3D打印高分子材料的研究進展

O唐林川（西南石油大學 四川 646100）

3D打印高分子材料的研究進展

O唐林川
（西南石油大學 四川 646100）

三維快速成型打印簡稱為3D打印，屬于快速成型制造技術中。本文探究了3D打印所用高分子材料的現狀及研究進展，常用的材料有工程塑料、光敏樹脂和生物醫用材料。隨著3D打印技術的發展，針對打印高分子材料的研究成為3D打印技術提升的關鍵。

3D打印；高分子材料；研究進展

1.前言

3D打印（Three Dimensional Print）是三維快速成型打印的簡稱，屬于快速成型制造技術中的一種。3D打印是以數字模型為基礎，將所需產品的三維模型通過專用設備進行分層離散，利用某些特定高分子材料的可粘合性，通過激光照射等方式逐層疊加，從而快速制成所需產品的成型技術。

3D打印是一項多學科交叉的先進技術，需要材料、機電、信息技術等學科的緊密配合，同時，該項技術能夠使產品簡化制造工序、縮短研發周期、提高生產效率、降低生產成本，并廣泛應用于醫療、航天、汽車制造等領域，被稱為“第三次工業革命”的核心技術。

2.3D打印高分子材料

3D打印與傳統打印最大的區別是所用耗材不同。傳統打印機的耗材主要是紙和墨，而3D打印由于其打印設備及工藝的特殊性，需要特定的原材料作為使用耗材。高分子材料具有許多優異的性能，可塑性強，耐熱、耐磨，加工性好，尺寸精度優良，使得在3D打印過程中的翹曲變形、蜷曲程度、尺寸收縮等較低，從而使所得產品能夠保持較高的精確度。

目前，3D打印高分子材料常用的有工程塑料、光敏樹脂和生物醫用材料。

(1)工程塑料

工程塑料具有優異的耐候性和熱穩定性，因此，是目前應用最廣泛、研究最成熟的打印材料，其中，以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺（PA）和聚碳酸酯（PC）最為常用。

ABS樹脂（如圖1）是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯組成的三元共聚物，其分子鏈中既有剛性較強的苯環，又有柔順性較好的C-C雙鍵和單鍵，具有強度高、韌性好、耐磨耐沖擊等性能優勢。ABS最常使用的是熔融沉積成型（FDM）技術，其打印溫度一般為210～260℃，打印過程較為穩定，所得產品強度較高、韌性較好。但是，由于ABS樹脂在打印過程中需要對底板進行加熱，使得樹脂表面產生卷曲現象，所得制品發生收縮變形，因此，一些科研工作者通過將ABS樹脂與短切玻璃纖維或者聚碳酸酯等材料混煉的方式對其進行改性，從而提高樹脂的韌性、強度，同時降低產品的收縮率，使得ABS樹脂能夠更好地應用于3D打印技術。

圖1 ABS樹脂

PA樹脂（如圖2）其分子間具有大量作用力極強的氫鍵，因此具有良好的力學性能，如PA66，其耐磨性、拉伸強度和韌性均較為優異，但是由于其熔點（265℃）比一般工程塑料高，使其加工性能一般，因此，需要對PA樹脂進行一定程度的改性。例如，可加入適量的聚乙烯醇（PVA）進行改性，利用PVA顆粒遇水膨脹并溶解的特性，可使其與部分PA分子鏈發生纏結，待水分揮發完全后，PVA可形成一定的網絡結構，從而對PA樹脂起到包覆作用，提高其內聚力、粘接強度和彎曲強度，提高樹脂的加工性能。同時，也可將PA樹脂與碳纖維復合，利用3D打印技術制備強度和韌性極高的復合塑料，在機械制造領域代替常用的金屬工具。

圖2 PA樹脂

PC樹脂具有優異的機械強度，比ABS樹脂高60%左右，同時具有收縮率低、阻燃等特性，可用于制備高強度3D打印制品。如，拜耳公司研發的牌號為PC2605的產品，可用于防彈玻璃、宇航員的頭盔和面罩以及機械齒輪等產品的3D打印。

除了上述三種常用的塑料外，聚苯砜（PPSF）、聚醚醚酮（PEEK）等也是應用于3D打印行業的新材料，目前國內外關于這些材料的應用研究尚處于起步階段。

(2)光敏樹脂

光敏樹脂即為UV樹脂，是一類光固化成型（SLA）材料，由聚合物單體、預聚物和光引發劑組成。當特定波長的紫外光（250～300nm）照射光固化材料表面時，光引發劑吸收其能量，從而形成激發態分子，并迅速分解成活性基團，使體系中的預聚物或單體之間發生聚合反應，在短時間內實現固化過程，并繼續逐層掃描凝固，從而堆積成一個三維的實體產品。

目前關于3D打印（圖3）用光敏樹脂的研發較為活躍，進入商業化使用的主要有環氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、不飽和聚酯等。其中，環氧丙烯酸酯固化后硬度較高、體積收縮率較小、化學穩定性較好，但同時其黏度較大，不利于產品的成型加工；聚氨酯丙烯酸酯的韌性、耐磨性以及光學性較好，但也存在聚合活性及色度難以控制的缺陷；不飽和聚酯的優勢是粘度適中、容易成型，但固化產品的硬度大、強度差、易收縮。因此，目前使用的UV樹脂常將多種光敏聚合物進行組合，從而達到取長補短的效果，獲取所需性能的樹脂材料。

圖3 3D系統光固化3D打印的奧秘

綜合而言，UV樹脂是一類性能較為優異的打印耗材，表干性能好、表面精度高，成型后表面光滑，細節展示優異，可用于模具制造、精密鑄造等。但是，UV樹脂也具有一定的性能缺陷，如，成本偏高，力學強度、耐熱性、耐候性低于工程塑料類耗材，因此，在一定程度上影響其使用范圍。

(3)生物醫用材料

3D打印生物醫用材料主要有聚乳酸（PLA），其具有流動性好、凝固速度快、成型過程中不易堵噴嘴等性能優勢，尤其是具有良好的生物可降解性，在生物醫療行業中具有良好的應用前景。

PLA是一類非結晶材料，打印出來的產品成型好、不翹邊、外觀光滑，但也存在強度低、尺寸穩定性差、易變形等問題，尤其是當溫度超過50℃時會發生軟化，使其打印產品的精度較差。針對此種情況，可以通過熱處理或者加入擴鏈劑等方式提高PLA的玻璃化轉變溫度以及冷結晶溫度，可加入的擴鏈劑有環氧類大分子，從而提高其強度和尺寸穩定性；同時也可加入熱穩定劑，提高PLA的結晶度，從而克服其尺寸穩定性較差的缺陷，改善其加工精度。在應用方面，有學者利用3D成型技術制造了PLA組織工程支架，該支架孔隙度高，且具有生長能力。

除此之外，聚己內脂（PCL）、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環己烷二甲醇酯（PETG）等也是3D打印生物醫療制品的主要耗材，但由于此類生物塑料普遍存在強度低的缺陷，因此需要在產品的增強處理上做深入的研究。

3.結語

隨著3D打印技術的發展，需要打印高分子材料具有更強的通用性，更優異的力學性能和加工性能，更高的加工精度，以及耐熱、耐磨、耐腐蝕等，因此，針對打印高分子材料的研究是3D打印技術提升的關鍵。

[1]張勝,徐艷松,孫姍姍等.3D打印材料的研究及發展現狀[J].中國塑料,2016,30(1):7-14.

[2]賀超良,湯朝暉,田華雨等.3D打印技術制備生物醫用高分子材料的研究進展[J].高分子學報,2013,6:722-732.

Research Development of 3D Printing High Polymer Material

Tang Linchuan
（Southwest Petroleum University, Sichuan, 646100）

Three－dimensional rapid forming printing prototyping is called 3D printing,which belongs to rapid prototyping manufacturing technology.This article explores the present situation and research progress of polymer materials used by 3D printing,and the commonly used materials conclude engineering plastics, photosensitive resin and biomedical materials. With the development of 3D printing technology, the study of high polymer material becomes the key of 3D printing technology promotion.

3D printing；high polymer material；research development

T

A

唐林川（1993～），男，西南石油大學，研究方向：高分子材料。