选择性激光烧结用聚丙烯粉末的制备及性能研究

摘要

选择性激光烧结技术（Selective laser sintering,SLS）采用分层堆积制造的原理，烧结过程中激光束对铺好的粉末材料分层扫描，使粉末材料粘结固化，再进行下一层扫描烧结，如此逐层叠加，最终制造出所需要三维实体制件，其集CAD、激光、数控技术、机械工程、精密伺服驱动和新材料等先进科学技术于一体，是目前发展最快、应用最为广泛的一种快速成型技术。可用于SLS的粉末材料主要包括：高分子粉末、陶瓷基复合粉末、金属基复合粉末、铸造砂等。其中高分子材料在烧结时温度低，所需激光能量小，烧结工艺简单，制件精度高，是目前应用最广泛、最成功的激光烧结材料，也是本领域的研究重点之一。本文研究了用于SLS的聚丙烯（PP）粉末材料。
　　本文研究了溶剂沉淀法在PP粉末制备中的可行性，并讨论了各种工艺条件如PP原料熔融指数、溶解温度、溶剂/树脂用量比、初始压力、搅拌转速、保温时间等因素对制备的PP粉末表观密度、粒径分布的影响。研究结果表明，采用溶剂沉淀法可以有效地制备PP粉末，制备的最佳工艺条件为：溶解温度170℃、溶剂/树脂用量比15ml/g、初始压力1.2MPa、搅拌转速600r/min、保温时间30min。在此工艺条件下制备的PP粉末表观密度为0.36g/cm3，平均粒径为63.2μm，最小粒径为20μm，最大粒径为100μm，粒径分布窄，粉末球形度良好，内部密实，表面光滑，除存在极少数坑洼外，没有明显裂纹和缝隙。
　　采用溶剂沉淀法可以制备PP/铝粉复合粉末，且使用硅烷偶联剂KH570对铝粉进行表面处理时效果最佳，处理后的铝粉和PP树脂间相容性良好，树脂溶解后可以很好地包裹在铝粉表面，形成较为均一的复合体系；然后分别制备了铝粉含量为0wt.％，5wt.%，10wt.%，15wt.%，20wt.%的五种PP/铝粉复合粉末。通过对复合粉末的力学性能进行分析可知：当铝粉含量为10%（wt%）时，所制备复合粉末制件的拉伸强度最大，可以达到33.5MPa，与未加铝粉的纯PP粉末相比，拉伸强度提高了16.7%；其冲击强度为5.3KJ/m2，与未加铝粉的纯PP粉末相比略有降低，但制件的综合力学性能最佳。
　　本文中所制备PP粉末可以采用SLS烧结出满足要求的制件，且当加工温度150℃，铺粉厚度0.12mm，激光功率20W时，烧结出的样条外观平整、尺寸精确、无翘曲变形，且其拉伸强度达到27.9MPa，冲击强度为6.3KJ/m2，与注塑件的性能基本相当。

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