新型PLA基FDM导电复合材料的制备及性能研究

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熔融挤出成型(FDM)3D打印技术具有投资小、操作简便等特点,发展迅速,但3D打印材料品种不足,成为制约行业发展的瓶颈。多数聚合物不导电,能用于3D打印导电器件的FDM材料更少,因此聚合物导电材料是目前的研究热点。发展高附加值的FDM导电聚合物材料具有较好的理论和实际意义。本文研究了两类新型PLA基FDM导电复合材料的共混挤出制备方法及性能。本文重点研究了不同导电剂纳米石墨片(GNPs)、碳纤维(CF)对GNPs/PLA和CF/PLA木塑导电复合线材性能的影响。复合线材采用单螺杆熔融共混挤出制备,再经FDM 3D打印机制得个性化的导电器件。采用万能力学试验机、TG、MFR、SEM和电阻计等对复合材料进行测试和表征。首先研究了GNPs/PLA基导电复合材料的体系。研究了微波膨胀法制备GNPs的工艺条件。重点考察了GNPs含量、增强剂种类及含量对其导电性能与力学性能的影响。实验结果表明,经偶联剂KH550改性的增强剂多壁碳纳米管(MWCNTs)和碳纤维(CF)对复合材料的相容性、挤丝性和打印性能均有所改善;当复合材料中GNPs、MWCNTs和K-CF含量分别为0.4 wt%、0.4 wt%和2 wt%时,其电导率可达10-44 S/cm,比纯PLA的提高了10个数量级;三种复合材料的降解速率排序为:GNPs/K-MWCNTs-CF/PLA>GNPs/MWCNTs/K-CF/PLA>GNPs/MWCNTs/CF/PLA>纯PLA,而接触角排序反之,与降解实验结果相符。其次,研究了CF/PLA木塑导电复合材料的体系。重点考察了碳纤维含量、KH550改性木粉(K-WF)含量、增韧剂种类及含量等因素对导电复合材料性能的影响,确定了适宜的复合材料配方。结果表明:随着碳纤维含量的增加,复合材料的电导率、耐热性能、拉伸模量、冲击强度、断裂伸长率提高,拉伸强度降低,弯曲强度先增加后减小;当CF含量为10 wt%时,CF/PLA复合材料的电导率为10-4 S/cm,MFR值为6.49 g/10 min;当K-WF含量为10 wt%时,CF/PLA木塑复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别为44.64MPa和74.40 MPa,但冲击强度和断裂伸长率均降低;采用4种不同增韧剂对CF/K-WF/PLA木塑复合材料进行改性,优选的增韧剂为聚己内酯(PCL),当PCL含量为6 wt%,CF/K-WF/PLA木塑导电复合材料流动性适中,韧性较好,能够生物降解,符合绿色环保的要求。
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