PP含量與填充密度對3D打印P0E/PP復合材料壓縮性能的影響研究

0 引言

近年來，熔融沉積建模（FDM技術的快速發(fā)展正在改變制造業(yè)的格局，特別是在3D打印材料方面[1-2]。聚烯烴彈性體（POE）因其柔韌性和低熔點而受到關注，但其強度相對較弱[3]。聚丙烯（PP）則具備優(yōu)異的機械性能，能夠提升POE的綜合特性。因此，POE與PP的混合物成為研究熱點。壓縮特性在3D打印POE/PP混合物中至關重要，影響材料在能量吸收等應用中的表現。不同的PP含量和填充密度會顯著影響混合物的壓縮性能，而增加填充密度通常會提升強度，但可能增加重量。因此，優(yōu)化壓縮性能與重量之間的平衡是關鍵。

本研究通過熔融顆粒制造（FGF技術制備了具有蜂窩結構的POE/PP復合試樣，系統(tǒng)研究了PP含量梯度 （10%，30%，50%） 與填充密度梯度 （30%.50% ）對材料壓縮力學行為的協同作用機制。采用壓縮試驗結合韌性因子定量分析，揭示了組分比例與結構參數對彈性模量、屈服強度及能量吸收效率的影響規(guī)律。通過建立壓縮應力一應變曲線特征參數和材料組成與結構的映射關系，為開發(fā)輕量化高吸能3D打印彈性體復合材料提供了實驗依據與工藝優(yōu)化策略。

1 實驗測試

1.1 樣品制備

本研究采用聚烯烴彈性體（POE）和聚丙烯（PP）顆粒作為3D打印的主要原材料。為了研究不同PP含量 （10%.30% 和 50% 對混合物壓縮特性的影響，使用內部混合機對POE和PP進行均勻混合，混合時間設置為 6min ，以確保材料充分融合。隨后，利用熱壓機將混合物轉化為平整的薄片，熱壓條件為 4.9MPa 的壓力和 180^°C 的溫度，保壓時間為 10min ，冷卻時間為 15min 。最后，將這些薄片切割成適用于增材制造的小顆粒。

1.2 3D打印制備

本研究采用熔融顆粒制造（FGF）技術進行3D打印，使用注射器式擠出頭以確保材料的良好流動性和送料控制。POE/PP混合物在注射器中加熱至熔融狀態(tài)后，通過活塞施加壓力將其擠出。打印過程中，設定了適當的溫度和擠出速度，以保證打印質量和樣品的一致性。打印出來的樣品為立方體，尺寸為10mm×10mm×10mm ，采用了蜂窩狀的打印結構設計，以增強其能量吸收特性。

1.3 壓縮性能測試

使用Instron測試機在常溫下對打印的POE/PP混合物進行壓縮性能測試，測試樣品如圖1所示。測試機的負荷傳感器容量為 100kg 。樣品的壓縮測試以20mm/min 的恒定速度進行，旨在探討不同PP含量和填充密度對其壓縮特性的影響。根據PP含量的不同，樣品分為PP10、PP30和PP50，同時在PP10和PP30樣品中設置了 30% 和 50% 的填充密度，分別標記為ID30和ID50。每種樣品的測試均重復進行三次，以確保結果的可重復性。通過記錄應力一應變曲線，計算樣品的韌性，作為其能量吸收能力的指標。

2 實驗結果分析

2.1 壓縮應力一應變曲線分析

圖2展示了 50% 填充密度的立方試樣中，不同PP組成POE/PP共混物在 50% 應變下的壓縮應力一應變曲線。壓縮曲線可分為三個主要區(qū)域：彈性區(qū)域、屈服區(qū)域和平臺區(qū)域。在彈性區(qū)域，材料的應力與應變呈線性關系，斜率代表楊氏模量。結果表明，PP10樣品的斜率最低，顯示出較高的柔韌性；而隨著PP含量的增加，樣品的斜率逐漸增大，表明材料剛度提高。

2.2 楊氏模量與壓縮強度的變化

圖3顯示了不同PP濃度下樣品的楊氏模量和壓縮強度。隨著PP含量的增加，楊氏模量和壓縮強度均顯著提高。具體而言，PP10、PP30和PP50樣品的屈服應力分別為 0.5，1.4，4.5MPa ，表明PP濃度的增加能夠有效提升材料在彈性區(qū)域的承壓能力。此外，PP30和PP50樣品的屈服應變均低于PP10，表明PP10樣品在屈服前能夠承受更大的壓縮應變。這是由于PP含量增加顯著提高了材料的楊氏模量（剛性增強），但減少了POE的柔性組分比例，導致材料延展性下降，屈服點提前。

2.3 壓縮測試后的樣品狀態(tài)

圖4展示了壓縮測試后各樣品的狀態(tài)。結果表明，PP10結構比PP30和PP50結構更有效地恢復其高度。因此，對于要求周期性低振幅壓縮加載的應用而言，PP10樣本更為可靠。

2.4 韌性因子評估

壓縮能量吸收通過計算壓縮應力一應變曲線下的面積來評估[4。圖5展示了不同成分POE/PP樣品的總韌性和均勻韌性。結果顯示，PP50樣品在壓縮模式下表現出最佳的能量吸收能力，其總韌性達到 194.4J. 0此外，該樣品在壓縮應力一應變曲線的首個峰值前展現出最佳的能量吸收性能。

2.5 填充密度對材料性能的影響

圖6展示了填充密度分別為 30% 和 50% 的PP10及PP30樣品的壓縮應力一應變曲線。隨著填充密度的增加，楊氏模量和屈服應力均呈現上升趨勢，填充密度較高的樣品比填充密度較低的樣品更早發(fā)生致密化現象[5]。這主要歸因于更小的單元格使其更快地相互作用，從而更容易過渡到整體行為。此外，填充密度較高的樣品在壓縮測試中吸收的能量更多，曲線下的面積更大。

3 結論

本研究探討了通過調整聚丙烯（PP）含量和填充密度來改善3D打印POE/PP混合物的壓縮特性。實驗結果表明，隨著PP含量的增加，樣品的楊氏模量和壓縮強度顯著提高，PP50樣品的屈服應力達到4.5MPa ，顯示出更強的承載能力。相較于PP10樣品，PP30和PP50在屈服點前的應變能力下降，表明高PP含量提升了剛性但降低了延展性，導致其屈服應變減小，而低PP樣品因POE的柔性主導，可在屈服前積累更大彈性應變。壓縮測試后，PP10樣品展現出更優(yōu)的高度恢復能力，適合低幅循環(huán)加載應用。韌性分析顯示，PP50樣品在壓縮過程中表現出最佳的能量吸收能力，總韌性達到 194.4J 。此外，提高填充密度顯著增強了結構的整體性和能量吸收能力。綜合來看，增加PP含量和填充密度有效改善了POE/PP混合物的壓縮性能，為其在工程應用中的使用提供了理論依據。

[參考文獻]

[1]吳珈辛，蔡建臣，蔣金云，等.復合噴頭-多材料FDM3D打印機研究進展[J].塑料工業(yè)，2024，52（10）：1-7.

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[3]羅嬌，王益龍，王楠.通過擠出反應制備高流動性PP/POE復合料[J].現代塑料加工應用，2023，35（4）：16-19.

[4]李振，謝永健，馬辰宇，等.POE鏈結構對PP/POE共混復合材料結構與性能的影響[J].塑料科技，2024，52（1）：44-47.

[5]史遠洲.PP/POE共混合金中PP與POE兩相之間的界面強度與機械性能之間的關系[D].武漢：湖北大學，2019.