5wt%时,增韧效果排序为EVA>TPU>PBAT>PEG,流动性改善效果排序为PEG>PBAT>TPU>EVA。5wt%PBAT增韧的PVA/PLA复合FDM线材柔韧性好、尺寸均匀,符合打印要求。然后,研究了以Na2SO4为致孔剂的Na2SO4/PLA多孔复合材料体系。重点考察了不同Na2SO4/PLA配比以及增韧剂、增塑剂等因素对复合材料性能影响。结果表明:Na2SO4的加入提高了复合材料的耐热性能、结晶性能和降解性能等;随着Na2SO4含量增加,复合材料孔隙率增大,但强度、韧性和流动性下降;当Na2SO4/PLA质量配比为30/70时,器件的孔隙率为25.9%,复合材料的拉伸强度为43.58MPa,冲击强度为11.53kJ/m2,MFR为3.62g/10min;通过添加增韧剂TPU和增塑剂环己烷1,2-二甲酸二异壬基酯(DINCH)等改性,复合材料的冲击强度和MFR分别提高到14.45kJ/m2和5.38g/10min,改善了其韧性和流动性。其次,还考察了不同球磨时间对多孔复合材料孔隙的影响。结果表明:适宜的球磨共混为3h,此时复合材料经水洗致孔的效果最好,孔隙率高且孔较为均匀。用3D软件设计3D模型,将上述制得的PLA基复合线材,在FDM桌面3D打印机中打印具有复杂结构的器件模型,再通过水洗法除去器件模型中的致孔剂,制备出具有微米级孔的PLA基器件,验证了3D打印—水洗法制备PLA基多孔器件的可行性,在过滤、吸附等方面具有潜在应用价值。
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