3D打印用尼龙粉末的制备及性能研究

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选择性激光烧结(SLS)是一种快速成型技术,在3D打印领域具有其独特优势。成型粉末材料是激光烧结过程中的重要一环,推动着SLS技术的不断发展。聚合物粉末材料因其熔融温度低、熔融粘度小,被广泛应用于SLS技术。然而,制备聚合物粉末的传统方法存在工艺复杂、能耗高等缺点,因此开发制备SLS用聚合物粉末材料的新方法极为必要。热致相分离法(TIPS)具有工艺简单、高效可控的优点,逐渐被应用于制备聚合物粉末。本文采用TIPS法制备尼龙12(PA12)粉末,以N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)/聚乙二醇400(PEG400)组成混合稀释剂体系,通过改变稀释剂体系的比例调节相分离过程进而制备粒径可控的PA12粉末,并通过TIPS法制备PA12/纳米二氧化硅(Nano-SiO2)复合PA12粉末,研究不同含量Nano-SiO2的添加对复合PA12粉末性能的影响。主要成果如下:首先以溶解度参数为依据确定混合稀释剂的组成,DMAC为稀释剂,PEG400为非稀释剂。研究了在不同稀释剂配比下PA12与混合稀释剂DMAC/PEG400之间相容性的变化情况。随着稀释剂DMAC含量的增加,PA12与混合稀释剂间相容性逐渐增加,液液相分离时产生聚合物液滴的温度逐渐下降,结晶温度变化不大。通过差示扫描量热法测试了PA12在不同混合稀释剂中的非等温结晶动力学,探究稀释剂配比及不同降温速率对PA12结晶的影响,为TIPS法制备PA12粉末提供理论依据。稀释剂DMAC含量的降低或降温速率的增加均使得PA12结晶速率加快。然后对TIPS制备PA12粉末进行了表征,研究不同稀释剂配比对PA12粉末性能的影响。随着稀释剂DMAC含量的增加,液液相分离区域减小,聚合物液滴生长时间受限,导致PA12粉末的粒径不断减小。当稀释剂DMAC含量为75wt%时,PA12粉末中值粒径为55.20μm,粉末呈类球形且粒径分布均匀。PA12粉末的结晶度随DMAC含量的增加呈递增趋势。DMAC含量为75 wt%时,PA12粉末的结晶度最高,为42.26%,相比PA12粒料结晶度提高了60%。此时PA12粉末的烧结窗口最大,为29.17℃,比粒料提高了30%,且具有较好的铺粉性能适用于SLS工艺。最后通过添加不同含量的Nano-SiO2制备改性PA12粉末。Nano-SiO2的引入为体系提供了异相成核位点,复合PA12粉末结晶度和热稳定性提高,复合PA12粉末的形状均为近球形,中值粒径分布在54~70μm之间。其中在Nano-SiO2添加量为0.3 wt%时,复合PA12粉末的结晶度最高为48.56%,较未添加时提高了14%,且堆密度和休止角数据均表明该粉末具有较好的流动性,有利于铺粉过程的进行。模拟SLS烧结过程的等温结晶动力学发现,Nano-SiO2的加入提高了PA12的结晶速率。
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