清華大學研究PLA和PBS的共混物是否適合FDM 3D打印
發表時間：2018年11月05日瀏覽量：
摘要中寫道：“為了獲得用于熔融沉積成型（FDM）打印的高韌性和高強度的新型可生物降解材料，通過與聚乳酸（PLA）共混制備了一系列聚（丁二酸丁二醇酯）（PBS）基聚合物材料。對共混物的流變性能、熱性能和機械性能以及FDM打印性能，如變形、橫截面和層間粘合強度進行了表征。結果表明，增加PLA含量，共混物具有較高的熔體粘度，較大的拉伸強度和模量，更適合于FDM打印。特別是當PLA的含量大于40％時，由于殘余應力收縮引起的變形在打印過程中消失，從而得到尺寸精度好、光澤珠光的產品。結果表明，粘度適中、結晶度低、模量高的共混物更適合于FDM打印。與商業FDM打印材料斷裂時的低伸長率相比，PBS / PLA共混物材料表現出典型的延性行為，伸長率為90-300％。因此，PBS / PLA共混物除了具有生物降解性之外，還具有優異的機械性能和作為FDM打印材料的適用性。此外，我們的研究有望提供評估熱塑性聚合物材料是否適合FDM打印的方法。”
通過FDM 3D打印制備的PBS /PLA混合棒的外觀
在原型設計方面，FDM是最廣泛采用的技術之一，并且已經對該技術進行了大量的材料研究。研究人員一直在努力開發用于FDM 3D打印的新型聚合物材料，具有高尺寸精度和良好的機械性能。PLA，理論上可以在自然條件下制成二氧化碳和水，但不幸的是它是脆性材料，這限制了它的應用。
PBS具有良好的熱穩定性，熔點較低，延展性好，這使其適用于FDM 3D打印。但是，關于使用3D打印絲材的研究還不多。
研究人員解釋說：“低熔體強度導致擠出時難以連續形成單絲的原因之一，這使得打印失敗了一半。此外，冷卻過程中相對較大的體積收縮引起的變形可能在結晶后發生，從而導致產品缺陷。因此，PBS的改性對于上述缺點和對該材料適用于FDM打印來說是非常必要的。”
通過共混材料，可以將這兩種組分的優點結合起來，這就是為什么這種改性方法經常用于聚合物材料的原因。關于PBS共混物在FDM 3D打印中的應用研究甚少，因此清華研究團隊也在加大力度。
研究人員寫道：“研究了共混物的流變性、熱學和機械性能，并用這些絲材打印了不同的樣品，以評估它們對FDM系統的適用性。還測定了打印產品中的層間粘合強度。此外，我們期望找到材料性能與FDM打印性能之間的關系，以便為判斷熱塑性聚合物材料（不限于聚合物共混物）是否適合FDM打印提供參考。”
垂直打印的PBS40/ PLA60樣品用于測試層間粘合強度
該團隊首先在真空烘箱中將PBS和PLA顆粒在65℃下干燥12小時，然后將混合顆粒擠出成絲材用于FDM 3D打印。除了一些其他形狀，如兔子，還打印了長方體模型以顯示變形，這可能是FDM中需要克服的障礙。
測量了聚合物共混熔體的剪切粘度以及熱性能，如玻璃化轉變溫度。除了對這些棒進行熱分析，以“研究FDM打印工藝對PBS/PLA共混物結晶行為的影響”之外，研究人員還注射成型聚合物共混物顆粒，制成啞鈴形和長方體棒用于拉伸和沖擊試驗。
研究人員解釋說：“所有共混物都顯示出優異的加工性能，可通過單螺桿擠出機擠出成直徑為1.75毫米的單絲。隨著PBS含量的增加，共混物的斷裂伸長率和沖擊強度出現。然而，由于共混物中結晶度較高，導致較大的體積收縮，打印棒的變形增加。此外，由于熔體粘度降低，層間粘合強度提高。當共混物中的PLA含量不低于40wt%時，FDM打印在室溫下也不能觀察到變形，也不能脫離平臺，可以順利進行。”
該論文指出PBS60 / PLA40和PBS40/ PLA60在層間粘合強度、材料韌性和變形方面是用于FDM 3D打印的“最佳共混組合物”。
研究人員總結道：“珍珠般的光澤、良好的機械性能以及良好的尺寸精度，生物基PBS /PLA是生產FDM絲材的新型材料，適用于許多領域，特別是建筑設計。此外，我們研究還將為評估熱塑性聚合物材料是否適合FDM打印提供參考。”
來源：增材之光
