李在興，李 麗

（哈爾濱化工研究所，哈爾濱 150020）

浸潤(rùn)劑的制備及對(duì)3D打印產(chǎn)品力學(xué)性能的影響

李在興，李 麗

（哈爾濱化工研究所，哈爾濱 150020）

以環(huán)氧樹(shù)脂和丙烯酸酯類(lèi)單體為主要原料制備了兩種用于3D打印產(chǎn)品的浸潤(rùn)劑。用兩種浸潤(rùn)劑和石蠟對(duì)3D打印的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）試樣進(jìn)行了處理，研究了浸潤(rùn)劑對(duì)PMMA力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，反應(yīng)型浸潤(rùn)劑對(duì)選擇性激光燒結(jié)和噴墨砂型打印的產(chǎn)品有明顯的增強(qiáng)作用，環(huán)氧浸潤(rùn)劑處理的產(chǎn)品經(jīng)后處理后力學(xué)性能優(yōu)于丙烯酸浸潤(rùn)劑處理的產(chǎn)品，黏度對(duì)環(huán)氧浸潤(rùn)劑的增強(qiáng)效果有較大影響。

浸潤(rùn)劑；3D打??；環(huán)氧樹(shù)脂；丙烯酸

3D打印技術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展的一種累積成型技術(shù)，主要包括了熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、光固化立體造型（SLA）以及噴墨砂型打?。˙JT）等方法［1，2］。它在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、機(jī)械制造、包裝工程等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增加［3－6］。與鑄造、鍛壓、切削等傳統(tǒng)的材料成型方法相比，3D打印技術(shù)具有節(jié)約原料、設(shè)備簡(jiǎn)單、快速方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是在制造批次較少、構(gòu)型復(fù)雜的產(chǎn)品時(shí)有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，因此越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

SLS技術(shù)和BJT技術(shù)的成型機(jī)理比較相似，都是在工作臺(tái)上平鋪一層厚度均勻的粉末材料，用激光燒結(jié)或者黏合劑黏接的原理將成型區(qū)域里的粉末固定在一起，然后降低工作臺(tái)重新鋪放粉末材料，重復(fù)累積直至產(chǎn)品完全成型。這兩種技術(shù)可以用于金屬、陶瓷、熱塑性聚合物等多種材料的快速成型，適用性廣泛，在3D打印技術(shù)中比較突出。但是，由于粉末材料粒徑、黏合劑黏度及浸潤(rùn)性等因素的影響，產(chǎn)品可能存在表面粗糙，結(jié)構(gòu)松散等缺點(diǎn)，導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度較低［7－8］。因此，用浸潤(rùn)劑對(duì)SLS技術(shù)和BJT技術(shù)成型的產(chǎn)品進(jìn)行表面處理，填充產(chǎn)品空隙是十分重要的。

本文制備了環(huán)氧浸潤(rùn)劑和丙烯酸浸潤(rùn)劑，使用兩種浸潤(rùn)劑及石蠟對(duì)BJT技術(shù)打印的PMMA試樣進(jìn)行處理，考察浸潤(rùn)劑對(duì)3D打印產(chǎn)品力學(xué)

性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器

環(huán)氧樹(shù)脂LY1564、環(huán)氧固化劑AD3486，工業(yè)級(jí)，廣州立汰化工有限公司；丙烯酸，甲基丙烯酸，甲基丙烯酸甲酯，乙酸乙酯，乙酸己酯，正己醇，過(guò)氧化苯甲酰，均為化學(xué)純?cè)噭?，?guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；石蠟，熔點(diǎn)53～57℃，Sigma-Aldrich公司。

NDJ－1旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)，上海精密儀器儀表有限公司；WDW－10電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，XJJ－5沖擊試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南新時(shí)代試金儀器有限公司；DZF－6020真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試樣用平均粒徑為50 μm 的PMMA粉末打印，由吉林工業(yè)大學(xué)提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 環(huán)氧樹(shù)指型浸潤(rùn)劑制備

取一定量的LY1564環(huán)氧樹(shù)脂和乙酸乙酯、乙酸己酯混合溶劑在25℃下攪拌2 h，將25%（相對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量）的AD3486固化劑加入到溶液中攪拌均勻，取少量樣品測(cè)試其黏度，并將環(huán)氧樹(shù)脂溶液倒入液體池中，PMMA試樣放入溶液中浸泡15 min后取出，在60℃的真空干燥箱中烘干6 h。

1.2.2 丙烯酸酯類(lèi)浸潤(rùn)劑的制備

將30 mL丙烯酸、210 mL甲基丙烯酸和90 mL甲基丙烯酸甲酯與一定量的乙酸乙酯、正己醇混合溶劑在25℃下攪拌0．5 h，緩慢加入9．5 g過(guò)氧化苯甲酰并繼續(xù)攪拌，測(cè)試丙烯酸溶液黏度，待溶液黏度大約為130 mPa·s時(shí)倒出溶液并浸泡PMMA試樣15 min，在60℃的真空干燥箱中烘干6 h。

將上述兩種PMMA試樣浸泡在加熱到60℃融化的石蠟中15 min，取出后晾干。

1.3 性能測(cè)試

在WDW－10電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上分別按照GB／T1040—2006和GB／T9431—2008測(cè)試PMMA試樣的拉伸性能和彎曲強(qiáng)度，試樣的沖擊強(qiáng)度按照GB／T1843—2008標(biāo)準(zhǔn)方法在XJJ－5沖擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧浸潤(rùn)劑黏度對(duì)PMMA試樣力學(xué)性能的影響

2.1.1 拉伸性能

用環(huán)氧浸潤(rùn)劑浸泡的PMMA試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率列于表1。未經(jīng)浸潤(rùn)劑處理的PMMA試樣的拉伸強(qiáng)度為4．8 MPa，而斷裂伸長(zhǎng)率也僅為3．6%。從表1中看出，用環(huán)氧浸潤(rùn)劑處理過(guò)的PMMA試樣的拉伸性能均得到改善，特別是斷裂伸長(zhǎng)率顯著增加2．1倍，證明浸潤(rùn)劑能增強(qiáng)PMMA粉末之間的連續(xù)性。但是當(dāng)浸潤(rùn)劑的黏度大于128 mPa·s以后，材料的拉伸性能反而有少許的減弱，可能是體系黏度增加后環(huán)氧分子的滲透能力受到抑制，試樣內(nèi)部缺少活性單體的交聯(lián)。

表1 環(huán)氧浸潤(rùn)劑浸泡的PMMA的拉伸性能Table 1 Tensile properties of epoxy impregnated PMMA infiltration of agents

2.1.2 彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度

經(jīng)環(huán)氧浸潤(rùn)劑處理的PMMA試樣的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度隨浸潤(rùn)劑黏度變化的趨勢(shì)如圖1所示。與黏度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響類(lèi)似，浸潤(rùn)劑處理后試樣的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都有明顯的提高，最大值比處理前分別增加了128．5%和162．5%?？赡苁窃嚇颖砻姹唤?rùn)劑完全包覆形成一個(gè)環(huán)氧殼體，具有更好的抗彎能力，所以彎曲強(qiáng)度隨浸潤(rùn)劑黏度一直增加。而沖擊性能對(duì)材料的結(jié)構(gòu)缺陷更加敏感，所以浸潤(rùn)劑滲透性減弱后PMMA的沖擊強(qiáng)度降低。

圖1 浸潤(rùn)劑黏度對(duì)PMMA試樣彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響Figure 1 Effect of viscosity of infiltrations on the flexural strength and impact strength of PMMA samples

2.2 浸潤(rùn)劑種類(lèi)對(duì)PMMA試樣力學(xué)性能的影響

表2列出了3種不同種類(lèi)浸潤(rùn)劑處理之后的PMMA試樣的力學(xué)性能。從2.1中環(huán)氧浸潤(rùn)劑處理的PMMA試樣力學(xué)性能可知，環(huán)氧浸潤(rùn)劑的黏度大約在125～155 mPa·s時(shí)PMMA的力學(xué)性能較好，因此，選取黏度為130 mPa·s的丙烯酸浸潤(rùn)劑進(jìn)行比較。從兩種浸潤(rùn)劑處理之后PMMA試樣的力學(xué)性能來(lái)看，丙烯酸浸潤(rùn)劑對(duì)材料的增強(qiáng)能力與環(huán)氧浸潤(rùn)劑相比有較大差距，可能是丙烯酸浸潤(rùn)劑由高揮發(fā)性的小分子組成，在后處理時(shí)活性單體損耗較多所致。

表2 不同浸潤(rùn)劑處理的PMMA試樣的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of PMMA samples treated with different infiltrations

石蠟是用物理方法對(duì)PMMA試樣的表面進(jìn)行修飾，對(duì)材料的力學(xué)增強(qiáng)效果幾乎可以忽略不計(jì)，說(shuō)明增強(qiáng)PMMA試樣的主要因素是試樣表面及滲透進(jìn)入內(nèi)部的活性單體的交聯(lián)反應(yīng)。

3 結(jié)論

1）環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸等反應(yīng)型浸潤(rùn)劑可以滲透進(jìn)入用SLS和BJT技術(shù)打印產(chǎn)品的內(nèi)部，并發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而提高3D打印產(chǎn)品的力學(xué)性能。石蠟以物理方式對(duì)材料表面進(jìn)行修飾，幾乎沒(méi)有增強(qiáng)效果。

2）黏度對(duì)浸潤(rùn)劑的增強(qiáng)作用有較大影響，本文制備的環(huán)氧浸潤(rùn)劑的最佳使用黏度是125～155 mPa·s。

3）經(jīng)過(guò)烘干、真空干燥等后處理，環(huán)氧樹(shù)脂浸潤(rùn)劑的增強(qiáng)效果優(yōu)于丙烯酸浸潤(rùn)劑，更適合工業(yè)生產(chǎn)使用。

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Preparation of Infiltrations and their Effect on the Mechanical Properties of PMMA by 3D Printing

LI Zai-xing，LI Li

（Harbin Research Institute of Chemical Industry，Harbin 150020，China）

Infiltrations were prepared with epoxy and acrylic as main raw materials，respectively．PMMA specimens were treated with the infiltrations and wax．The mechanical performances of the infiltrations on PMMA specimens for 3D printing were studied．The results demonstrated that reactive infiltrations could significantly strengthen the products modeling by 3D printing such as SLS and BJT，and the mechanic of PMMA infiltrated with epoxy was better than that of PMMA infiltrated with acrylic after post－processing．Moreover，the viscosity affected the epoxy infiltration visibly．

infiltration；3D printing；epoxy；acrylic；strengthen

TQ323

A

1004-275X（2014）02-0046-03

12．3969／j．issn．1004-275X．2014．02．014

收稿：2013-12-17

李在興（1979-），男，黑龍江人，工程師，主要從事保護(hù)涂料方面的研究工作。