鄭翔宇

摘要：高分子3D打印材料經(jīng)常容易受到高溫的影響，所以對(duì)其熱穩(wěn)定性能有一定的要求。本文選擇氧化劑提升高分子3D打印材料的熱穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方法，對(duì)兩種不同的氧化劑應(yīng)用于高分子材料中分析其熱穩(wěn)定性效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相比于氧化劑1，氧化劑2對(duì)高分子材料的熱穩(wěn)定性能有明顯的提高;氧化劑的用量對(duì)提高高分子材料的熱穩(wěn)定性效果不明顯，所以選擇0.5%的氧化劑更有利于節(jié)約成本。

關(guān)鍵詞：氧化劑;高分子3D打印材料;熱穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TQ031.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）10-0074-05

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，3D打印發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，其中3D打印技術(shù)能夠快速的制造出所需要的模型，而且操作簡(jiǎn)單，速度較快，還可以節(jié)約成本。高分子材料作為3D打印的重要材料，也是用的最多的一種材料，對(duì)其性能要求比較高。在打印過(guò)程中，會(huì)存在一種高溫的現(xiàn)象，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)就會(huì)影響到高分子材料的熱穩(wěn)定性能，從而影響3D打印的工作質(zhì)量和工作效率-引。所以提高3D打印高分子材料的熱穩(wěn)定性迫不及待的需要解決。氧化劑對(duì)高分子熱穩(wěn)定性有一定的輔助作用，所以文章將對(duì)氧化劑提升3D打印高分子材料熱穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)方式

實(shí)驗(yàn)所需要的原料有氧化劑1、氧化劑2、3D打印機(jī)高分子材料。首先將3D打印機(jī)高分子材料用碾磨儀打碎一分鐘，然后稱取兩份的4.95g出來(lái)，再對(duì)氧化劑1和氧化劑2稱取O.05g，將這兩種不同的氧化劑分別加入到兩份高分子材料中進(jìn)行充分的混合。將兩種混合材料放人平板硫化機(jī)中進(jìn)行加熱，制作成薄片，用于熱穩(wěn)定性分析。

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.2.1氧化劑對(duì)高分子材料的熱分解影響

為了檢驗(yàn)氧化劑的含量對(duì)高分子材料的熱穩(wěn)定性的影響，所以分別取氧化劑的量為1%和0.5%的兩種氧化劑，即有0.5%氧化劑1和2、1%氧化劑1、0.5%氧化劑2和1%氧化劑2，升溫速度為20K/min。圖1即為TG和DTG圖，從圖中可以看出，加入氧化劑1的量為1%時(shí)，高分子3D打印材料大約在220℃時(shí)開(kāi)始熱分解，當(dāng)溫度達(dá)到了406%后高分子材料即完全分解了。其他三種混合的氧化劑的試樣大約都是在232℃開(kāi)始分解、445°C開(kāi)始完全分解。如圖1所示的DTG圖可知，0.5%氧化劑2的高分子試樣最陜分解溫度為408.1℃，1%氧化劑2的高分子試樣最快分解溫度為404.1℃，0.5%氧化劑1和2的高分子試樣最快分解溫度為409.3°，1%氧化劑1的高分子試佯存在一個(gè)吸熱峰是404.3°C。因此，當(dāng)加人氧化劑1和氧化劑2后，與不加氧化劑的試樣相比，其開(kāi)始熱分解溫度、最快分解溫度和完全分解溫度都有所提高，所以當(dāng)加人氧化劑時(shí)能夠提高高分子3D打印的熱穩(wěn)定性能。然而從圖中可以看出氧化劑1對(duì)提高材料的熱穩(wěn)定性能比較小，而氧化劑2能夠很明顯的提高材料的熱穩(wěn)定性能，所以，氧化劑2比氧化劑1更能提高高分子的熱穩(wěn)定性能。

1.2.2氧化劑對(duì)高分子材料熔融狀態(tài)下的熱降解

為了檢驗(yàn)不同溫度下氧化劑對(duì)高分子材料的熱降解情況，將所有的試樣分別放人220℃、225℃、230℃、235℃的溫度下30min。如表1所示為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從表1中可以看出，加入氧化劑2的試樣熱降解失重減少，而且是明顯的，不像加入氧化劑1的試樣改善得并不明顯，所以加入氧化劑2更能夠提高高分子材料的熱穩(wěn)定性能，而且在不同的溫度條件下，其穩(wěn)定效果也能保持比較好的狀態(tài)，而不同量的氧化劑2對(duì)高分子的熱穩(wěn)定性能提高能力差別不大。

2加入氧化劑后高分子材料的熱分解動(dòng)力學(xué)分析

設(shè)置的升溫速度為5K/min、7K/min、10K/min、15K/min、20K/min，以0.5%的氧化劑1和2的高分子材料作為實(shí)驗(yàn)試樣，通過(guò)TG熱失重分析，得到熱分解分析圖，圖2即為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖2中可以看出，當(dāng)升溫速度越來(lái)越大時(shí)，試樣的開(kāi)始分解溫度、結(jié)束分解溫度和最快分解溫度都會(huì)越來(lái)越大，即升溫速度與試樣的熱穩(wěn)定性能成正比關(guān)系。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有可能是當(dāng)升溫速度越來(lái)越快之后，就會(huì)導(dǎo)致熱傳遞滯后，于是試樣的三個(gè)分解溫度不斷增加。

2.1Flynn-Wall-Ozawa法

Flynn-Wall-Ozawa法是熱分析動(dòng)力學(xué)最為常用的一種積分方法，其原理就是通過(guò)不同升溫速率下的熱重分析曲線中l(wèi)gβ與1/T之間的線性關(guān)系來(lái)確定E值。接下來(lái)我們將用此方法分析高分子3D打印材料的熱分解動(dòng)力學(xué)。

在圖2中不同升溫速度下試樣的TG曲線，可以得出不同升溫速度下高分子的熱分解數(shù)據(jù)，如表2所示。

通過(guò)表2的數(shù)據(jù)，根據(jù)Flynn-Wall-Ozawa法，通過(guò)使用最小二乘法可以得出如圖3所示的線性擬合曲線。

通過(guò)圖3的熱分解分析圖可知曲線截距數(shù)值，就可以進(jìn)一步分析出0.5%氧化劑1和2的高分子材料的熱分解表現(xiàn)活化能E和線性相關(guān)系數(shù)R2，具體數(shù)值如表3所示。從表3中可以看出，當(dāng)加入1%氧化劑1和2后，高分子材料的E值為139.8k/tool，與不加氧化劑的高分子材料相比，E值是明顯的提高，說(shuō)明加人1%氧化劑1和2后高分子的熱穩(wěn)定性能是明顯的提高了。

上面的實(shí)驗(yàn)僅僅只對(duì)1%的氧化劑1和2的高分子材料進(jìn)行了分析，接下來(lái)將對(duì)其余的三個(gè)類別的進(jìn)行熱失重分析。表4即為1%的氧化劑1的高分子材料E值和R²結(jié)果，表5即為1%氧化劑2的高分子材料E值和R²結(jié)果，表6即為0.5%的氧化劑2的高分子材料E值和R²結(jié)果。

從表4中可以看出，加人1%的氧化劑1的高分子材料熱分解活化能均值為121.5k/mol，與不加人氧化劑的高分子材料相比，兩個(gè)值差不多，所以，氧化劑1對(duì)高分子材料熱穩(wěn)定性的影響比較有限。從表5中可以看出，加入1%的氧化劑2的高分子材料的平均值E為138.8k/tool，可見(jiàn)與不添加氧化劑的試樣相比，其平均E值有明顯的提高，說(shuō)明氧化劑

2能夠提高高分子材料的熱穩(wěn)定性能。

從表6中可以看出來(lái)，0.5%的氧化劑2的高分子材料的平均E值為137.7k/tool，與圖5中的E值很接近，說(shuō)明了0.5%的氧化劑2和1%的氧化劑2對(duì)高分子的E值影響一樣，所以氧化劑2的用量不會(huì)影響高分子材料的熱穩(wěn)定性能，為了節(jié)約材料，選擇0.5%的氧化劑2就可以很明顯的提高高分子材料的熱穩(wěn)定性能。

還是以圖2為研究依據(jù)，根據(jù)圖2可知0.5%的氧化劑1和2的溫度值。如表7所示。

表8為0.5%的氧化劑1和2的高分子材料熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從表中可以看出，其平均E值為149.1kJ/mol，相對(duì)于沒(méi)有加氧化劑的高分子材料來(lái)說(shuō)，E值有了明顯的提高。

同理可知，可以得出加入1%的氧化劑1、1%的氧化劑2、0.5%的氧化劑2的高分子材料的熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

表9為1%的氧化劑1高分子材料熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從表中可以看出來(lái)，1%的氧化劑1高分子材料的E值為123.1kJ/mol，與沒(méi)有加氧化劑的高分子材料相比，E值沒(méi)有很明顯的提高，說(shuō)明氧化劑1對(duì)高分子材料的熱穩(wěn)定性能提高不明顯。

表10為1%的氧化劑2高分子材料熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從下表中可以看出，1%的氧化劑2高分子材料的平均E值為150kJ/tool，與沒(méi)有加入氧化劑的高分子材料相比，平均E值有了很大的提高。說(shuō)明1%的氧化劑2能夠提高高分子材料的熱穩(wěn)定性能。

表11為0.5%的氧化劑2高分子材料熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從下表中可以看出，0.5%的氧化劑2高分子材料的平均E值為150.5mol，與上表中的平均E值很接近，相對(duì)于沒(méi)有加氧化劑的高分子材料來(lái)說(shuō)，0.5%的氧化劑2高分子材料的平均E值增加比較明顯。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)氧化劑對(duì)提升高分子3D打印材料的熱穩(wěn)定性效果研究，首先分析了氧化劑對(duì)高分子3D打印材料的熱穩(wěn)定性影響，然后再將0.5%和1%的兩種氧化劑放于220℃、225℃、230℃、235℃的溫度下進(jìn)行熱降解分析，最后就是對(duì)不同量、不同氧化劑對(duì)高分子3D打印材料進(jìn)行熱分解動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)使用了Fly.nn-Wall-Ozawa法和Coats-Redfem法分析熱分解動(dòng)力學(xué)。通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)研究表明，氧化劑2提高高分子3D打印材料的熱穩(wěn)定性的效果更加明顯，即氧化劑2更有助于提高高分子的熱穩(wěn)定性;0.5%的氧化劑和1%的氧化劑提高高分子熱穩(wěn)定性的效果相差不大，所以選擇0.5%的氧化劑更有助于節(jié)約成本;升溫速度越來(lái)越大時(shí)，試樣的開(kāi)始分解溫度、結(jié)束分解溫度和最快分解溫度都會(huì)越來(lái)越大，即升溫速度與試樣的熱穩(wěn)定性能成正比關(guān)系。