汪艷

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢430073)

后處理工藝對聚碳酸酯激光燒結(jié)件性能的影響

汪艷

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢430073)

采用環(huán)氧樹脂(EP)對聚碳酸酯(PC)燒結(jié)件進行后處理,研究了后處理工藝對PC燒結(jié)件力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,經(jīng)EP處理后的PC燒結(jié)件由多孔性物質(zhì)變?yōu)槊軐嵭晕镔|(zhì),其拉伸強度及模量、沖擊強度等性能均大幅度提高,其中,拉伸強度由0.39～2.29 MPa提高到約40 MPa,拉伸模量由2.19～17.13 MPa提高到約500 MPa,沖擊強度從0.92～3.13 kJ/m2提高到約7 kJ/m2。

聚碳酸酯;選擇性激光燒結(jié);環(huán)氧樹脂;后處理工藝;性能

0 前言

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是采用激光作為熱源來燒結(jié)粉末材料成型的一種快速成型技術(shù)。利用該技術(shù)可將粉末材料直接成型為任意復(fù)雜形狀與結(jié)構(gòu)的制品,而不需要任何工裝模具[1-2]。PC是一種綜合性能優(yōu)良的工程塑料,也是研究報道較多的一種高分子激光燒結(jié)材料[3-9],但其選擇性激光燒結(jié)制件具有較高的孔隙度,導(dǎo)致燒結(jié)件的強度較差,不能滿足功能零件的要求。

本文采用EP對PC燒結(jié)件進行后處理以提高其力學(xué)性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PC粉末,Pg-3,五礦常州合成化工總廠;

EP,CYD-128,巴陵石油化工有限責(zé)任公司;固化劑593,工業(yè)級,市售。

1.2 主要設(shè)備及儀器

快速成型機,HRPS-Ⅲ,華中科技大學(xué);

電子萬能試驗機,WDW-50,深圳市凱強利機械有限公司;簡支梁沖擊試驗機,X JJ-5J,河北省承德市試驗機廠;掃描電子顯微鏡(SEM),J SM-5510LV,日本電子株式會社。

1.3 樣品制備

先將PC粉末在快速成型機上以1500 mm/s的掃描速度、0.1 mm的掃描間距、0.15 mm的單層厚度及6～13.5 W的激光功率直接制備各種形狀的測試試樣,再用配制好的EP與固化劑(質(zhì)量比5∶1)混合物對各試樣進行浸漬處理,處理后的試樣于室溫固化4 h,再在80℃下固化2 h。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

分別用分析天平和游標(biāo)卡尺測量燒結(jié)試樣的質(zhì)量和尺寸,采用質(zhì)量-體積法計算燒結(jié)樣品的密度:

式中 d——密度,g/cm3

m——質(zhì)量,g

V——體積,cm3

拉伸性能按GB/T 1040—1992進行測試,拉伸速度50 mm/s;

沖擊強度按GB/T 1043—1993進行測試,擺錘能量1 J;

樣品沖擊斷面經(jīng)噴金處理后,用SEM觀察斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 后處理對PC燒結(jié)件密度的影響

PC燒結(jié)件后處理是用液態(tài)EP體系浸漬多孔的PC燒結(jié)件,EP體系由于毛細管作用浸入燒結(jié)件內(nèi)部,填充其中的空隙,然后在一定的溫度下使EP固化,形成致密的制品。

從表1可以看出,PC燒結(jié)件的密度雖然隨著激光功率的增加而有所增大,但遠低于PC實體密度,經(jīng)過EP體系處理后,其密度大幅度提高。但處理后的密度并不隨處理前密度的增大而增大,具有中等密度的燒結(jié)件處理后的密度最大。這與EP體系的浸漬情況有關(guān),EP在密度較大、孔隙率較小的燒結(jié)件中滲透速度較慢,不容易滲入所有的空隙,影響了密度的提高。

表1 PC燒結(jié)件后處理前、后的密度Tab.1 Density of PC laser sintering parts before and after post processing

從圖1可以看出,PC燒結(jié)件致密性很低,存在大量孔隙,處理后的燒結(jié)件孔隙被EP填充,形成了致密的材料。

圖1 PC燒結(jié)件沖擊斷面的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images for impacted cross section of PC laser sintering parts

2.2 后處理對PC燒結(jié)件力學(xué)性能的影響

從表2可以看出,PC燒結(jié)件經(jīng)過EP體系處理后,其力學(xué)性能大幅度提高,拉伸強度和模量分別提高了17.1～99.7倍和26.7～176倍,沖擊強度提高了2.15～7.03倍,斷裂伸長率則下降了50%～80%。PC燒結(jié)件的力學(xué)性能在處理前相差很大,處理后的差距大大縮小,表明后處理對燒結(jié)件的性能起著決定性的作用。處理后的試樣受到外力作用時,EP起到承受和傳遞外力的作用,大大減少了外力對PC粒子間黏結(jié)處的破壞作用,從而使燒結(jié)件的力學(xué)強度大幅度提高。用9 W的激光功率制備的燒結(jié)件經(jīng)EP處理后的力學(xué)性能最佳。

表2 PC燒結(jié)件后處理前、后的力學(xué)性能Tab.2 The mechanical properties of PC laser sintering partsbefore and after post processing

2.3 后處理對燒結(jié)件尺寸精度的影響

將在不同的激光功率下燒結(jié)的50 mm×50 mm×4 mm方塊,用EP進行后處理,處理后的各試樣在X方向和Y方向的尺寸均略微增加,但增加值均在0.1 mm以下,可見,后處理對PC燒結(jié)件尺寸精度的影響很小,最終試樣的尺寸精度取決于處理前燒結(jié)件的精度。

3 結(jié)論

(1)采用EP對PC燒結(jié)件進行處理后,燒結(jié)件中的孔隙被EP填充,形成了致密的材料;

(2)經(jīng)過EP處理后,PC燒結(jié)件的力學(xué)性能大幅度提高,拉伸強度、拉伸模量、沖擊強度分別達到44.7 MPa、600.6 MPa和8.83 kJ/m2,可滿足塑料功能件的性能要求,且后處理對燒結(jié)件的尺寸精度影響極小。

[1] Steven A.Prototyping with Advanced Tools[J].Mechanical Engineering,1993,116(6):48-55.

[2] 黃樹槐,肖躍加,莫健華,等.快速成形技術(shù)的展望[J].中國機械工程,2000,11(1/2):195-200.

[3] Nelson J C,Xue S,Barlow J W,et al.Model of the Selective Laser Sintering of Bisphenol-A Polycarbonate[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,1993,32:2305-2317.

[4] Berzins M,Child T H C.The Selective Laser Sintering of Polycarbonate[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,1996,45(1):187-190.

[5] Childs T H C,Berzins M,Ryder G R,et al.Selective Laser Sintering of an Amorphous Polymer-simulations and Experiments[J].Proceedings of Institution of Mechanical Engineering,1999,213:333-349.

[6] 趙保軍,施法中.選擇性激光燒結(jié)PC粉末的建模研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2002,28(6):660-663.

[7] Ho H C H,Gibson I,Cheung W L.Effects of Energy Density on Morphology and Properties of Selective Laser Sintered Polycarbonate[J].Journal of Materials Processing Technology,1999,89/90:204-210.

[8] Ho H C H,Cheung W L,Gibson I.Morphology and Properties of Selective Laser Sintered Bisphenol-A Polycarbonate[J].Industrial and Engineering Chemistry Research,2003,(9):1850-1862.

[9] Ho H C H,Cheung W L,Gibson I.Effects of Graphite Powder on the Laser Sintering Behaviour of Polycarbonate[J].Rapid Prototyping Journal,2002,8(4):233-242.

Study on the Effect of Post Processing on Selective Laser Sintering PC Parts

WAN G Yan

(Department of Materials Science and Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430073,China)

In this paper,epoxy resin(EP)was used to post processing PC selective laser sintering(SLS)parts,and the effect of post processing on the mechanical properties of PC SLS parts was studied.After the post processing by EP,PC SLS parts was changed from porous parts into full density parts and the tensile strength,tensile modulus,and impact strength of PC parts were greatly improved.The tensile strength of PC parts increased from 0.39～2.29 MPa to around 40 MPa,tensile modulus increased from 2.19～17.13 MPa to around 500 MPa,impact strength increased from 0.92～3.13 kJ/m2to around 7 kJ/m2.

polycarbonate;selective laser sintering;epoxy resin;post processing;property

TQ323.4+1

B

1001-9278(2011)02-0065-03

2010-10-09

聯(lián)系人,wangyan.wict@163.com