聚乳酸/羟基磷灰石复合材料激光选区烧结工艺优化与性能研究

发布时间：2021-11-16 08:01

　　以生物可降解材料聚乳酸（PLA）和生物骨基质的主要无机成分羟基磷灰石（HA）为研究对象。为获得复合材料激光选区烧结（SLS）制件的最佳成形参数,首先对纯PLA的SLS工艺进行了优化,发现最优的激光能量密度范围为0.040～0.075 J/mm²,且制得的纯PLA试样的拉伸强度均超过23 MPa,最高可达27.28 MPa。为研究HA含量对PLA/HA复合材料微观结构与力学性能的影响,以激光能量密度为0.040 J/mm²（激光功率12 W,扫描速度1 500 mm/s）对不同HA含量的PLA/HA复合材料进行了成形。实验结果表明,当HA质量分数为10%时,PLA/HA复合材料的力学性能和微观形貌最优。水接触角测试显示材料的接触角从69.52°降至57.96°,表明材料的亲水性能得到了改善。 

【文章来源】：中国机械工程. 2020,31(19)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

聚乳酸的DSC曲线

另外,SLS过程中PLA粉末受到预热和激光的能量输入,在烧结过程中容易产生老化和热降解等问题,会影响其后续的烧结性能和热性能等,所以PLA粉末在加工过程中的热稳定性非常重要。如图4所示,PLA的5%失重率温度td 5%=316.76 ℃,最大失重速率对应的温度tp=409.77 ℃。这两个温度都远远高于其预热温度,说明PLA粉末在SLS实验过程中具有良好的热稳定性。2.2 不同SLS激光能量密度的影响

拉伸测试采用外形尺寸为75 mm×5 mm×2 mm的标准试样(图5)。在SLS过程中,激光能量密度与激光功率、扫描速度、扫描间距有关,是影响SLS成形效果的最重要参数[15],因此,按照激光能量密度由小到大的顺序,绘制出图5所示的曲线,可以观察到随着激光能量密度的增大,纯PLA的拉伸强度呈先增大后减小的趋势。当激光能量密度为0.075 J/mm2(即激光功率为15 W,扫描速度为1 000 mm/s)时,其拉伸强度达到最大值(27.28 MPa),然后随着激光能量密度的进一步增大而降至19.34 MPa。其原因是激光能量密度过大,纯PLA获得的能量就较大,产生过烧分解现象,且因纯PLA内部产生较多气孔等缺陷会导致其强度大幅降低。因此,从实验结果中可以获得纯PLA加工的最佳激光能量密度范围是0.040～0.075 J/mm2。在该激光能量密度范围内,纯PLA的拉伸强度均超过23 MPa。为了研究激光能量密度对成形件的具体影响,选取(18 W,1 000 mm/s)、(15 W,1 000 mm/s)、(12 W,1 500 mm/s)、(9 W,2 000 mm/s)4组参数,即激光能量密度分别为0.090 J/mm2、0.075 J/mm2、0.040 J/mm2、0.022 5 J/mm2的实验组进行对比分析。如图6所示,选用不同的激光能量密度后,纯PLA的ATR-FTIR光谱图并未出现新的峰。但是,随着激光能量密度的不断增大,其峰的强度逐渐降低,例如1 714 cm-1的C=O峰和1 153 cm-1的C—O峰的相对强度发生了变化,表明加工过程中有双键断裂。随着能量密度愈来愈高,甚至可以看到成形过程中出现白烟。

【参考文献】：
期刊论文
[1]3D打印用聚乳酸的改性及其应用研究进展[J]. 潘刚伟,杨静,孙其松,董震,侯秀良,马博谋,孙建荣.  塑料. 2019(03)
[2]3D打印参数对聚乳酸试样拉伸性能的影响[J]. 于国庆,毕超.  中国塑料. 2017(11)
[3]激光选区烧结3D打印成形生物高分子材料研究进展[J]. 潘腾,朱伟,闫春泽,史玉升.  高分子材料科学与工程. 2016(03)
[4]聚乳酸β晶型的研究进展[J]. 郝妮媛,刘阳,邹俊.  江苏科技大学学报(自然科学版). 2015(01)
[5]高分子量聚乳酸用于SLS快速成型的研究[J]. 傅亚,程超,张兵兵,胡承波,付春华,王远亮.  功能材料. 2010(09)



本文编号：3498468