基于SLS快速成形的木塑材料性能的研究

辛宗生，郭艷玲

（1.黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050；2.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150026）

1 概 述

選擇性激光燒結(jié)（SLS）是快速原型制造的一種，是利用粉末狀材料在激光照射下燒結(jié)的原理，在計算機(jī)控制下層層堆積成形的。加工時，將材料粉末鋪撒在已成形零件的上表面，并刮平；用高強(qiáng)度的CO2激光器在剛鋪的新層上以一定的速度和能量密度按分層輪廓信息掃描出零件截面，材料粉末在高強(qiáng)度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分連接，未掃描過的地方仍然是松散的粉末；當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地?zé)Y(jié)下一層截面，如此反復(fù)直到整個零件加工完畢，得到一個三維實(shí)體原型。SLS原型從成形室取出后，用毛刷和專用工具將制件上多余的附粉去掉，進(jìn)一步清理打磨之后，還需針對原型作進(jìn)一步后處理如烘干、打磨、滲蠟或滲銅等工作，這樣便獲得試件［1－2］。

當(dāng)前選擇性激光燒結(jié)的原材料多為高分子材料、涂覆紙、金屬粉末、紡織纖維料、陶瓷復(fù)合材料等。制約原材料更加廣泛應(yīng)用的瓶頸為成本高，因此，本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)是降低材料費(fèi)用。

本文的研究方向是以木粉為主要成分的快速原型制造技術(shù)。為了克服現(xiàn)有原材料成本高的缺點(diǎn)，研究了一種用于選擇性激光燒結(jié)的木塑復(fù)合材料。這種材料的特點(diǎn)：耐用、使用壽命長、有木材的外觀，比塑料制品硬度高、剛性好，有優(yōu)良的物性，比木材尺寸穩(wěn)定性好，不會產(chǎn)生裂紋、翹曲，具有熱塑性塑料的加工性，便于推廣應(yīng)用，而且材料可循環(huán)利用，基本解決了木塑快速原形件性能及關(guān)鍵技術(shù)的這一課題，達(dá)到了材料成本的降低和快速原形制造應(yīng)用范圍擴(kuò)大的目的。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 主要原料

木粉：楊木，80～100目，自制；

熱熔膠：粉末狀，140～200目，東莞市萬江鯤鵬熱溶膠制品廠；

片堿（NaOH）：97%純度，杭州恒鑫達(dá)化工有限公司；

聚丙烯（PP）：粉末狀，110～190目，天津市正坤化工有限公司；

馬來酸酐（MAH）：順丁烯二酸酐，顆粒狀，上海生蕾化工有限公司；

硬脂酸鈣：潤滑劑，粉末狀，120～200目，哈爾濱化工試劑廠。

2.2 主要設(shè)備

高速混合機(jī)：LCH型，立式，常州市海正藥化設(shè)備有限公司；

恒溫烘箱：201－1，上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠；

激光成型機(jī)：HRPS-ⅢA，武漢濱湖科技有限公司；

電子萬能試驗(yàn)機(jī)：CMT4204，承德化工機(jī)械廠；

沖擊試驗(yàn)機(jī)：SC型，承德試驗(yàn)機(jī)廠；

掃描電子顯微鏡（SEM）：S－2150型，日本日立公司。

2.3 基本配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

木粉，20、40；熱熔膠，100；聚丙烯，40；馬來酸酐，0～2.5；引發(fā)劑，0.3；潤滑劑，5.0。

2.4 工藝流程

1）處理木粉。在濃度為15%的氫氧化鈉溶液中將木粉放入，均勻慢速攪拌，浸泡時間為36h。之后用抽濾器從溶液中分離出木質(zhì)纖維素，然后在電熱恒溫（110℃）鼓風(fēng)烘箱中均勻平鋪抽濾過的木粉（實(shí)為木質(zhì)纖維素），進(jìn)行烘干，時間為12h，從而得到含水率為1.5%的堿化干燥木粉。

2）制備木塑復(fù)合材料。在高速混合機(jī)中按一定的各自質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合堿化干燥處理過的木粉、熱熔膠、聚丙烯、溶解過的馬來酸酐（相容劑）和硬脂酸鈣（潤滑劑），混合時間大約20min，且保證每個配方的混和時間基本相同。之后從混合機(jī)取出上述材料，并將其均勻平鋪在電熱恒溫（60℃）鼓風(fēng)烘箱中，進(jìn)行烘干作業(yè)，時間為12h，然后進(jìn)行冷卻處理。從而完成激光成形燒結(jié)所需要的木塑復(fù)合材料的制備工作。

3）制作試件。試件的三維模型（見圖1）采用三維CAD軟件（Pro／E或UG）繪制。由于激光成形機(jī)（HRPS-ⅢA）中安裝的分層軟件PowerRP對三維模型進(jìn)行切片處理時需要STL格式，因此，在三維CAD軟件中需完成模型的STL格式的轉(zhuǎn)化。將木塑復(fù)合材料放入成型機(jī)中，應(yīng)對激光成形機(jī)的各項參數(shù)如掃描方式、激光功率、預(yù)熱溫度、掃描速度、掃描間距、光斑直徑和單層厚度等進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，使成形過程順利進(jìn)行。全部燒結(jié)完后，需要在成形機(jī)中保溫（60℃）試件1.5～2h，然后去掉多余的粉末，從而得到試件如圖2所示，再進(jìn)行后處理工作如打磨、烘干、滲蠟或滲銅等工作，這樣便得到合適的試件。

圖1 Pro／E三維模型

圖2 激光燒結(jié)成形試件

2.5 性能測試

拉伸強(qiáng)度的檢測根據(jù)GB／T1040—2006；沖擊強(qiáng)度的檢測根據(jù)GB／T1842—1999；彎曲性能的檢測根據(jù) GB／T9341—2000；用掃描電子顯微鏡（SEM）分析試樣斷面結(jié)構(gòu)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 木粉用量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

在相容劑（馬來酸酐MAH）未填加的情況下，采取5個不同的配方完成本研究，0%、10%、20%、30%和40%分別為木粉的填充量，聚丙烯（PP）和熱熔膠（1∶2.5均勻混合）混合物為基材。對這5種木粉填充量不同的木塑復(fù)合材料試件的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表1）表明，木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度隨木粉的填充量的增多而降低，且比純基材（無木粉）還低，這與非極性聚合物的拉伸強(qiáng)度［3－4］隨木粉的填加而降低的論點(diǎn)相符。原因在于，木粉的長徑比和強(qiáng)度較高，當(dāng)基材（聚丙烯和熱熔膠混合物）中填入木粉后，作為起增強(qiáng)作用的木粉填料，提高了基材的強(qiáng)度。但由于木粉與基材這兩相的相容性差，引起其界面間的黏結(jié)度不強(qiáng)，且木粉的聚集現(xiàn)象隨著木粉增多而加劇，產(chǎn)生了顆粒間的應(yīng)力集中和缺陷，這樣又降低了木塑復(fù)合物的強(qiáng)度。總之，后者的作用效果更明顯。因此，填加木粉降低了木塑復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度。

表1 5種不同配比復(fù)合材料的力學(xué)性能

通過試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)（見表1）表明，木塑復(fù)合材料的拉伸模量和彎曲模量隨著木粉填充量的增多而均升高，這與有關(guān)文獻(xiàn)的論點(diǎn)基本一致。

3.2 馬來酸酐MAH用量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

木粉通過堿化處理，基本去掉了其中的木質(zhì)素和半纖維素，只含有強(qiáng)極性的纖維素，而基材（聚丙烯和熱熔膠混合物）沒有極性，如果不對木塑復(fù)合材料進(jìn)行相容性質(zhì)處理的話，木塑兩相界面的黏結(jié)強(qiáng)度極弱，因此，要使木纖維素的極性羥基、羰基和酚羥基等官能團(tuán)在其表面上發(fā)生酯化，需用適當(dāng)?shù)南嗳輨R來酸酐）對木纖維素進(jìn)行處理，這樣才能產(chǎn)生非極性官能團(tuán)［5－6］，其具有疏水性和流動性，從而使木塑兩相界面的黏結(jié)強(qiáng)度得以提高。

馬來酸酐（MAH）為本次研究選用的界面相容劑，其含量影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，木粉填充量較低（20%）的復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度隨著馬來酸酐（MAH）含量的增加均先增加，馬來酸酐（MAH）含量達(dá)到一定值（1.5%）后減少，而木粉填充量較高（40%）的復(fù)合材料的上述強(qiáng)度值卻在不斷升高，如圖3、圖4所示。從圖5所示的沖擊韌性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在馬來酸酐（MAH）未填充時，復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度隨著木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低而越高。當(dāng)馬來酸酐（MAH）作為相容劑填充后，不論木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為哪種的木塑復(fù)合材料，隨著馬來酸酐（MAH）加入量的變化，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度均發(fā)生變化，當(dāng)馬來酸酐（MAH）的填充量為1.5%～2.5%的范圍內(nèi)時，復(fù)合材料的沖擊韌性最高值將會出現(xiàn)。

圖3 馬來酸酐含量與復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的變化趨勢

學(xué)者 Qiu W I等人［7］研究得知，在馬來酸酐（MAH）填充量低于1.5%時，木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著馬來酸酐（MAH）含量的增多而逐漸增大。在木粉填充量為40%時，本試驗(yàn)中所得到的數(shù)據(jù)與學(xué)者Qiu W I等人研究結(jié)論基本一致，但如果木粉填充量為20%時，卻會得到不同的結(jié)論，原因在于，如果馬來酸酐（MAH）含量在2.5%左右時，它在復(fù)合材料中既是增溶劑，又是偶聯(lián)劑。馬來酸酐（MAH）同時與木纖維素和基材（聚丙烯和熱熔膠）的相互作用，從而使木塑兩者牢固結(jié)合，這樣就提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度。當(dāng)復(fù)合材料中的木粉填充量為40%時，馬來酸酐（MAH）作為木粉和基材之間的橋梁，其加入的越多而結(jié)合的越多，復(fù)合材料的強(qiáng)度也就越大，但是，當(dāng)復(fù)合材料中的木粉填充量為20%時，由于木粉與基材粘結(jié)所需要的馬來酸酐（MAH）的含量有一定的限度，若超過，就會產(chǎn)生了多余的馬來酸酐（MAH），其與基材之間的相容性差，且馬來酸酐（MAH）中未反應(yīng)的其他基團(tuán)也會產(chǎn)生不良作用，這樣導(dǎo)致不均勻的木塑界面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，從而降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此，在此情況下，強(qiáng)度值隨著馬來酸酐（MAH）填充量的增加而下降［8－9］。

彎曲模量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示，這與強(qiáng)度的結(jié)論基本一致，不過在開始時，彎曲模量有所下降，究其原因，可能是馬來酸酐（MAH）此時尚未充分發(fā)揮橋梁作用，木粉與聚丙烯之間產(chǎn)生不十分理想的結(jié)合。由于馬來酸酐（MAH）為有機(jī)物且具有較低的模量，因此，彎曲模量的起始降低是由馬來酸酐（MAH）的填充而造成的。之后，復(fù)合材料的彎曲模量將會隨著馬來酸酐（MAH）的界面增溶及偶聯(lián)作用的增強(qiáng)而升高，并且在馬來酸酐（MAH）填充量為1.5%～2.5%的范圍內(nèi)時，彎曲模量值隨著木粉與聚丙烯之間的結(jié)合更強(qiáng)而越高。

圖4 馬來酸酐含量與復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的變化趨勢

圖5 馬來酸酐含量對復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的變化趨勢

圖6 馬來酸酐含量與復(fù)合材料彎曲模量的變化趨勢

3.3 試樣斷面結(jié)構(gòu)SEM分析

通過對復(fù)合材料試件斷面的掃描，電鏡照片如圖7所示，在相容劑－馬來酸酐（MAH）未填充時，拉絲現(xiàn)象在復(fù)合材料的斷面上沒有出現(xiàn)，以此說明木粉和聚丙烯之間的界面處存在較弱的相互作用。而在馬來酸酐（MAH）相容劑填充后，應(yīng)力發(fā)白和拉絲現(xiàn)象明顯出現(xiàn)在試件斷面上，恰恰說明木粉和聚丙烯之間的相互作用是由馬來酸酐（MAH）相容劑的存在而促成的。

圖7 試件斷面的掃描電鏡圖像

由于相容劑的使用，木塑之間的界面處還會存在機(jī)械錨合作用。木粉的結(jié)構(gòu)為多孔的蜂窩狀，且其表面具有很高的粗糙度。在不使用馬來酸酐（MAH）相容劑的條件下，由于木纖維與聚丙烯之間存在有無相反的極性，聚丙烯在混合和燒結(jié)過程中不易向木粉中滲透，因此在木粉表面處容易產(chǎn)生空洞現(xiàn)象，如圖8所示，當(dāng)復(fù)合材料試件受到應(yīng)力作用時，應(yīng)力主要集中這些空洞中，從而較小的應(yīng)力會使試件斷裂，這也是填加木粉后造成復(fù)合材料試件的力學(xué)性能迅速降低的主要原因之一。但是，在使用馬來酸酐（MAH）相容劑后，復(fù)合材料力學(xué)性能的提高反而得利于木粉的多孔結(jié)構(gòu)和粗糙的表面。由于基材中的熱熔膠與木纖維極性相近，因此在界面處優(yōu)先聚集的是熱熔膠，這樣就會使基材容易浸潤木粉并滲透到木粉空洞中，這不僅減少了界面處的空洞缺陷，而且在木塑界面處容易形成較強(qiáng)的界面擴(kuò)散和機(jī)械錨合作用［10－11］，這對提高復(fù)合材料的力學(xué)性能是有利的。

圖8 木粉表面的空洞掃描電鏡圖像

4 結(jié) 論

1）堿化木粉加入基材（聚丙烯和熱熔膠）中后，木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度隨木粉的填充量的增多而降低，且比純基材（無木粉）還低，而木塑復(fù)合材料的拉伸模量和彎曲模量隨著木粉填充量的增多而均升高。

2）木粉填充量較低（20%）的復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度隨著馬來酸酐（MAH）含量的增加均先增加，馬來酸酐（MAH）含量達(dá)到一定值（1.5%）后減少；而木粉填充量較高（40%）的復(fù)合材料的上述強(qiáng)度值卻在不斷升高。當(dāng)馬來酸酐（MAH）的含量為1.5%～2.5%的范圍內(nèi)時，復(fù)合材料的上述力學(xué)性能最高值將會出現(xiàn)。

3）復(fù)合材料試件斷面的掃描電鏡圖像顯示說明，馬來酸酐（MAH）相容劑的存在不僅增進(jìn)了木粉和聚丙烯之間的相互作用，還會影響到木粉和聚丙烯界面處的機(jī)械錨合作用，這有利于復(fù)合材料力學(xué)性能的提高。

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