清華大學(xué)研究PLA和PBS的共混物是否適合FDM3D打印

據(jù)南極熊了解，自北京清華大學(xué)的三位研究人員最近發(fā)表了一篇題為“用于熔融沉積建模3D打印的聚（丁二酸丁二醇酯）/聚丙交酯混合物的制備和表征”的論文，“關(guān)于制備PLA材料與各種成分的PBS的混合物，然后驗(yàn)證它們是否適合用作FDM3D打印的絲材。

摘要中寫道：“為了獲得用于熔融沉積成型（FDM）打印的高韌性和高強(qiáng)度的新型可生物降解材料，通過與聚乳酸（PLA）共混制備了一系列聚（丁二酸丁二醇酯）（PBS）基聚合物材料。對共混物的流變性能、熱性能和機(jī)械性能以及FDM打印性能，如變形、橫截面和層間粘合強(qiáng)度進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，增加PLA含量，共混物具有較高的熔體粘度，較大的拉伸強(qiáng)度和模量，更適合于FDM打印。特別是當(dāng)PLA的含量大于40％時(shí)，由于殘余應(yīng)力收縮引起的變形在打印過程中消失，從而得到尺寸精度好、光澤珠光的產(chǎn)品。結(jié)果表明，粘度適中、結(jié)晶度低、模量高的共混物更適合于FDM打印。與商業(yè)FDM打印材料斷裂時(shí)的低伸長率相比，PBS/PLA共混物材料表現(xiàn)出典型的延性行為，伸長率為90-300％。因此，PBS/PLA共混物除了具有生物降解性之外，還具有優(yōu)異的機(jī)械性能和作為FDM打印材料的適用性。此外，我們的研究有望提供評估熱塑性聚合物材料是否適合FDM打印的方法?！?br />

通過FDM3D打印制備的PBS/PLA混合棒的外觀
在原型設(shè)計(jì)方面，F(xiàn)DM是最廣泛采用的技術(shù)之一，并且已經(jīng)對該技術(shù)進(jìn)行了大量的材料研究。研究人員一直在努力開發(fā)用于FDM3D打印的新型聚合物材料，具有高尺寸精度和良好的機(jī)械性能。PLA，理論上可以在自然條件下制成二氧化碳和水，但不幸的是它是脆性材料，這限制了它的應(yīng)用。

PBS具有良好的熱穩(wěn)定性，熔點(diǎn)較低，延展性好，這使其適用于FDM3D打印。但是，關(guān)于使用3D打印絲材的研究還不多。

研究人員解釋說：“低熔體強(qiáng)度導(dǎo)致擠出時(shí)難以連續(xù)形成單絲的原因之一，這使得打印失敗了一半。此外，冷卻過程中相對較大的體積收縮引起的變形可能在結(jié)晶后發(fā)生，從而導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷。因此，PBS的改性對于上述缺點(diǎn)和對該材料適用于FDM打印來說是非常必要的。”

通過共混材料，可以將這兩種組分的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，這就是為什么這種改性方法經(jīng)常用于聚合物材料的原因。關(guān)于PBS共混物在FDM3D打印中的應(yīng)用研究甚少，因此清華研究團(tuán)隊(duì)也在加大力度。

研究人員寫道：“研究了共混物的流變性、熱學(xué)和機(jī)械性能，并用這些絲材打印了不同的樣品，以評估它們對FDM系統(tǒng)的適用性。還測定了打印產(chǎn)品中的層間粘合強(qiáng)度。此外，我們期望找到材料性能與FDM打印性能之間的關(guān)系，以便為判斷熱塑性聚合物材料（不限于聚合物共混物）是否適合FDM打印提供參考?！?br />

垂直打印的PBS40/PLA60樣品用于測試層間粘合強(qiáng)度
該團(tuán)隊(duì)首先在真空烘箱中將PBS和PLA顆粒在65℃下干燥12小時(shí)，然后將混合顆粒擠出成絲材用于FDM3D打印。除了一些其他形狀，如兔子，還打印了長方體模型以顯示變形，這可能是FDM中需要克服的障礙。

測量了聚合物共混熔體的剪切粘度以及熱性能，如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。除了對這些棒進(jìn)行熱分析，以“研究FDM打印工藝對PBS/PLA共混物結(jié)晶行為的影響”之外，研究人員還注射成型聚合物共混物顆粒，制成啞鈴形和長方體棒用于拉伸和沖擊試驗(yàn)。

研究人員解釋說：“所有共混物都顯示出優(yōu)異的加工性能，可通過單螺桿擠出機(jī)擠出成直徑為1.75毫米的單絲。隨著PBS含量的增加，共混物的斷裂伸長率和沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)。然而，由于共混物中結(jié)晶度較高，導(dǎo)致較大的體積收縮，打印棒的變形增加。此外，由于熔體粘度降低，層間粘合強(qiáng)度提高。當(dāng)共混物中的PLA含量不低于40wt%時(shí)，F(xiàn)DM打印在室溫下也不能觀察到變形，也不能脫離平臺(tái)，可以順利進(jìn)行?！?br />
該論文指出PBS60/PLA40和PBS40/PLA60在層間粘合強(qiáng)度、材料韌性和變形方面是用于FDM3D打印的“最佳共混組合物”。

研究人員總結(jié)道：“珍珠般的光澤、良好的機(jī)械性能以及良好的尺寸精度，生物基PBS/PLA是生產(chǎn)FDM絲材的新型材料，適用于許多領(lǐng)域，特別是建筑設(shè)計(jì)。此外，我們研究還將為評估熱塑性聚合物材料是否適合FDM打印提供參考?！?br />
來源：增材之光