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《华中科技大学》 2009年
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光固化三维打印成形材料的研究与应用

刘海涛  
【摘要】: 光固化三维打印技术类似于UV喷墨打印,是采用液滴喷射成形的快速成形技术。在成形过程中,使用两组喷头分别喷射光固化实体材料和光固化支撑材料,随即利用紫外光照射固化,逐层堆积成形,打印完毕后,用水枪去除支撑材料,得到需要的零件。它将喷射成形和光固化成形的优点结合在一起,提高了成形效率和精度,降低了成本。 光固化三维打印需要使用实体光固化材料和支撑光固化材料来成形零件,选择恰当的成形材料至关重要。目前只有3D Systems公司和OBJET公司有光固化三维打印设备和配套成形材料,成形温度分别为100-110℃和70-75℃。本课题组是国内第一家研究光固化三维打印设备和成形材料,三维打印机使用赛尔XJ500喷头喷射光敏树脂,成形温度为50-55℃。成形温度越低,成形材料的选择面越窄,材料性能要求越苛刻,因此成形材料的制备和性能研究是一个迫切需要解决的难题。 本文根据三维打印机紫外光源的特点和成形材料化学反应机理,总结了成形材料的特性参数、收缩翘曲和喷射铺展参数的实验方法。 合成了聚丙二醇二缩水甘油醚二丙烯酸酯,确定最佳合成条件:以聚丙二醇二缩水甘油醚和丙烯酸为反应物,反应温度控制在100—110℃,催化剂N,N-二甲基苄胺的质量分数为0.80%,阻聚剂对甲氧基苯酚的质量分数为0.20~0.40%。以它和阳离子单体制备了一种混杂型实体材料,适合在55℃稳定喷射,光敏性好,固化后的零件具有较佳的热机性能。 合成了自由基型实体材料的原料低粘度氨基甲酸酯丙烯酸酯,确定最佳合成条件:以TDI、HEA和PEG为反应物,第一步反应过程中n(TDI):n(HEA)=1,催化剂DBT质量分数0.2%,反应温度40℃,反应时间2—3h:第二步反应过程中n(TDI):n(PEG)=2,反应温度55—60℃,反应时间为5—6h。以它为主要原料制备了一种自由基型实体材料,适合于50℃工作,喷射稳定性、铺展性能较好,但固化收缩率大、固化速度稍慢。 研究了阳离子型实体材料中苄醇促进剂的作用。苄醇通过活化单体机理和自由基诱导鎓盐光解机理加速脂环族环氧和氧杂环丁烷光固化速率,自由基诱导鎓盐光解机理起主要作用。其中苄醇上带给电子性基团,更有效地稳定了苄醚自由基和苄醚阳离子,使阳离子型光引发剂光解速率加快,从而加速阳离子体系固化速率。实验结果与理论相符。 研究了阳离子型实体材料中氧杂环丁烷的光固化动力学。氧杂环丁烷首先被质子化,形成了二级氧鎓正离子,二级氧鎓正离子受另外一个单体亲核进攻而开环,相应地生成一个三级氧鎓正离子,继续不断受单体进攻形成聚合物。三级氧鎓正离子相对稳定,因此最后一步反应活化能很高,一旦克服其活化能,反应将迅速进行。 以脂环族环氧、氧杂环丁烷和乙烯基醚为主要反应性原料制备了蓝色阳离子型实体材料,性能测试表明这种阳离子型实体材料喷射稳定,适合在55℃下工作,阳离子型实体材料的光敏性、固化后力学性能、热性能较佳,满足三维打印的要求。 合成了三维打印支撑材料的两种齐聚物。其中水性氨基甲酸酯丙烯酸酯的最佳合成条件是:第一步在甲苯二异氰酸酯中滴加二羟甲基丙酸的反应温度为30℃,反应时间1.5小时;第二步加入聚乙二醇的反应温度为45—50℃,反应3.5h;第三步滴加丙烯酸羟乙酯的反应温度为50—55℃,反应约5h。当TDI:DMPA:PEG的投料摩尔数比为4:2:1时,得到羧基酸值约为66.5mgKOH/g的水性氨基甲酸酯丙烯酸酯齐聚物,使用三乙胺100%中和羧基后,这种齐聚物具有较好的水溶性。通过醇钠-酰氯法合成了聚乙二醇二丙烯酸酯,聚乙二醇1000二丙烯酸酯所含醚键最多,亲水性好,固化后强度低,作为另一种齐聚物。以上述两种齐聚物、β—羧乙基丙烯酸酯和温敏材料PEO—PPO—PEO配制了支撑材料。支撑材料的喷射稳定性较好,很少有堵孔现象,其光敏性较实体材料差一点。观察成形后支撑材料和阳离子型实体材料垂直结合面的SEM照片,并通过在水中浸泡和剥离性能研究表明,支撑材料较容易去除。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TP334.8

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