选择性激光烧结高分子材料及其制件性能研究

【摘要】：选择性激光烧结(Selective laser sintering, SLS)是一种以激光为热源烧结粉末材料成形的快速成形技术。用高分子材料制作功能件是SLS 技术的一个重要的发展方向,具有广阔的应用前景。为满足功能件对强度、精度等的较高要求,开发和研究高性能高分子成形材料至关重要。在这方面,国外少数公司已开发出自己的产品,而国内,由于研究起步较晚,尚未研制出能制作功能件的高分子成形材料。本文以开发用于制作塑料功能件的SLS 高分子材料为研究目标,对高分子材料的选择性激光烧结机理、配方组成、制备方法、烧结工艺及烧结件性能进行了系统研究。 通过对激光作用下不同高分子材料烧结行为的研究分析,揭示出非结晶聚合物和结晶聚合物具有不同的激光烧结机理。非结晶聚合物的激光烧结是粘性流动机制,表观粘度是影响烧结速度的主要因素,由于非结晶聚合物在玻璃化温度Tg 下的表观粘度很大,而激光作用的时间又极短,因此,难以制得致密的烧结件。结晶聚合物在激光烧结时的预热温度可接近熔融温度Tm,其烧结是一种熔融-固化机制,在激光照射的区域,粉末颗粒完全熔融,因此结晶聚合物经SLS 成形可制得致密的烧结件。 研究了SLS 高分子材料配方,选用聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)和尼龙12 作为高分子基体材料,通过添加稳定剂、分散剂、润滑剂、填充剂等助剂改善高分子粉末的SLS 工艺和烧结件性能。采用扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy, SEM)对高分子粉末烧结材料的形态和大小进行了表征,测定了烧结材料的表观密度和白度。 采用质谱-气相色谱(Gas-chromatography Mass-spectrometer, GC-MS)、热失重(Thermogravimetry,TG)、红外光谱(Infrared spectrum, IR)、特性粘度和白度测定等方法研究了尼龙12 的热降解动力学和热降解及热氧降解机理。结果表明尼龙12 热降解活化能很高,热稳定性良好,但在空气中易发生氧化降解。采用降低氧浓度、加抗氧剂等方法能有效抑制尼龙12 烧结材料的热氧化。尼龙12 烧结材料的白度和特性粘度均随氧化时间的增加而降低,白度随氧化时间的变化更敏感且测量方便,可作为衡量烧结材料热氧化程度的指标。 研究了激光功率等工艺参数对PC 烧结件密度和力学性能的影响规律,结果表明