聚乳酸增韧改性及其熔融沉积成型研究

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针对聚乳酸(PLA)作为熔融沉积成型(FDM)技术成型材料的不足(抗冲性差、熔体强度较低和轻度翘曲),本文选用热塑性聚氨酯(TPU)和甲基丙烯酸甲酯-有机硅-苯乙烯(S-2001)对其进行共混改性,研究了共混体系结构与性能之间的关系并考察了其对打印连续性、稳定性、制件尺寸稳定性和成型精度的影响,在此基础上探究了成型参数对改性PLA冲击性能的影响规律。首先,选用TPU制备了不同质量比的PLA/TPU共混物,研究了体系的动态流变行为、微观形貌、力学性能和热性能,并制备改性PLA线材进行熔融沉积成型。结果表明,加入TPU后能提高材料的储能模量,使熔体弹性增强,利于熔融铺丝。TPU能改善材料的冲击韧性,且随着TPU含量的增加而增大。另外,PLA/TPU熔融共混后会降低体系的结晶能力,对熔融沉积成型收缩翘曲具有抑制作用。当TPU含量为10 wt%时,线材的熔融沉积成型效果最好。其次,加入不同含量的S-2001颗粒协同增韧PLA/TPU(90/10)共混体系,研究了体系的动态流变行为、微观形貌和力学性能,并制备改性PLA线材进行熔融沉积成型。结果表明,S-2001颗粒能够明显提高体系的冲击强度,当添加量为6~8 phr时,基体屈服变形区相互连接形成逾渗通道,体系实现脆-韧转变。S-2001颗粒填充共混体系的流变逾渗区间为8~10 phr,此时体系低频区的储能模量和复数黏度显著提高;Han图和vGP图预测了熔体性质由“类液体”向“类固体”转变;Cole-Cole曲线和加权松弛谱从松弛机制揭示了体系内部形成完整的三维网络结构。此外,加入S-2001颗粒后有利于提高熔融沉积成型制件的尺寸稳定性和成型精度。最后,选取PLA/TPU/S-2001(90/10/8)为比例的配方制备成型线材,采用正交试验探究了底板温度、打印温度、沉积方式、打印层厚和打印速度等成型参数对改性PLA冲击性能的影响规律。结果表明,当底板温度为90℃、喷嘴温度为190℃、沉积方式为45°/45°、打印层厚为0.4 mm、打印速度为45 mm/s时,FDM试样的冲击强度达到最大值,且打印层厚和沉积方式对改性PLA FDM试样的冲击性能影响显著。微观形貌证实了增加打印层厚有利于材料吸收冲击功,奇数层和偶数层之间的不同沉积角度对材料冲击强度的提高存在拮抗作用,45°/45°为宜。此外,最优工艺下的FDM试样的冲击强度比注塑试样低,为注塑试样的71.4%。
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