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3D打印环氧材料力的学性能研究分析

更新时间: 2021-08-02 08:26:08  查看次数: 261    


通过气相二氧化硅纳米颗粒对环氧树脂的流变性质进行调节,使其获得合适的凝胶状态,以满足墨水直写3D打印的要求。我们探究了二氧化硅对于环氧树脂流变性质影响的具体因素,包括颗粒的比表面积、表面修饰、分散状态、质量分数等。提出了二氧化硅产生调节效果的一种合理的机理,与实验结果较为吻合。进一步地,通过实验对打印材料具体的流变参数与实际打印效果之间的定性关系做了总结。最后,全面测试了打印样品的力学性能,包括准静态拉伸和弯曲、断裂、冲击等,对比了不同打印路径的打印样品、纯环氧制备的样品、打印材料浇铸成型的样品之间的区别,以全面考察3D打印环氧材料的力学性能。


得到的主要结论如下:
(1)气相二氧化硅纳米颗粒改变环氧树脂流变状态的合理解释是当颗粒分散在树脂基体中,彼此因为表面基团影响形成相互作用,连成三维网络,束缚树脂流动,呈现出凝胶状态。但是这种相互作用可以被外力破坏,在高剪切应力下,恢复流动性,外力一经撤去,又能立即恢复凝胶状态。

(2)二氧化硅颗粒影响环氧树脂凝胶状态的因素包括表面修饰、比表面积、分散状态、质量分数等。其中,二氧化硅表面的羟基或者长链硅氧烷基团是造成环氧形成凝胶状态的关键,一但去除这些基团,环氧树脂就恢复了流动状态;比表面积越大的二氧化硅颗粒,表面基团的密度越高,因而形成的凝胶具有更高的储能模量和剪切屈服应力;颗粒含量是另外一个重要因素,只有当颗粒含量高到一定程度,颗粒才能相互联结,实现环氧树脂从液体到凝胶的转变。使用R202二氧化硅颗粒实现凝胶转变的含量是4wt.%,含量越高,储能模量越高,剪切屈服应力也越高;二氧化硅颗粒的分散状态也会对凝胶状态产生影响,分散越充分,颗粒之间的相互作用会被破坏,相同含量的情况下,储能模量与剪切屈服应力均会下降,但分散状态提升使得打印过程更顺利、打印样品内部缺陷越少。我们采用更高的颗粒含量(10wt.%)以及三辊研磨,取得了流变性质要求和打印效果的平衡。

(3)打印样件的尺寸精度与挤出口尺寸、打印参数设置、打印墨水的流变性质关系密切。挤出口尺寸越小,能实现的模型尺寸精度越高,但同时带来打印时长成倍增长、挤出驱动力提高等影响,需要综合考虑;打印速度和挤出气压调节应让挤出丝尺寸与挤出口尺寸相当,能保证打印的稳定与连续性;打印墨水的储能模量与剪切屈服应力,针对特定材料组成,需高于一定值,才能保证打印具有一定高度的模型不发生较大偏差。在打印过程中,为实现测试样件的打印,打印墨水(二氧化硅含量10wt.%)储能模量104Pa、剪切屈服应力200Pa,选用0.4mm直径的打印头,挤出丝直径调整到0.5mm,可以获得较好的打印效果。

(4)运用3D打印方法制备的测试样品,在力学性能上相较用传统浇铸方法制备的样品,在拉伸模量、强度、弯曲刚度、弯曲强度、断裂軔性、冲击强度等参数上均未发生下降,并且不同打印路径也未对力学性能产生明显的影响。说明环氧树脂的3D打印成型样件可以获得与传统方法成型的样件近乎相同的力学性能。