中科院化学所苏允兰副研究员和中科院重庆研究院高霞助理研究员综述：熔融沉积成型加工的结晶性聚合物结构与性能
熔融沉积成型(Fused deposition modeling，FDM)作为一种新型的聚合物加工方式，不仅通过逐层堆积突破了结构设计的限制，还耦合了剪切场、拉伸场和温度场调控聚合物材料尤其是结晶性聚合物的形态结构，具备实现聚合物制品复杂化、高性能化、功能化的潜力，是聚合物加工的未来。然而，现阶段FDM技术仍以模型制造为主，这是因为层层堆积的加工方式在赋予FDM技术结构设计自由度的同时，也为其带来瓶颈问题：(1) 商业化FDM耗材仍以无定形聚合物丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和结晶速率较慢的聚乳酸(PLA)为主，其种类远少于传统加工所用的材料，限制了FDM成型件的应用范围；(2) 与传统注塑件相比，FDM成型件的致密度低，层间结合界面薄弱，导致其宏观性能(包括拉伸性能、冲击性能、压缩性能以及热学性能等)呈各向异性，难以满足承重零部件的载荷需求；(3) FDM加工中较大的温度梯度导致残余内应力聚集，易引起FDM成型件(尤其是大型结构件)收缩、翘曲。对于结晶性聚合物而言，由结晶引起的较大体积收缩进一步加剧收缩翘曲，影响FDM成型件的尺寸精度甚至导致打印过程终止，是目前限制大部分结晶性聚合物材料应用于FDM技术的主要原因。
中国科学院化学研究所苏允兰副研究员和中国科学院重庆绿色智能技术研究院的高霞助理研究员在此综述中从制约FDM技术应用和发展的瓶颈问题入手，介绍了近年来有关FDM加工的结晶性聚合物材料、结构、性能等方面的发展。
文章首先结合FDM加工原理分析总结了可FDM加工的聚合物材料特性，包括喂料性能和成型性能。之后对结晶性聚合物的FDM成型件的多层次聚集态结构展开论述，阐述了丝材本体结晶行为和层间结合界面在FDM成型中的微观结构演变。文章还对FDM成型件的宏观力学性能及其各向异性进行了讨论，初步构建了FDM成型件的结构与性能关系。FDM加工具有较高的剪切场和复杂的温度场，通过调控喷嘴温度、基板温度和挤出速率等加工参数即可获得特定晶体结构与形貌。但FDM加工中快速的温度变化导致分子链无法在相邻薄层间充分扩散、缠结，为FDM成型件引入薄弱的层间结合界面和大量的丝材堆积空隙，是目前FDM成型件比传统注塑件力学性能差且各向异性的根本原因。尤其在结晶性聚合物中，层间结合与结晶过程同时发生、相互影响，最终所形成的界面处分子链扩散长度和晶体密度决定着结合界面强度和FDM成型件的各向异性。文章最后还对结晶性聚合物材料的FDM加工所面临的任务和挑战进行了展望。性能优异的聚合物基复合材料的制备与开发既可以拓宽材料种类，又可以提高FDM成型件的力学性能和功能性，是今后突破FDM技术瓶颈的重要方向。
上述工作以题为“熔融沉积成型加工的结晶性聚合物结构与性能”的综述形式发表在《高分子学报》2020年第11期，通讯作者高霞助理研究员和苏允兰副研究员(2020, 51(11): 1214-1226，doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20154)。该课题得到了国家自然科学基金(基金号51603205)和2019年度中国科学院化学研究所创新培育资助项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.11777/j.issn1000-3304.2020.20154
来源：高分子学报
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