宁材所采用熔融沉积原位纤维技术 助力高性能工程塑料3D打印

5月10日，记者了解到，中国科学院宁波材料技术与工程研究所增材制造重点实验室许高杰团队针对高性能工程塑料3D打印技术开展了一系列研究工作。选取了具有高坚韧度和抗疲劳特性的半晶态尼龙12和高强度聚醚酰亚胺作为基体，研究了熔体流变特性对熔融长丝烧结特性的影响，对高性能工程塑料的3D打印工艺参数、工业可用性进行了研究。研究发现，半结晶高分子具有较好的流变性能和快速烧结特性，在合适的打印条件下能够获得接近注塑件的力学性能。拓展了高温高强度工程塑料在熔融沉积技术中的应用（Rapid Prototyping Journal, 2017, 23(6), 973–982. High Performance Polymers, 2019, 31(1): 97-106.）。

随着科技的不断发展进步，3D打印技术作为一种全新的数字化模拟制造技术应运而生并迅速发展。其中，熔融沉积技术具有设备简单、工艺洁净、运行成本低且不产生过多加工残留物等优点，被广泛应用于快速原型和教育等领域。但现有的熔融沉积材料主要以ABS和PLA等通用塑料为主，需要针对工业产品制造开发适合高强度工程塑料等材料的3D打印成型技术。

据了解，聚醚酰亚胺(Polyetherimide，简称PEI)是无定形聚醚酰亚胺所制造的超级工程塑料，具有最佳之耐高温及尺寸稳定性，以及抗化学性、阻燃、电气性、高强度、高刚性等等，PEI树脂可广泛应用耐高温端子，IC底座、照明设备、FPCB(软性线路板)、液体输送设备、飞机内部零件、医疗设备和家用电器等。

主要特性: 1.耐高温(HDT超过200℃，UL连续应用温度超过170℃) 2.优异的阻燃性(氧指数大于4.7，低发烟量和UL94V-0/5V) 3.不需要添加阻燃剂 4.杰出的电气性能(在宽广的频率和温度范围中有稳定的介电常数和介电损耗及极高的介电强度) 5.极佳的耐化学品和耐辐射性能 6.独特的强度和刚性 7.透明性

聚醚酰亚胺具有很宽范围的耐化学性，包括耐多数碳氢化合物、醇类和所有卤化溶剂;也可耐无机酸和短期耐弱碱。对部分卤化溶剂，聚醚酰亚胺是良好的选材。它的水解稳定性很好，在沸水中浸泡 10 000小时后拉伸强度保持85%以上，在 270F温度下，蒸汽热压循环 2000次后拉伸强度保持在 100%。聚醚酰亚胺具有很好的抗紫外线、Y射线性能，在400兆拉德的钴射线辐射下加工，拉伸强度保持 94%。

由于熔融沉积层层叠加成型过程产生的空隙会不可避免地降低3D打印产品的机械强度，严重制约了熔融沉积技术的应用推广。研究人员在工艺研究的基础上，开发了尼龙12/氧化石墨烯、尼龙12/碳纤维复合材料。研究发现两种填料在熔融沉积成型过程中可实现取向分布，不仅有效提高了产品的机械强度（GNPs 7%和CFs 251.1%），还能够对产品热导率（提高51.4%）进行灵活调控。（Journal of Applied Polymer Science, 2017, 134(39), 45332.; Materials & Design, 2018, 139: 283-292.）。

最近，研究人员以聚乳酸（PLA）为基体，以热塑性聚氨酯（TPU）为填料，通过熔融沉积技术的整个加工流程实现了弹性体TPU原位成纤，纤维状TPU的平均长度可以实现从67.24μm到103.72μm的精准调控。同时，TPU成纤有效改善了其与PLA基体的界面结合力。研究发现，3D打印形成的网格状TPU可有效补偿打印空隙对打印件力学强度的弱化效应，使产品的韧性达到甚至超过注塑水平。该熔融沉积原位纤维技术为制备高韧性聚乳酸复杂结构零件提供了简便有效的方法（Macromolecular Materials and Engineering, 2019, 1900107）。

以上工作得到了国家自然科学基金（11574331, 11674335）和宁波市科技局（2016B10005, 2018A610009）的资助。

图1 共混物熔融沉积成型流程图

图2 注塑（a）和打印（b）成型件中TPU的分布形貌