聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工的实践探析

陈磊，陈月

聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工的实践探析

陈磊，陈月

（盘锦职业技术学院，辽宁 盘锦 124000）

目前我国3D打印技术自身具有独特性，所以在各行各业得到了广泛的技术发展，是目前我国先进科学技术中重要组成部分。但是实际操作过程中，3D打印技术受到了材料的约束，需要我国技术人员针对聚合物基微纳米功能复合材料进行全面探索。首先针对3D打印加工技术限制因素进行综合阐述，并且结合压电纳米技术以及生物医用纳米技术总结出纳米功能复合材料加工技术应用。

聚合物基微纳米功能复合材料；3D打印；纳米技术；基础性能

3D打印技术，又被称为快速立体成型技术，其技术主要以数字和信息模型作为基础条件，使用黏合材质，逐层打印立体结构物体。与传统的加工成型方法相比，3D打印具有快速成型、加工成本低、逐层打印、高精确度、自动化程度高、个性化程度强的特点，可以制备出常规加工方法不能制备的特殊形状的产品，因此在很多高科技领域都有重要的应用。同时3D打印技术也存在很多亟待解决的难题，例如3D打印材料的选择、打印设备的使用、打印技术的操作原理等[1-2]。

1 3D打印加工技术限制因素

1.1 打印材料

在工业生产中，虽然相对高速的工业打印可以有效完成塑料、金属或者陶瓷物质的结构打印，但是实际使用过程中，其打印材料却无法有效普及，十分昂贵。除此之外，其打印设备的基础功能仍处于初级阶段，不能有效完成日常生活中可以随时接触材料的打印，最终打印材料成为3D打印加工技术的主要限制因素[3]。

1.2 打印设备

3D打印技术在我国建筑结构设计以及几何物体的制作方面上，已经取得了一定程度的变化和成果，在工业生产过程中，静态物体和形态可以被有效的打印，但是针对动态物体，目前打印设备的核心技术无法有效实现清晰模仿和打印。然而随着科学技术的不断发展，此项困难在未来技术研发中可以有效被解决[4]。

1.3 经济支出

由于现阶段我国3D打印技术没有得到全面普及，同时其技术生产构成中，无论是设备引进还是材料选择，所需要承担的经济费用相对较高。所以3D打印技术想要有效普及，都需要将生产成本进行降低。

2 纳米功能复合材料加工技术应用

聚合物基材料加工条件温和、易于改性成型，是最适合3D打印个性化生产和规模化应用的材料。但仍需解决可选择原料种类少、结构单一、打印精度和层间强度有待提高、传统聚合物加工理论不完全适用等问题。目前，已建立了多种聚合物材料3D打印技术，如选择性激光烧结（SLS）[5]、熔融沉积成型（FDM）[6-8]、立体光刻成型（SLA）[9-10]、三维打印（3DP）等[11-13]，可以制备传统加工方法不能或难以制造的结构及其复杂的制品[14-17]；可以打印多层次结构，如取向结构、梯度结构、微孔结构、网络结构；可以通过3D打印加工制备无人机、微型卫星、义肢等[18]。

2.1 压电纳米技术[19]

尼龙 11pall型号在3D打印技术中得到广泛的使用，是少数具有压电性能的复合材料之一，其材质具有吸水性低、技术加工性能和力学性能优秀的材料使用特点，而钛酸钡物质又被称为BT，是一种具有良好电力性能的压电材料，在实际应用和测试过程中，自身具备较高的压电性能和电力介质性能，所以技术人员通过有机技术处理和无机技术处理，将两者物质相互结合，最终制作成具备优秀压电性能和热量加工性能的聚合物基微纳米功能复合材料。但是在设计材料生产过程中，其主要难点和重点则在于将两者原材料的基础结构体进行分散，进而有效完成微纳米半复合材料的外部形态热塑加 工[20]。

针对此种现状，可以使用固态剪切和研磨等方法进行零件的制作，最终得出材料的BT总体含量可以高达85%，并且在材料应用时，自身具有良好分散性，以此为制作高基础性能和高属性的3D打印技术，提供了全新的聚合物基微纳米功能复合材料。其中固定剪切和碾磨技术在日常操作过程中，主要在基础磨盘形态下，针对3D打印技术进行优化和完善，以此形成全新的高分子材料加工技术。加上固定化学反应设备实施3D打印技术后，自身具备特殊形态的三维剪切结构，所以在实际研磨过程中会产生大量三维力场，以此有效针对原材料进行粉碎和分散，最终实现3D打印技术的超细粉碎以及纳米复合。而未经过研磨的尼龙11pall与BT复合材料内部结构体系中的BT粒子结合现状十分严重，并且在研磨设备强大的三维剪切力场作用下，有效完成和实现了高物质填充的BT粒子在基础结构体中均匀分散。加上聚合物基微纳米功能复合材料自身具备强大的阻尼感和性能，所以已经制作完成的尼龙11pall与BT物质已经具有微型热塑和加工性能。在实际生产时，使用3D打印技术后，整体模型制作速度较快，其填充时间均小于10 m·s-1，以此有效完成了技术的生产和应用。在3D打印技术的应用过程中，首次完成了对尼龙11pall与BT材质的微型加工技术，并且其加工温度保持在 270 ℃，最终有效实现了3D打印技术的加工和生产，尤其是在产品微型生产过程中，其注射数据压力的峰值以及模型压力均在合理的范围内，对微型样品结构的形态也具有良好的保证。

2.2 碳纳米管复合技术

热塑性聚氨酯（TPU）材料加工性能好，生物相容性好，但不导电，碳纳米管（CNTs）导电性能优异、力学性能好[21]，将两者进行复合，通过选择性激光烧结技术制备出性能优越的TPU/CNTs纳米复合材料。碳纳米管的加入可显著提高聚氨酯材料的导电率。通过激光烧结技术使碳纳米管附着在聚氨酯表层，比传统的模压注射成型的制品导电率高出数倍。碳纳米管的加入使其材料具有复杂的多孔结构，同时又能制备出形状复杂、结构规整的TPU/CNTs制品，使制品具有良好的导电性能和优异的柔韧性，可用于压力传感器柔性导电制件，在很多方面有重要应用。

2.3 生物医用纳米技术[22-24]

聚乙烯醇物质在医学生产过程中又被称为PVA，其物质自身具备良好的力学综合性能，可以有效与生物进行相互融合，但是在实际结合和操作过程中缺少生物自身的活性指数。羟基磷灰石又被称为HA，其物质本身具有良好的生物基础活动和生物通用性，但是物质力学性质相对较差。所以想要在医学纳米技术研究中引进3D打印技术，就需要将PVA物质与HA物质进行组合，以此制造出具有较高力学性能、生物基础活动以及生物基础通用性的聚合物基微纳米功能复合材料。最后使用其材料结合3D打印技术，生产出生物医用的微型零部件。

在实际生产和制作PVA/HA复合材料时，其生产难点主要在PVA物质中的多羟基强氢键结构方面，由于其结构特点、自身熔点以及温度分散点十分相近，所以材料组合研究时，不能使用热量加工。除此之外，HA物质结构中的纳米粒子组合难点则在于如何在PVA物质基础结构体中进行均匀的分散和结合。通过技术人员的不懈努力，依靠物质分子的重复结合，最终完成了PVA物质的热量加工。

而材料使用固态研磨方法进行制作和结合时，应该选择具有高填充能力的PVA/HA 纳米复合材料，以此作为基础，有效完成微型模式的注入和苏醒技术要求，其中分子的加工和充分主要指的是材料内部结构中，将高分子物质依靠库仑力进行转化，尤其是在分子结构上针对其聚合物进行调整，进而有效改善其材料的基础性能。而在材料复合过程中，选择与PVA材质结构相互互补的复合物，最终形成复合形态的加工材料，从根本上有效抑制了PVA物质的结晶，减少物质熔点系数，提升物质的分解整体温度，进而完成在100 ℃以上进行结构热塑和技术加工。使用此种技术不仅缓解PVA物质在生产和复合过程中，无法使用热量加工的核心问题，一定程度上还能降低其复合物质的基础熔点，有利于后续微型零部件以及3D打印技术的应用和加工[25]。

在材料复合加工技术中，研磨技术自身强大的剪切力场，可完成将高含量的HA物质颗粒在PVA物质基础结构体中进行均匀分散。并且经过分子进行复合和转变后，其PVA物质结晶程度会有所降低。而磨盘碾磨技术在实际操作过程中，并不会损坏纳米复合材料的HA物质所产生的晶体内部结构，从而有效保证生物结构的基础活性。而在HA物质和PVA物质之间所产生的氢键物质，以及HA物质的空间阻隔性质，一定程度上可以有效抑制PVA物质的结晶。尤其是在制作两者复合形态纳米材料时，其自身材料已经具有较高的力学特点，材料整体的拉伸强度可以达到32 MPa，并且经过高压拉伸后，断裂伸长效率也同样达到567%左右。加上PVA物质材质无法使用加热功能进行外部形态塑造，而使用无机技术进行材料填充后，以PVA物质为基础的复合形态材料，使用加热技术难度系数则更高，为此使用此种材料进行3D打印技术生产是无法有效完成外形的塑造。针对此种材料性能特点和使用现状，技术人员通过分子之间的整合、分散、固定以及研磨等相关技术，全面完善、优化微型零部件外部塑形的基础工艺环境和条件，实现材料的外部形态加工和内部填充，最终利用以上技术首次实现了医用微型复合材料中HA物质质量分数超过30%。

3 结束语

通过聚合物基纳米复合材料的制备，利用选择性激光烧结、熔融沉积成型等加工成型方法，制备出结构极其复杂的制品，以及传统成型加工工艺无法制备的新型功能高分子材料。由此可见，3D打印技术在实际操作和生产过程中，更加适合生产小规模的物体，例如汽车核心零件等，所以针对其基础材料的研究需要不断被优化和发展，才能保证其技术未来应用范围逐渐广泛。

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Practical Analysis of 3D Printing Processing of Polymer-based Micro-nano Functional Composite Materials

，

（Panjin Vocational & Technical College, Panjin Liaoning 124000, China）

With its own uniqueness, 3D printing technology in our country has been extensively developed in various industries and has become an important part of advanced science and technology nationally at present. However, 3D printing technology is constrained by materials in the actual operation process, and it is necessary for Chinese technicians to conduct a comprehensive exploration of polymer-based micro-nano functional composite materials. In this article, the limiting factors of 3D printing processing technology were analyzed, and piezoelectric nanotechnology and biomedical nanotechnology were combined to summarize the application of nano-functional composite material processing technology.

Polymer-based micro-nano functional composite materials; 3D printing; Nanotechnology; Basic performance

2021-09-08

陈磊（1985-），女，辽宁省葫芦岛市人，讲师，硕士研究生， 2011年毕业于沈阳化工大学高分子化学与物理专业，研究方向：3D打印技术、聚合物加工生产技术、化工专业教学改革。

陈月（1976-），女，副教授，硕士研究生，研究方向：化工教学改革、化工生产技术。

TQ050.4+3

A

1004-0935（2022）03-0391-04