3D打印高性能聚醚醚酮的制备及其摩擦学性能研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xin__yonghu
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聚醚醚酮(PEEK)为一种半结晶热塑性工程聚合物,具有优异的热、机械、化学和电气性能、相对高的抗疲劳性并且在较高温度下表现出低蠕变率,以及低摩擦系数和较低的磨损率,可用作机械零件如轴承和活塞环等。与传统PEEK零件的加工技术相比,熔融沉积建模(FDM)在形成复杂结构的摩擦部件方面具有许多优势。本论文首先研究了FDM打印参数对PEEK制件力学性能和摩擦学性能的影响。在此基础上,通过改变打印参数以直接构建具有不同孔径的镶嵌式PEEK基材,然后嵌入固体润滑剂对其进行镶嵌式复合改性。虽然FDM可以实现PEEK的3D打印,但是精度以及外观略微粗糙,为解决这一问题,使PEEK可以通过其他3D打印技术实现零件的高精度制造,如光固化3D打印,该方法的核心问题是光敏树脂的开发。由于PEEK具有优异的化学稳定性,难溶于普通试剂,因此我们从分子结构设计的角度出发,采用封端、引入侧基的方法改变其难溶难熔特性,从而合成光敏PEEK低聚物,然后加入活性稀释剂、光引发剂制备了可进行光固化的墨水材料,实现了高性能聚醚醚酮复杂结构件的快速制造,为聚醚醚酮在航空航天、汽车制造等领域的应用提出了新的机遇。主要研究内容及结论如下:(1)熔融沉积3D打印聚醚醚酮的性能研究。首先研究了填充图案和填充方向对聚醚醚酮材料机械性能的影响,当填充图案为网格,填充方向为90°时,拉伸强度为38.64MPa,压缩强度为35 MPa,然后研究了不同填充率下PEEK零件摩擦学性能,研究结果表明:随着填充率的增大,摩擦系数和磨损率先增大后减小。当填充率为80%时,摩擦系数和磨损率分别为0.101和0.39 mm~3/(N·m)。(2)镶嵌式聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能研究。通过两步法制备了镶嵌式聚醚醚酮复合材料,然后研究了粘结剂、填充率和石墨含量对聚醚醚酮试样摩擦性能的影响。研究结果表明,以环氧树脂828(E828)为粘结剂,填充率为20%、石墨含量为10%时,摩擦系数最低,其值为0.16;当石墨含量为20%时,磨损率最小,其值为1.06 mm~3/(N·m)。(3)光固化聚醚醚酮低聚物的合成及性能研究。首先通过2.2-烯丙基双酚A、六氟双酚A和4.4二氟二苯甲酮合成具有侧基的聚醚醚酮预聚物,然后通过甲基丙烯酸异氰基乙酯进行封端合成光固化聚醚醚酮低聚物,Mn=4699 g/mol,Tg=124℃。这种结构设计使其溶解性提高,在室温下可以溶于有机溶剂,如N-乙烯基-2-吡咯烷酮(NVP)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)和4-丙烯酰吗啉(ACMO)等。然后加入活性稀释剂和光引发剂配制了可光固化的PEEK树脂。综合考虑其性能,当活性稀释剂二缩三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)含量为10%时,PEEK墨水具有较好的流动性,其粘度为3.8 Pa·s,并且具有良好的机械性能和热稳定性能,Tmax=417.49℃,拉伸强度为27.54 MPa,硬度为0.23GPa。
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