氧化劑對提升高分子3D打印材料熱穩定性效果分析

鄭翔宇

摘要：高分子3D打印材料經常容易受到高溫的影響，所以對其熱穩定性能有一定的要求。本文選擇氧化劑提升高分子3D打印材料的熱穩定性。通過實驗研究的方法，對兩種不同的氧化劑應用于高分子材料中分析其熱穩定性效果。實驗結果表明：相比于氧化劑1，氧化劑2對高分子材料的熱穩定性能有明顯的提高;氧化劑的用量對提高高分子材料的熱穩定性效果不明顯，所以選擇0.5%的氧化劑更有利于節約成本。

關鍵詞：氧化劑;高分子3D打印材料;熱穩定性

中圖分類號：TQ031.7 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）10-0074-05

隨著我國科學技術的快速發展，3D打印發揮越來越重要的作用，其中3D打印技術能夠快速的制造出所需要的模型，而且操作簡單，速度較快，還可以節約成本。高分子材料作為3D打印的重要材料，也是用的最多的一種材料，對其性能要求比較高。在打印過程中，會存在一種高溫的現象，當溫度過高時就會影響到高分子材料的熱穩定性能，從而影響3D打印的工作質量和工作效率-引。所以提高3D打印高分子材料的熱穩定性迫不及待的需要解決。氧化劑對高分子熱穩定性有一定的輔助作用，所以文章將對氧化劑提升3D打印高分子材料熱穩定性進行實驗分析。

1實驗部分

1.1實驗方式

實驗所需要的原料有氧化劑1、氧化劑2、3D打印機高分子材料。首先將3D打印機高分子材料用碾磨儀打碎一分鐘，然后稱取兩份的4.95g出來，再對氧化劑1和氧化劑2稱取O.05g，將這兩種不同的氧化劑分別加入到兩份高分子材料中進行充分的混合。將兩種混合材料放人平板硫化機中進行加熱，制作成薄片，用于熱穩定性分析。

1.2實驗結果與討論

1.2.1氧化劑對高分子材料的熱分解影響

為了檢驗氧化劑的含量對高分子材料的熱穩定性的影響，所以分別取氧化劑的量為1%和0.5%的兩種氧化劑，即有0.5%氧化劑1和2、1%氧化劑1、0.5%氧化劑2和1%氧化劑2，升溫速度為20K/min。圖1即為TG和DTG圖，從圖中可以看出，加入氧化劑1的量為1%時，高分子3D打印材料大約在220℃時開始熱分解，當溫度達到了406%后高分子材料即完全分解了。其他三種混合的氧化劑的試樣大約都是在232℃開始分解、445°C開始完全分解。如圖1所示的DTG圖可知，0.5%氧化劑2的高分子試樣最陜分解溫度為408.1℃，1%氧化劑2的高分子試樣最快分解溫度為404.1℃，0.5%氧化劑1和2的高分子試樣最快分解溫度為409.3°，1%氧化劑1的高分子試佯存在一個吸熱峰是404.3°C。因此，當加人氧化劑1和氧化劑2后，與不加氧化劑的試樣相比，其開始熱分解溫度、最快分解溫度和完全分解溫度都有所提高，所以當加人氧化劑時能夠提高高分子3D打印的熱穩定性能。然而從圖中可以看出氧化劑1對提高材料的熱穩定性能比較小，而氧化劑2能夠很明顯的提高材料的熱穩定性能，所以，氧化劑2比氧化劑1更能提高高分子的熱穩定性能。

1.2.2氧化劑對高分子材料熔融狀態下的熱降解

為了檢驗不同溫度下氧化劑對高分子材料的熱降解情況，將所有的試樣分別放人220℃、225℃、230℃、235℃的溫度下30min。如表1所示為實驗結果，從表1中可以看出，加入氧化劑2的試樣熱降解失重減少，而且是明顯的，不像加入氧化劑1的試樣改善得并不明顯，所以加入氧化劑2更能夠提高高分子材料的熱穩定性能，而且在不同的溫度條件下，其穩定效果也能保持比較好的狀態，而不同量的氧化劑2對高分子的熱穩定性能提高能力差別不大。

2加入氧化劑后高分子材料的熱分解動力學分析

設置的升溫速度為5K/min、7K/min、10K/min、15K/min、20K/min，以0.5%的氧化劑1和2的高分子材料作為實驗試樣，通過TG熱失重分析，得到熱分解分析圖，圖2即為實驗結果，從圖2中可以看出，當升溫速度越來越大時，試樣的開始分解溫度、結束分解溫度和最快分解溫度都會越來越大，即升溫速度與試樣的熱穩定性能成正比關系。出現這種現象的原因有可能是當升溫速度越來越快之后，就會導致熱傳遞滯后，于是試樣的三個分解溫度不斷增加。

2.1Flynn-Wall-Ozawa法

Flynn-Wall-Ozawa法是熱分析動力學最為常用的一種積分方法，其原理就是通過不同升溫速率下的熱重分析曲線中lgβ與1/T之間的線性關系來確定E值。接下來我們將用此方法分析高分子3D打印材料的熱分解動力學。

在圖2中不同升溫速度下試樣的TG曲線，可以得出不同升溫速度下高分子的熱分解數據，如表2所示。

通過表2的數據，根據Flynn-Wall-Ozawa法，通過使用最小二乘法可以得出如圖3所示的線性擬合曲線。

通過圖3的熱分解分析圖可知曲線截距數值，就可以進一步分析出0.5%氧化劑1和2的高分子材料的熱分解表現活化能E和線性相關系數R2，具體數值如表3所示。從表3中可以看出，當加入1%氧化劑1和2后，高分子材料的E值為139.8k/tool，與不加氧化劑的高分子材料相比，E值是明顯的提高，說明加人1%氧化劑1和2后高分子的熱穩定性能是明顯的提高了。

上面的實驗僅僅只對1%的氧化劑1和2的高分子材料進行了分析，接下來將對其余的三個類別的進行熱失重分析。表4即為1%的氧化劑1的高分子材料E值和R²結果，表5即為1%氧化劑2的高分子材料E值和R²結果，表6即為0.5%的氧化劑2的高分子材料E值和R²結果。

從表4中可以看出，加人1%的氧化劑1的高分子材料熱分解活化能均值為121.5k/mol，與不加人氧化劑的高分子材料相比，兩個值差不多，所以，氧化劑1對高分子材料熱穩定性的影響比較有限。從表5中可以看出，加入1%的氧化劑2的高分子材料的平均值E為138.8k/tool，可見與不添加氧化劑的試樣相比，其平均E值有明顯的提高，說明氧化劑

2能夠提高高分子材料的熱穩定性能。

從表6中可以看出來，0.5%的氧化劑2的高分子材料的平均E值為137.7k/tool，與圖5中的E值很接近，說明了0.5%的氧化劑2和1%的氧化劑2對高分子的E值影響一樣，所以氧化劑2的用量不會影響高分子材料的熱穩定性能，為了節約材料，選擇0.5%的氧化劑2就可以很明顯的提高高分子材料的熱穩定性能。

還是以圖2為研究依據，根據圖2可知0.5%的氧化劑1和2的溫度值。如表7所示。

表8為0.5%的氧化劑1和2的高分子材料熱分解動力學參數，從表中可以看出，其平均E值為149.1kJ/mol，相對于沒有加氧化劑的高分子材料來說，E值有了明顯的提高。

同理可知，可以得出加入1%的氧化劑1、1%的氧化劑2、0.5%的氧化劑2的高分子材料的熱分解動力學參數。

表9為1%的氧化劑1高分子材料熱分解動力學參數，從表中可以看出來，1%的氧化劑1高分子材料的E值為123.1kJ/mol，與沒有加氧化劑的高分子材料相比，E值沒有很明顯的提高，說明氧化劑1對高分子材料的熱穩定性能提高不明顯。

表10為1%的氧化劑2高分子材料熱分解動力學參數，從下表中可以看出，1%的氧化劑2高分子材料的平均E值為150kJ/tool，與沒有加入氧化劑的高分子材料相比，平均E值有了很大的提高。說明1%的氧化劑2能夠提高高分子材料的熱穩定性能。

表11為0.5%的氧化劑2高分子材料熱分解動力學參數，從下表中可以看出，0.5%的氧化劑2高分子材料的平均E值為150.5mol，與上表中的平均E值很接近，相對于沒有加氧化劑的高分子材料來說，0.5%的氧化劑2高分子材料的平均E值增加比較明顯。

3結語

通過氧化劑對提升高分子3D打印材料的熱穩定性效果研究，首先分析了氧化劑對高分子3D打印材料的熱穩定性影響，然后再將0.5%和1%的兩種氧化劑放于220℃、225℃、230℃、235℃的溫度下進行熱降解分析，最后就是對不同量、不同氧化劑對高分子3D打印材料進行熱分解動力學分析，通過使用了Fly.nn-Wall-Ozawa法和Coats-Redfem法分析熱分解動力學。通過以上的實驗研究表明，氧化劑2提高高分子3D打印材料的熱穩定性的效果更加明顯，即氧化劑2更有助于提高高分子的熱穩定性;0.5%的氧化劑和1%的氧化劑提高高分子熱穩定性的效果相差不大，所以選擇0.5%的氧化劑更有助于節約成本;升溫速度越來越大時，試樣的開始分解溫度、結束分解溫度和最快分解溫度都會越來越大，即升溫速度與試樣的熱穩定性能成正比關系。