聚乳酸熔融沉积3D成型件的结晶行为与性能研究

The development of additive manufacturing is a revolution to polymer processing methods, and the structures and properties the fabricated parts exhibit significantly depend on the technologies used. In this work, environmental-friendly polylactide is chosen to acquire knowledge about the relationship between the microstructures of crystalline polymer and the properties of parts fabricated by Fused Deposition Modeling (FDM). The crystallization behaviors of polylactide articles fabricated by FDM is tailored by altering printing parameters for FDM or adding nucleating agents and plasticizer into polylactide matrix, which is followed to study the effect of crystalline structure on the mechanical properties of FDM fabricated parts. Furthermore, the structural and morphological variations of polylactide during the process of stretching are investigated by means of wide-angle X-ray diffraction in order to explore the mechanism underlying the relationship between crystalline structure of polylactide and properties of parts fabricated by FDM. This work is believed to show significant theoretical guidance for optimization of the printing parameters and development of new polymeric filaments compatible for FDM platforms, further improving the mechanical performance of parts fabricated by FDM.

增材制造技术的发展使聚合物的加工方式发生了革命性的变化，3D成型件中聚合物结构和性能与增材制造过程所用的工艺密不可分。本项目拟选结晶性聚合物聚乳酸为原材料，通过熔融沉积FDM打印工艺、成核剂和增塑剂等调控聚乳酸的结晶行为，考察FDM成型件中聚乳酸结晶行为（结晶度、晶型、片晶取向等）对机械性能的影响。再借助广角X射线衍射技术原位观察FDM成型件形变过程中聚乳酸的结构演变，阐明聚乳酸结晶结构影响FDM宏观性能的机理，构建FDM打印工艺-聚乳酸结晶行为-FDM成型件机械性能之间的关系，为改善FDM成型件机械性能提供理论基础。

层层堆积的加工方式赋予熔融沉积成型（FDM）加工充分的结构设计自由度，同时也影响着3D打印件的结构与性能。本项目为研究FDM成型件的结构-性能关系，以通用打印材料聚乳酸为研究对象，借助FDM打印工艺、成核剂（滑石粉、酰肼类成核剂）、无机填料（短碳纤维）、增塑剂（不同分子量的聚乙二醇）等因素调控聚乳酸3D打印件的结晶行为与拉伸性能，初步阐明了聚乳酸在FDM成型加工中的结晶机理，并揭示了决定聚乳酸3D打印件拉伸性能的关键因素，提供了增强丝材结合界面性能的思路。相比于本体材料，纯聚乳酸3D打印件的结晶度升高。增塑剂、成核剂增强了聚乳酸本体的结晶行为，但对3D打印件的结晶行为影响较小。经研究发现，FDM成型加工的剪切场诱导聚乳酸分子链取向，加快聚乳酸的成核速率，而快速变化的温度场则抑制了聚乳酸的晶体生长。在两个外场的共同作用下，聚乳酸仅在较高温度发生结晶，表现出与本体不同的结晶行为。聚乳酸3D打印件的拉伸性能比注塑件的低，且受到填充路径的强烈影响而呈各向异性。这一机械特征是由打印件中薄弱的丝材结合界面而决定，与其结晶行为的关系较小，因此提高聚乳酸3D打印件的机械性能依赖于丝材结合界面性能的调控。碳纤维、滑石粉、聚乙二醇的加入可以降低聚乳酸材料的熔体粘度、增强分子链段运动，促进结合界面处的分子链扩散运动，因而可以增强丝材结合界面、降低3D打印件的各向异性。此外，当无机填料与基体树脂之间有较强界面相互作用时，才能有效增强聚乳酸3D打印件。本项目揭示了FDM打印工艺-聚乳酸结晶行为-3D打印件机械性能之间的关系，不仅可以指导聚合物复合丝材的制备，还为提高FDM成型件机械性能、降低各向异性提供了扎实的工作基础。