3D打印用自修复TPU材料的制备及性能研究

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增材制造(AM)已经成为一种基础工艺,并引发了各个领域的新工业革命。熔融沉积技术(FDM)在3D打印技术中,有着价格低廉、操作简单的优势。然而,FDM打印复杂的模型时需要添加支撑结构、层间结合力弱等问题,限制了它的应用领域。本论文中设计合成自修复聚氨酯,通过FDM技术将3D打印组件组装成具有复杂结构的模型,利用材料自修复的性能,修复产品细丝之间的内部间隙,增强层间附着力,提高产品的机械性能。而且,具有复杂结构的物体分解成易于印刷的简单结构,有效地减少了支撑结构,同时提高了打印效率。我们利用DSC、TGA、XRD等手段表征了合成的不同修复机理的聚氨酯,发现随硬段的增加,增多的B-N配位键、硬段的氢键聚集作用B-N配位自修复聚氨酯强度显著提高。B-N配位自修复聚氨酯PU–BN3具有优异的力学强度(4.5 MPa),多次可重复加工后仍能保持87%以上的力学强度,玻璃化转变温度为7.8℃,硼酸酯的水解-酯化、B-N配位键、氢键的聚集三种协同作用实现自愈合拥有优异的室温自修复性能,修复24 h后拉伸强度达到3.7 MPa,修复效率在80%以上。离子修复聚氨酯材料中随离子键的增加,构筑成离子交联网络后交联密度增大,材料由相对较软的材料向较硬的材料转变,交联网络限制高分子链运动,材料Tg升高、硬段有序堆砌、断裂伸长率下降。利用多元酸对含叔氨基团聚氨酯进行非共价交联简单有效,可以通过酸的用量、种类来调节合成自修复聚氨酯弹性体的力学性能。离子自修复聚氨酯PU-TPA拉伸强度达到12.9 MPa,是纯聚氨酯的43倍,断裂伸长率为520%。以上自修复聚氨酯材料通过多种键的协同作用实现自愈合,同时可逆键的引入增强了材料的机械性能。最终采用PU–BN3和PU-CA制备成打印耗材,利用FDM技术打印复杂模型组件,组装成模型后,整体牢固可靠。
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