浸潤劑的制備及對3D打印產品力學性能的影響

李在興，李 麗

（哈爾濱化工研究所，哈爾濱 150020）

浸潤劑的制備及對3D打印產品力學性能的影響

李在興，李 麗

（哈爾濱化工研究所，哈爾濱 150020）

以環(huán)氧樹脂和丙烯酸酯類單體為主要原料制備了兩種用于3D打印產品的浸潤劑。用兩種浸潤劑和石蠟對3D打印的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）試樣進行了處理，研究了浸潤劑對PMMA力學性能的影響。結果表明，反應型浸潤劑對選擇性激光燒結和噴墨砂型打印的產品有明顯的增強作用，環(huán)氧浸潤劑處理的產品經后處理后力學性能優(yōu)于丙烯酸浸潤劑處理的產品，黏度對環(huán)氧浸潤劑的增強效果有較大影響。

浸潤劑；3D打印；環(huán)氧樹脂；丙烯酸

3D打印技術是近年來快速發(fā)展的一種累積成型技術，主要包括了熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結（SLS）、光固化立體造型（SLA）以及噴墨砂型打印（BJT）等方法［1，2］。它在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、機械制造、包裝工程等領域的應用逐漸增加［3－6］。與鑄造、鍛壓、切削等傳統(tǒng)的材料成型方法相比，3D打印技術具有節(jié)約原料、設備簡單、快速方便等優(yōu)點，特別是在制造批次較少、構型復雜的產品時有獨到的優(yōu)勢，因此越來越受到人們的關注。

SLS技術和BJT技術的成型機理比較相似，都是在工作臺上平鋪一層厚度均勻的粉末材料，用激光燒結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，然后降低工作臺重新鋪放粉末材料，重復累積直至產品完全成型。這兩種技術可以用于金屬、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打印技術中比較突出。但是，由于粉末材料粒徑、黏合劑黏度及浸潤性等因素的影響，產品可能存在表面粗糙，結構松散等缺點，導致力學強度較低［7－8］。因此，用浸潤劑對SLS技術和BJT技術成型的產品進行表面處理，填充產品空隙是十分重要的。

本文制備了環(huán)氧浸潤劑和丙烯酸浸潤劑，使用兩種浸潤劑及石蠟對BJT技術打印的PMMA試樣進行處理，考察浸潤劑對3D打印產品力學

性能的影響。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器

環(huán)氧樹脂LY1564、環(huán)氧固化劑AD3486，工業(yè)級，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，過氧化苯甲酰，均為化學純試劑，國藥集團化學試劑有限公司；石蠟，熔點53～57℃，Sigma-Aldrich公司。

NDJ－1旋轉式黏度計，上海精密儀器儀表有限公司；WDW－10電子萬能試驗機，XJJ－5沖擊試驗機，濟南新時代試金儀器有限公司；DZF－6020真空干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司。

力學性能測試標準試樣用平均粒徑為50 μm 的PMMA粉末打印，由吉林工業(yè)大學提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 環(huán)氧樹指型浸潤劑制備

取一定量的LY1564環(huán)氧樹脂和乙酸乙酯、乙酸己酯混合溶劑在25℃下攪拌2 h，將25%（相對于環(huán)氧樹脂質量）的AD3486固化劑加入到溶液中攪拌均勻，取少量樣品測試其黏度，并將環(huán)氧樹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 丙烯酸酯類浸潤劑的制備

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過氧化苯甲酰并繼續(xù)攪拌，測試丙烯酸溶液黏度，待溶液黏度大約為130 mPa·s時倒出溶液并浸泡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 性能測試

在WDW－10電子萬能試驗機上分別按照GB／T1040—2006和GB／T9431—2008測試PMMA試樣的拉伸性能和彎曲強度，試樣的沖擊強度按照GB／T1843—2008標準方法在XJJ－5沖擊試驗機上測試。

2 結果與討論

2.1 環(huán)氧浸潤劑黏度對PMMA試樣力學性能的影響

2.1.1 拉伸性能

用環(huán)氧浸潤劑浸泡的PMMA試樣的拉伸強度和斷裂伸長率列于表1。未經浸潤劑處理的PMMA試樣的拉伸強度為4．8 MPa，而斷裂伸長率也僅為3．6%。從表1中看出，用環(huán)氧浸潤劑處理過的PMMA試樣的拉伸性能均得到改善，特別是斷裂伸長率顯著增加2．1倍，證明浸潤劑能增強PMMA粉末之間的連續(xù)性。但是當浸潤劑的黏度大于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，試樣內部缺少活性單體的交聯。

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

2.1.2 彎曲強度和沖擊強度

經環(huán)氧浸潤劑處理的PMMA試樣的彎曲強度和沖擊強度隨浸潤劑黏度變化的趨勢如圖1所示。與黏度對拉伸強度的影響類似，浸潤劑處理后試樣的彎曲強度和拉伸強度都有明顯的提高，最大值比處理前分別增加了128．5%和162．5%。可能是試樣表面被浸潤劑完全包覆形成一個環(huán)氧殼體，具有更好的抗彎能力，所以彎曲強度隨浸潤劑黏度一直增加。而沖擊性能對材料的結構缺陷更加敏感，所以浸潤劑滲透性減弱后PMMA的沖擊強度降低。

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

2.2 浸潤劑種類對PMMA試樣力學性能的影響

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

表2 不同浸潤劑處理的PMMA試樣的力學性能Table 2 Mechanical properties of PMMA samples treated with different infiltrations

石蠟是用物理方法對PMMA試樣的表面進行修飾，對材料的力學增強效果幾乎可以忽略不計，說明增強PMMA試樣的主要因素是試樣表面及滲透進入內部的活性單體的交聯反應。

3 結論

1）環(huán)氧樹脂、丙烯酸等反應型浸潤劑可以滲透進入用SLS和BJT技術打印產品的內部，并發(fā)生交聯反應，從而提高3D打印產品的力學性能。石蠟以物理方式對材料表面進行修飾，幾乎沒有增強效果。

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

3）經過烘干、真空干燥等后處理，環(huán)氧樹脂浸潤劑的增強效果優(yōu)于丙烯酸浸潤劑，更適合工業(yè)生產使用。

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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，主要從事保護涂料方面的研究工作。