聚乳酸/石墨烯复合线材制备及熔融沉积打印实验研究

摘要

熔融沉积成型(FDM)是目前应用最为广泛的3D打印技术，它要求成型线材具有熔融温度低、黏度低、粘结性好、收缩率小等特点，聚乳酸（PLA）线材具有良好的生物降解性、兼容性与可加工性，是极具应用前景的品种之一，然而，其力学性能较差、导电性能极弱影响了其工程应用范围。石墨烯具有优异的电、热、磁和力等性能，有望作为聚乳酸线材改性的理想填料。为促进FDM技术的应用和发展，本课题研究PLA/石墨烯复合线材制备技术，并进行FDM打印实验研究。
　　采用机械球磨法制备了PLA/石墨烯复合微粒，并对其包覆机理及其包覆量变化规律进行了研究，在利用热压成型法制备聚乳酸/石墨烯复合试样的基础上，分析不同的复合微粒成型工艺性及电学、力学性能。结果表明：石墨烯包覆过程分为三个阶段：少量石墨烯时以机械咬合的方式填充载粒子表面的凹陷，适量石墨烯时静电吸附于载粒子表面逐渐达到包覆量上限，过量石墨烯时填充载粒子间隙甚至溢出；石墨烯的加入使得复合材料的抗弯强度和导电性能显著提高，且采用较小粒径的聚乳酸作为载粒子时，抗弯强度和导电性提升更加明显，其抗弯强度最高为57.87MPa，比未添加石墨烯提高了114.61％，石墨烯含量为9%时的电导率可达到0.202S/cm，当石墨烯添加量超过9%时，在160℃，6MPa压力条件下，复合材料的表面出现裂纹、破碎等严重缺陷，其成型性较差；利用KH-550偶联剂事先对PLA改性，可以提升复合材料的力学性能和导电性能，其中，KH-550与石墨烯添加量分别为1%、5%时，电导率和抗弯强度分别分别可达到0.045S/cm、54.282MPa，比未添加偶联剂时的性能分别提高了34.5%、21.9%。
　　研制了PLA/石墨烯复合线材挤出成型机，并对?1.75mm的PLA/石墨烯复合线材成型工艺进行了实验研究，探索了不同的石墨烯含量对复合线材的电导率、拉伸强度和断裂伸长率影响。结果表明：为了保证线材成型质量，避免内部产生气孔，需要对复合微粒进行60℃下4h烘干处理，为了防止复合线材扭曲变形，应适当提高冷却水温至40℃；为了控制线径大小，应控制牵引机构辊轮转速在一定范围内，当石墨烯质量分数为4%、5%、6%时，辊轮最佳转速分别为12r/min、14或16r/min、16r/min；PLA/石墨烯复合线材的电导率随着石墨烯含量的增加而增大，而拉伸强度和断裂伸长率随之减小，当石墨烯含量高于3%时，石墨烯复合线材的电导率可达到10-3S/cm，而当石墨烯含量为6%时，其拉伸强度和断裂伸长率仅为36.7MPa和4.6%，低于合格线材的要求，故PLA/石墨烯复合线材中合适的石墨烯添加量应为4~5%。
　　利用FDM成型机进行了3D打印工艺实验研究，对比研究了不同的打印温度、打印速度、打印填充度、打印填充结构对试样的电学性能和力学性能影响。结果表明：打印温度的升高会对试样的电导率和抗弯强度有一定程度的提升；打印速度的增加将导致试样的电导率减小，抗弯强度增大；打印填充度增加时试样的电导率基本保持不变，而抗弯强度逐渐增大；打印填充结构的改变不影响试样的电导率，但抗弯强度依直线、同心、蜂窝结构的顺序逐渐增大；同等成型温度条件下，试样的电导率相比PLA/石墨烯复合线材有所提升。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1熔融沉积3D打印技术

1.2 聚乳酸及其改性技术

1.3 石墨烯及其应用

1.4 聚乳酸/石墨烯复合材料制备国内外研究现状

1.5 课题研究目标与意义

2.1 引言

2.2 复合微粒制备实验

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3.1 引言

3.2 线材挤出成型理论基础

3.3 PLA/石墨烯复合线材挤出成型机的设计

3.4 线材挤出成型实验

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

4.1 引言

4.2 FDM打印实验平台

4.3 PLA/石墨烯复合线材打印无堵塞启动的可行性仿真分析

4.4 FDM打印实验

4.5 结果与讨论

4.6 本章小结

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

后记

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术成果