3D打印高分子材料的研究进展

O唐林川（西南石油大学 四川 646100）

3D打印高分子材料的研究进展

O唐林川
（西南石油大学 四川 646100）

三维快速成型打印简称为3D打印，属于快速成型制造技术中。本文探究了3D打印所用高分子材料的现状及研究进展，常用的材料有工程塑料、光敏树脂和生物医用材料。随着3D打印技术的发展，针对打印高分子材料的研究成为3D打印技术提升的关键。

3D打印；高分子材料；研究进展

1.前言

3D打印（Three Dimensional Print）是三维快速成型打印的简称，属于快速成型制造技术中的一种。3D打印是以数字模型为基础，将所需产品的三维模型通过专用设备进行分层离散，利用某些特定高分子材料的可粘合性，通过激光照射等方式逐层叠加，从而快速制成所需产品的成型技术。

3D打印是一项多学科交叉的先进技术，需要材料、机电、信息技术等学科的紧密配合，同时，该项技术能够使产品简化制造工序、缩短研发周期、提高生产效率、降低生产成本，并广泛应用于医疗、航天、汽车制造等领域，被称为“第三次工业革命”的核心技术。

2.3D打印高分子材料

3D打印与传统打印最大的区别是所用耗材不同。传统打印机的耗材主要是纸和墨，而3D打印由于其打印设备及工艺的特殊性，需要特定的原材料作为使用耗材。高分子材料具有许多优异的性能，可塑性强，耐热、耐磨，加工性好，尺寸精度优良，使得在3D打印过程中的翘曲变形、蜷曲程度、尺寸收缩等较低，从而使所得产品能够保持较高的精确度。

目前，3D打印高分子材料常用的有工程塑料、光敏树脂和生物医用材料。

(1)工程塑料

工程塑料具有优异的耐候性和热稳定性，因此，是目前应用最广泛、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）最为常用。

ABS树脂（如图1）是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯组成的三元共聚物，其分子链中既有刚性较强的苯环，又有柔顺性较好的C-C双键和单键，具有强度高、韧性好、耐磨耐冲击等性能优势。ABS最常使用的是熔融沉积成型（FDM）技术，其打印温度一般为210～260℃，打印过程较为稳定，所得产品强度较高、韧性较好。但是，由于ABS树脂在打印过程中需要对底板进行加热，使得树脂表面产生卷曲现象，所得制品发生收缩变形，因此，一些科研工作者通过将ABS树脂与短切玻璃纤维或者聚碳酸酯等材料混炼的方式对其进行改性，从而提高树脂的韧性、强度，同时降低产品的收缩率，使得ABS树脂能够更好地应用于3D打印技术。

图1 ABS树脂

PA树脂（如图2）其分子间具有大量作用力极强的氢键，因此具有良好的力学性能，如PA66，其耐磨性、拉伸强度和韧性均较为优异，但是由于其熔点（265℃）比一般工程塑料高，使其加工性能一般，因此，需要对PA树脂进行一定程度的改性。例如，可加入适量的聚乙烯醇（PVA）进行改性，利用PVA颗粒遇水膨胀并溶解的特性，可使其与部分PA分子链发生缠结，待水分挥发完全后，PVA可形成一定的网络结构，从而对PA树脂起到包覆作用，提高其内聚力、粘接强度和弯曲强度，提高树脂的加工性能。同时，也可将PA树脂与碳纤维复合，利用3D打印技术制备强度和韧性极高的复合塑料，在机械制造领域代替常用的金属工具。

图2 PA树脂

PC树脂具有优异的机械强度，比ABS树脂高60%左右，同时具有收缩率低、阻燃等特性，可用于制备高强度3D打印制品。如，拜耳公司研发的牌号为PC2605的产品，可用于防弹玻璃、宇航员的头盔和面罩以及机械齿轮等产品的3D打印。

除了上述三种常用的塑料外，聚苯砜（PPSF）、聚醚醚酮（PEEK）等也是应用于3D打印行业的新材料，目前国内外关于这些材料的应用研究尚处于起步阶段。

(2)光敏树脂

光敏树脂即为UV树脂，是一类光固化成型（SLA）材料，由聚合物单体、预聚物和光引发剂组成。当特定波长的紫外光（250～300nm）照射光固化材料表面时，光引发剂吸收其能量，从而形成激发态分子，并迅速分解成活性基团，使体系中的预聚物或单体之间发生聚合反应，在短时间内实现固化过程，并继续逐层扫描凝固，从而堆积成一个三维的实体产品。

目前关于3D打印（图3）用光敏树脂的研发较为活跃，进入商业化使用的主要有环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、不饱和聚酯等。其中，环氧丙烯酸酯固化后硬度较高、体积收缩率较小、化学稳定性较好，但同时其黏度较大，不利于产品的成型加工；聚氨酯丙烯酸酯的韧性、耐磨性以及光学性较好，但也存在聚合活性及色度难以控制的缺陷；不饱和聚酯的优势是粘度适中、容易成型，但固化产品的硬度大、强度差、易收缩。因此，目前使用的UV树脂常将多种光敏聚合物进行组合，从而达到取长补短的效果，获取所需性能的树脂材料。

图3 3D系统光固化3D打印的奥秘

综合而言，UV树脂是一类性能较为优异的打印耗材，表干性能好、表面精度高，成型后表面光滑，细节展示优异，可用于模具制造、精密铸造等。但是，UV树脂也具有一定的性能缺陷，如，成本偏高，力学强度、耐热性、耐候性低于工程塑料类耗材，因此，在一定程度上影响其使用范围。

(3)生物医用材料

3D打印生物医用材料主要有聚乳酸（PLA），其具有流动性好、凝固速度快、成型过程中不易堵喷嘴等性能优势，尤其是具有良好的生物可降解性，在生物医疗行业中具有良好的应用前景。

PLA是一类非结晶材料，打印出来的产品成型好、不翘边、外观光滑，但也存在强度低、尺寸稳定性差、易变形等问题，尤其是当温度超过50℃时会发生软化，使其打印产品的精度较差。针对此种情况，可以通过热处理或者加入扩链剂等方式提高PLA的玻璃化转变温度以及冷结晶温度，可加入的扩链剂有环氧类大分子，从而提高其强度和尺寸稳定性；同时也可加入热稳定剂，提高PLA的结晶度，从而克服其尺寸稳定性较差的缺陷，改善其加工精度。在应用方面，有学者利用3D成型技术制造了PLA组织工程支架，该支架孔隙度高，且具有生长能力。

除此之外，聚己内脂（PCL）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯（PETG）等也是3D打印生物医疗制品的主要耗材，但由于此类生物塑料普遍存在强度低的缺陷，因此需要在产品的增强处理上做深入的研究。

3.结语

随着3D打印技术的发展，需要打印高分子材料具有更强的通用性，更优异的力学性能和加工性能，更高的加工精度，以及耐热、耐磨、耐腐蚀等，因此，针对打印高分子材料的研究是3D打印技术提升的关键。

[1]张胜,徐艳松,孙姗姗等.3D打印材料的研究及发展现状[J].中国塑料,2016,30(1):7-14.

[2]贺超良,汤朝晖,田华雨等.3D打印技术制备生物医用高分子材料的研究进展[J].高分子学报,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，西南石油大学，研究方向：高分子材料。