淺析固體環(huán)氧樹(shù)脂在3D打印中的應(yīng)用，以及改善其各向同性性能的研究

2022年5月5日，固體環(huán)氧樹(shù)脂被廣泛用于3D打印，適用于生產(chǎn)各種功能化的組件。南極熊根據(jù)一名叫Reginald Davey的科學(xué)撰稿人，對(duì)3D打印的理解進(jìn)行整編。本文將著眼于這些樹(shù)脂在增材制造中的應(yīng)用，以及最近關(guān)于改善其各向同性性能，關(guān)于制造具有增強(qiáng)溫度和應(yīng)變檢測(cè)能力的材料的研究。

△淺析固體環(huán)氧樹(shù)脂在3D打印中的應(yīng)用。圖片來(lái)自Shutterstock

環(huán)氧樹(shù)脂和增材制造
增材制造是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，正在顛覆多個(gè)行業(yè)和研究領(lǐng)域。與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印技術(shù)具有多種優(yōu)勢(shì)，例如減少浪費(fèi)、更自由的設(shè)計(jì)、低成本、快速生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)和集成組裝等等。

環(huán)氧樹(shù)脂作為材料適用于許多設(shè)備和組件。例如傳統(tǒng)工藝下的汽車(chē)零部件、印刷電子材料、涂料、粘合劑和纖維增強(qiáng)等復(fù)合材料。

△環(huán)氧樹(shù)脂用于3D打印的準(zhǔn)備階段示意圖。圖片來(lái)自Google

3D打印環(huán)氧樹(shù)脂，由于樹(shù)脂成本低和能夠快速生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀，而具有優(yōu)于傳統(tǒng)材料的優(yōu)勢(shì)。固化、樹(shù)脂的類(lèi)型、光引發(fā)劑和固化劑的作用，以及打印部件的性能等技術(shù)，是研究這些先進(jìn)材料的關(guān)鍵要素。優(yōu)化打印工藝和材料特性，對(duì)于提高3D打印環(huán)氧樹(shù)脂基材料和組件的商業(yè)可行性至關(guān)重要。

各向同性材料
在各向同性材料中，在多個(gè)方向進(jìn)行測(cè)試時(shí)，材料特性保持不變。這些材料與各向異性材料不同，各向異性材料在多個(gè)方向測(cè)試時(shí)具有不同的特性。各向同性材料的示例包括金屬、塑料和玻璃等。在表現(xiàn)出各向異性行為的環(huán)氧樹(shù)脂等材料中，誘導(dǎo)各向同性是材料學(xué)研究中的一個(gè)重要方向，以生產(chǎn)具有增強(qiáng)機(jī)械性能和功能性的組件。

材料擠壓3D打印
一種廣泛用于3D打印的材料擠壓 (MEX)工藝，也稱(chēng)為熔融沉積成型或熔融長(zhǎng)絲制造。
在材料擠出中，環(huán)氧樹(shù)脂長(zhǎng)絲可以很容易地處理，因?yàn)樗�以固體形式存在。相比之下，選擇性激光燒結(jié)中使用的粉末和立體光刻中，使用的樹(shù)脂通常有害，需要小心處理，并具對(duì)存儲(chǔ)都有一定的專(zhuān)業(yè)要求。此外，與其他方法相比，材料擠出工藝可以處理更廣泛的材料，包括熱塑性塑料。

△固體環(huán)氧樹(shù)脂在3D打印中的應(yīng)用示意圖。圖片來(lái)自Google

材料擠出工藝也比其他方法更具成本效益，并且可以使用多個(gè)擠出噴嘴輕松實(shí)現(xiàn)多材料打印。擠出材料可以用其他材料進(jìn)行功能化，而不受其他技術(shù)（例如選擇性激光打�。�對(duì)添加劑的限制。

然而，MEX工藝受到打印材料沉積后固化過(guò)快的阻礙。薄弱的界面結(jié)合是由層和填充線之間的擴(kuò)散，以及纏結(jié)限制引起的。這種技術(shù)具有局限性，需要采用不同的技術(shù)來(lái)克服它們。

△MEX工藝用固體環(huán)氧樹(shù)脂示意。圖片來(lái)自德魯克，S等人文獻(xiàn)

MEX優(yōu)化方法
在已知的研究中，已經(jīng)探索了幾種方法來(lái)解決MEX打印材料的機(jī)械各向異性。
通過(guò)優(yōu)化打印速度、層高和寬度以及溫度等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)盡可能強(qiáng)的層粘合。同時(shí)，可以使用組件的最佳方向。這些方法的缺點(diǎn)是它們必須單獨(dú)執(zhí)行，而且設(shè)計(jì)自由度受到限制。

其他方法還包括優(yōu)化材料的特性和制造流程。可以摻入諸如碳納米管之類(lèi)的樹(shù)脂填料，隨后使用微波輻射來(lái)加熱，并促進(jìn)聚合物鏈擴(kuò)散，達(dá)到改善層與層之間粘附性的作用。

一些研究報(bào)告了使用伽馬輻射來(lái)誘導(dǎo)長(zhǎng)絲中的交聯(lián)性，而其他研究則使用激光來(lái)誘導(dǎo)每一層的熱能并改善層間粘合。但以上方式是在不考慮成本的情況下進(jìn)行的，需要復(fù)雜的設(shè)備和較多的處理步驟。

在MEX打印環(huán)氧樹(shù)脂材料中實(shí)現(xiàn)各向同性
熱固性材料是另一種在MEX打印中實(shí)現(xiàn)各向同性的方法。根據(jù)3D打印的一項(xiàng)最新研究報(bào)告表示，首次可在低成本MEX打印機(jī)上打印熱固性聚合物長(zhǎng)絲。該技術(shù)的特點(diǎn)是采用后固化工藝，它可以誘導(dǎo)交聯(lián)，從而克服MEX打印過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械各向異性。

△3D打印壓電材料的打印階段。圖片來(lái)自Google

研究人員已將具有高分子量的固體環(huán)氧樹(shù)脂用于材料配方中。將帶有添加劑的液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂加入到材料配方中，從而實(shí)現(xiàn)功能性材料多功能一體化。

作者在材料中加入了單壁碳納米管，可提供導(dǎo)電性，他們還表示，3D打印材料中還可以加入其他特性的樹(shù)脂填料，如阻燃、抗靜電等，為多種應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。

通過(guò)在樹(shù)脂中填入導(dǎo)電填料，可以打印出具有傳感能力的組件，例如壓電傳感器。此外，使用碳納米管可以將溫度傳感能力整合到智能組件中。目前已對(duì)MEX打印的溫度和應(yīng)變傳感功能化材料進(jìn)行了概念性驗(yàn)證研究。

這些發(fā)現(xiàn)確定了進(jìn)一步的研究方向，包括需要進(jìn)一步研究傳感能力以及關(guān)注材料的電各向異性、可重復(fù)性和材料中不同填料負(fù)載的影響。這些研究證明了3D打印在開(kāi)發(fā)具有卓越性能組件方面的潛力，并可能應(yīng)用于各種先進(jìn)的電氣設(shè)備。

參考文獻(xiàn)和延伸閱讀
德魯克，S等人。(2022)用于通過(guò)材料擠壓實(shí)現(xiàn)具有各向同性機(jī)械性能的功能性3D打印的固體環(huán)氧樹(shù)脂[url]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422001981（點(diǎn)我傳送門(mén)）[/url]

皮爾扎達(dá)，M等人。(2020)環(huán)氧樹(shù)脂的增材制造：材料、方法和最新趨勢(shì)

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.9b06870（點(diǎn)我傳送門(mén)）