聚合物基微納米功能復合材料3D打印加工的實踐探析

陳磊，陳月

聚合物基微納米功能復合材料3D打印加工的實踐探析

陳磊，陳月

（盤錦職業技術學院，遼寧 盤錦 124000）

目前我國3D打印技術自身具有獨特性，所以在各行各業得到了廣泛的技術發展，是目前我國先進科學技術中重要組成部分。但是實際操作過程中，3D打印技術受到了材料的約束，需要我國技術人員針對聚合物基微納米功能復合材料進行全面探索。首先針對3D打印加工技術限制因素進行綜合闡述，并且結合壓電納米技術以及生物醫用納米技術總結出納米功能復合材料加工技術應用。

聚合物基微納米功能復合材料；3D打?。患{米技術；基礎性能

3D打印技術，又被稱為快速立體成型技術，其技術主要以數字和信息模型作為基礎條件，使用黏合材質，逐層打印立體結構物體。與傳統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，可以制備出常規加工方法不能制備的特殊形狀的產品，因此在很多高科技領域都有重要的應用。同時3D打印技術也存在很多亟待解決的難題，例如3D打印材料的選擇、打印設備的使用、打印技術的操作原理等[1-2]。

1 3D打印加工技術限制因素

1.1 打印材料

在工業生產中，雖然相對高速的工業打印可以有效完成塑料、金屬或者陶瓷物質的結構打印，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，其打印設備的基礎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打印加工技術的主要限制因素[3]。

1.2 打印設備

3D打印技術在我國建筑結構設計以及幾何物體的制作方面上，已經取得了一定程度的變化和成果，在工業生產過程中，靜態物體和形態可以被有效的打印，但是針對動態物體，目前打印設備的核心技術無法有效實現清晰模仿和打印。然而隨著科學技術的不斷發展，此項困難在未來技術研發中可以有效被解決[4]。

1.3 經濟支出

由于現階段我國3D打印技術沒有得到全面普及，同時其技術生產構成中，無論是設備引進還是材料選擇，所需要承擔的經濟費用相對較高。所以3D打印技術想要有效普及，都需要將生產成本進行降低。

2 納米功能復合材料加工技術應用

聚合物基材料加工條件溫和、易于改性成型，是最適合3D打印個性化生產和規?；瘧玫牟牧?。但仍需解決可選擇原料種類少、結構單一、打印精度和層間強度有待提高、傳統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，如選擇性激光燒結（SLS）[5]、熔融沉積成型（FDM）[6-8]、立體光刻成型（SLA）[9-10]、三維打印（3DP）等[11-13]，可以制備傳統加工方法不能或難以制造的結構及其復雜的制品[14-17]；可以打印多層次結構，如取向結構、梯度結構、微孔結構、網絡結構；可以通過3D打印加工制備無人機、微型衛星、義肢等[18]。

2.1 壓電納米技術[19]

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

針對此種現狀，可以使用固態剪切和研磨等方法進行零件的制作，最終得出材料的BT總體含量可以高達85%，并且在材料應用時，自身具有良好分散性，以此為制作高基礎性能和高屬性的3D打印技術，提供了全新的聚合物基微納米功能復合材料。其中固定剪切和碾磨技術在日常操作過程中，主要在基礎磨盤形態下，針對3D打印技術進行優化和完善，以此形成全新的高分子材料加工技術。加上固定化學反應設備實施3D打印技術后，自身具備特殊形態的三維剪切結構，所以在實際研磨過程中會產生大量三維力場，以此有效針對原材料進行粉碎和分散，最終實現3D打印技術的超細粉碎以及納米復合。而未經過研磨的尼龍11pall與BT復合材料內部結構體系中的BT粒子結合現狀十分嚴重，并且在研磨設備強大的三維剪切力場作用下，有效完成和實現了高物質填充的BT粒子在基礎結構體中均勻分散。加上聚合物基微納米功能復合材料自身具備強大的阻尼感和性能，所以已經制作完成的尼龍11pall與BT物質已經具有微型熱塑和加工性能。在實際生產時，使用3D打印技術后，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的生產和應用。在3D打印技術的應用過程中，首次完成了對尼龍11pall與BT材質的微型加工技術，并且其加工溫度保持在 270 ℃，最終有效實現了3D打印技術的加工和生產，尤其是在產品微型生產過程中，其注射數據壓力的峰值以及模型壓力均在合理的范圍內，對微型樣品結構的形態也具有良好的保證。

2.2 碳納米管復合技術

熱塑性聚氨酯（TPU）材料加工性能好，生物相容性好，但不導電，碳納米管（CNTs）導電性能優異、力學性能好[21]，將兩者進行復合，通過選擇性激光燒結技術制備出性能優越的TPU/CNTs納米復合材料。碳納米管的加入可顯著提高聚氨酯材料的導電率。通過激光燒結技術使碳納米管附著在聚氨酯表層，比傳統的模壓注射成型的制品導電率高出數倍。碳納米管的加入使其材料具有復雜的多孔結構，同時又能制備出形狀復雜、結構規整的TPU/CNTs制品，使制品具有良好的導電性能和優異的柔韌性，可用于壓力傳感器柔性導電制件，在很多方面有重要應用。

2.3 生物醫用納米技術[22-24]

聚乙烯醇物質在醫學生產過程中又被稱為PVA，其物質自身具備良好的力學綜合性能，可以有效與生物進行相互融合，但是在實際結合和操作過程中缺少生物自身的活性指數。羥基磷灰石又被稱為HA，其物質本身具有良好的生物基礎活動和生物通用性，但是物質力學性質相對較差。所以想要在醫學納米技術研究中引進3D打印技術，就需要將PVA物質與HA物質進行組合，以此制造出具有較高力學性能、生物基礎活動以及生物基礎通用性的聚合物基微納米功能復合材料。最后使用其材料結合3D打印技術，生產出生物醫用的微型零部件。

在實際生產和制作PVA/HA復合材料時，其生產難點主要在PVA物質中的多羥基強氫鍵結構方面，由于其結構特點、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物質結構中的納米粒子組合難點則在于如何在PVA物質基礎結構體中進行均勻的分散和結合。通過技術人員的不懈努力，依靠物質分子的重復結合，最終完成了PVA物質的熱量加工。

而材料使用固態研磨方法進行制作和結合時，應該選擇具有高填充能力的PVA/HA 納米復合材料，以此作為基礎，有效完成微型模式的注入和蘇醒技術要求，其中分子的加工和充分主要指的是材料內部結構中，將高分子物質依靠庫侖力進行轉化，尤其是在分子結構上針對其聚合物進行調整，進而有效改善其材料的基礎性能。而在材料復合過程中，選擇與PVA材質結構相互互補的復合物，最終形成復合形態的加工材料，從根本上有效抑制了PVA物質的結晶，減少物質熔點系數，提升物質的分解整體溫度，進而完成在100 ℃以上進行結構熱塑和技術加工。使用此種技術不僅緩解PVA物質在生產和復合過程中，無法使用熱量加工的核心問題，一定程度上還能降低其復合物質的基礎熔點，有利于后續微型零部件以及3D打印技術的應用和加工[25]。

在材料復合加工技術中，研磨技術自身強大的剪切力場，可完成將高含量的HA物質顆粒在PVA物質基礎結構體中進行均勻分散。并且經過分子進行復合和轉變后，其PVA物質結晶程度會有所降低。而磨盤碾磨技術在實際操作過程中，并不會損壞納米復合材料的HA物質所產生的晶體內部結構，從而有效保證生物結構的基礎活性。而在HA物質和PVA物質之間所產生的氫鍵物質，以及HA物質的空間阻隔性質，一定程度上可以有效抑制PVA物質的結晶。尤其是在制作兩者復合形態納米材料時，其自身材料已經具有較高的力學特點，材料整體的拉伸強度可以達到32 MPa，并且經過高壓拉伸后，斷裂伸長效率也同樣達到567%左右。加上PVA物質材質無法使用加熱功能進行外部形態塑造，而使用無機技術進行材料填充后，以PVA物質為基礎的復合形態材料，使用加熱技術難度系數則更高，為此使用此種材料進行3D打印技術生產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狀，技術人員通過分子之間的整合、分散、固定以及研磨等相關技術，全面完善、優化微型零部件外部塑形的基礎工藝環境和條件，實現材料的外部形態加工和內部填充，最終利用以上技術首次實現了醫用微型復合材料中HA物質質量分數超過30%。

3 結束語

通過聚合物基納米復合材料的制備，利用選擇性激光燒結、熔融沉積成型等加工成型方法，制備出結構極其復雜的制品，以及傳統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打印技術在實際操作和生產過程中，更加適合生產小規模的物體，例如汽車核心零件等，所以針對其基礎材料的研究需要不斷被優化和發展，才能保證其技術未來應用范圍逐漸廣泛。

［1］鄧斌，黃文藝，鄧鑫．3D打印用聚合物材料的進展[J].塑料，2019，48（4）：127-131．

［2］張曉艷，任金晨．基于專利分析的3D打印技術及材料研究與應用進展[J].當代化工，2017，46 （8）：1651-1654．

［3］展宗瑞，李倩．3D打印材料PLA改性研究以應用進展[J].遼寧化工，2019，48）（7）：678-679．

［4］陳小軍，胡翠雯，崔子怡，等．直寫3D打印GNPs-MWCNT導電聚合物復合材料的制備及性能[J].機械工程材料，2020，39（11）：87-95.

［5］任乃飛，張福周，王輝，等.金屬粉末選擇性激光燒結技術研究進展[J].機械設計與制造，2010（2）：201-203.

［6］馮東，王博，劉琦，等．高分子基功能復合材料的融融沉積成型研究進展[J].復合材料學報，2021，38（5）：1371-1386．

［7］HULL C W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography: US, Patent 4575330[P]. 1986- 03-11.

［8］MOHAMED O A, MASOOD S H, BHOWMIK J L. Optimization of fused deposition modeling process parameters: a review of current research and future prospects[J]., 2015, 3(1): 42-53.

［9］馮東，王博，戚方偉，等．選擇性激光燒結用聚合物基材料制備研究進展[J].化工進展，2021，40（8）：4290-4304.

［10］GOODRIDGE R D, TUCK C J, HAGUE R J M.Laser sintering of polyamides and other polymers[J]., 2012,57(2): 229-267.

［11］LIND J U, BUSBEE T A, VALENTINE A D, et al. Instrumented cardiac microphysiological devices via multimaterial three- dimensional printing[J]., 2017, 16(3): 303-308.

［12］羅軍．中國3D打印的未來[M].北京：東方出版社，2014．

［13］雷磊，郭嘉．高分子3D打印材料及打印技術[J].廣州化工，2021（4）：7-9．

［14］陳寧，夏和生，張杰，等．聚合物基微納米功能復合材料3D打印加工的研究[J].高分子通報，2017（10）：41-51．

［15］BANDYOPADHYAY A, BOSE S, DAS S. 3D printing of bio- materials [J]., 2015, 40(2): 108-115.

［16］PANESAR A, ASHCROFT I, BRACKETT D, et al. Design frame- work for multifunctional additive manufacturing: coupled optimization strategy for structures with embedded functional systems[J]., 2017, 16: 98-106.

［17］ZAREK M, LAYANI M, COOPERSTEIN I, et al. 3D printing of shape memory polymers for flexible electronic devices[J]., 2016, 28(22): 4449-4454.

［18］彭先和，胡孝勇，左江華，等．高分子材料3D打印技術的研究進展[J].化工新型材料，2021（5）：1-5．

［19］陸穎昭，徐軍飛，陳宇杰，等．HK550改性對維納纖維素/聚乳酸復合3D打印材料性能的影響[J].中國造紙學報，2019，34（2）：14-19．

［20］濮永喆，舒灝，雷文.高分子綜合實驗:聚乳酸基復合材料的3D打印成型及性能檢測[J].化工時刊，2019，33（12）：35-36.

［21］陳磊．基于碳納米管復合材料的3D打印技術研究[J].遼寧化工，2020，49（4）：390-392．

［22］陳碩平，易和平，羅志虹，等．高分子3D打印材料和打印工藝[J].材料導報A（綜述篇），2016（4）：54-59．

［23］許昆鵬．3D打印制備PLA/MWCNT復合材料及其性能研究[J].塑料工業，2019，47（8）：160-163．

［24］馬曉坤，張慧冬，馬伯樂，等.3D打印用碳纖維/ABS復合材料的制備[J].化工新型材料，2019，47（9）：229-231．

［25］楊振國，文學紅，石亞平，等．基于增材制造（3D打印）的高職院校機械制造及自動化人才專業培養方案探究及實踐[J].海峽科技與產業，2020（6）：25-27．

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

，

（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年畢業于沈陽化工大學高分子化學與物理專業，研究方向：3D打印技術、聚合物加工生產技術、化工專業教學改革。

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

TQ050.4+3

A

1004-0935（2022）03-0391-04