熔融沉积成型用聚乙烯醇支撑丝材的制备及产业化

发布时间：2017-09-23 06:28

  本文关键词：熔融沉积成型用聚乙烯醇支撑丝材的制备及产业化

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【摘要】：熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)是一种近年来发展迅速的3D打印快速成型工艺,它操作简单、成本低廉、安全环保,很适合办公环境使用。FDM工艺在打印空心件或悬臂件时需要加上支撑才能成型,水溶性支撑材料对于提高FDM的成型精度具有重要的意义。聚乙烯醇(PVA)是一种可生物降解的水溶性高分子材料,非常适合用作FDM工艺的支撑材料。但是PVA的热分解温度和熔融温度很接近,使其难以进行熔融加工。本文选择PVA作为FDM工艺的水溶性支撑材料,通过添加增塑剂和热稳定剂对PVA进行改性,实现了PVA的熔融加工。采用DSC、熔融指数测试、力学性能测试等手段研究了改性PVA的性能,结果表明,加入由甘油与PEG200组成的复配增塑剂降低了PVA的熔融温度和结晶度,改善了加工流动性,甘油比PEG200能更有效地降低改性PVA的熔融温度和结晶度,当复配增塑剂总量为15份,甘油与PEG200的配比为3:2时,改性PVA的熔融加工温度最低,甘油与PEG200的协同作用最佳。复配增塑剂的用量增加能明显改善改性PVA的加工流动性,但降低了改性PVA的力学性能。研究了热稳定剂氢氧化镁对改性PVA的性能影响,结果表明氢氧化镁能显著改善改性PVA的外观,消除PVA熔融加工中产生的酸性气体,但会降低PVA的加工流动性,当氢氧化镁的用量为5份时,改性聚乙烯醇的热稳定性最好,样品的外观和气味也满足要求。采用挤出成型制备出满足FDM工艺要求的PVA水溶性丝材。PVA的水溶性导致其丝材在挤出成型过程中不能用水冷却,本文研究了液体冷却和风冷冷却两种方式的冷却效果,结果表明,液体冷却可以较好地控制PVA丝材的外观和丝径精度,操作简单,冷却效果好,但是难以兼顾安全性和成本;而风冷冷却的成本低、安全性高,但是需设计出合适的配方体系,且对设备的要求较高。对比了不同配方的PVA丝材在打印机喷头里的黄变情况,选出了合适的配方体系。从打印温度和打印速度两个方面考察了制得的PVA丝材的打印性能,结果表明,改性PVA丝材在200℃打印时,综合打印性能最好。水溶性测试结果表明,改性PVA丝材在6h即可完全溶于水,满足FDM工艺对水溶性支撑丝材的要求。综合全文分析,甘油用量为9份,PEG200用量为6份,氢氧化镁用量为5份时,改性PVA的熔融加工性能最好,采用风冷冷却PVA丝材,实现了产业化生产,而且制得的PVA丝材满足FDM工艺的使用要求。
【关键词】：熔融沉积成型 聚乙烯醇 熔融加工 水溶性支撑丝材 产业化
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ325.9
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 文献综述11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 熔融沉积成型技术原理12-13
• 1.3 熔融沉积成型支撑材料介绍13-15
• 1.3.1 熔融沉积成型支撑材料的作用及分类13
• 1.3.2 熔融沉积成型支撑材料的性能要求13-14
• 1.3.3 熔融沉积成型支撑材料的发展现状14-15
• 1.4 熔融沉积成型水溶性支撑材料的研究现状15-19
• 1.4.1 聚乙烯醇简介15-16
• 1.4.2 聚乙烯醇的熔融加工性能研究现状16-17
• 1.4.3 水溶性聚乙烯醇的研究现状17-18
• 1.4.4 丙烯酸类共聚物的研究现状18-19
• 1.5 研究背景、意义及内容19-21
• 1.5.1 研究背景及意义19-20
• 1.5.2 研究内容20-21
• 第二章 实验部分21-26
• 2.1 主要原材料21
• 2.2 主要仪器与设备21-23
• 2.3 实验内容23-24
• 2.3.1 实验工艺路线23
• 2.3.2 实验实施方法23-24
• 2.4 测试与表征24-26
• 2.4.1 熔融指数测试24
• 2.4.2 DSC测试24
• 2.4.3 热失重分析24
• 2.4.4 红外光谱分析24
• 2.4.5 力学性能测试24-25
• 2.4.6 打印性能测试25
• 2.4.7 水溶性测试25-26
• 第三章 聚乙烯醇的熔融加工改性研究26-41
• 3.1 引言26-28
• 3.2 改性聚乙醇主材的选择及配方设计28-29
• 3.2.1 聚乙醇主材的选择28
• 3.2.2 实验配方28-29
• 3.3 复配增塑剂的配比对改性PVA的性能影响29-33
• 3.3.1 复配增塑剂配比对PVA熔融性能的影响29-31
• 3.3.2 复配增塑剂配比对改性PVA熔融指数的影响31-32
• 3.3.3 复配增塑剂配比对改性PVA力学性能的影响32-33
• 3.4 复配增塑剂的用量对改性PVA的性能影响33-36
• 3.4.1 PEG200用量对改性PVA熔融性能的影响34-35
• 3.4.2 PEG200用量对改性PVA熔融指数的影响35-36
• 3.4.3 PEG200用量对改性PVA力学性能的影响36
• 3.5 氢氧化镁对改性PVA的性能影响36-40
• 3.5.1 氢氧化镁改性聚乙烯醇的造粒样熔融指数测试37
• 3.5.2 氢氧化镁改性聚乙烯醇的热失重分析37-39
• 3.5.3 氢氧化镁改性聚乙烯醇的红外分析39-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第四章 聚乙烯醇丝材的制备及产业化41-54
• 4.1 引言41
• 4.2 PVA丝材的加工方案41-42
• 4.3 造粒加工42
• 4.4 挤出拉线42-45
• 4.4.1 液体冷却43-44
• 4.4.2 风冷冷却44-45
• 4.5 改性PVA丝材的打印性能测试45-47
• 4.5.1 改性PVA丝材的打印稳定性测试45-46
• 4.5.2 打印工艺对打印结果的影响46-47
• 4.6 水溶性测试47-48
• 4.7 PVA丝材的产业化48-52
• 4.8 PVA丝材的产品性能指标52-53
• 4.9 本章小结53-54
• 第五章 结论与展望54-56
• 5.1 结论54-55
• 5.2 展望55-56
• 参考文献56-60
• 攻读硕士期间发表的论文60-61
• 致谢61

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