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介紹

3D打印中，經(jīng)常用到SLA光固化技術(shù)，從孔道流出來的墨水在紫外光UV的照射下快速凝固，從而實(shí)現(xiàn)立體打印。3D打印墨水的成分主要是Al₂O₃顆粒、具有貫穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物溶液和硅烷偶聯(lián)劑（Silane coupling agents SCA）。SCA覆蓋在Al₂O₃顆粒的表面，由于SCA基于丙烯酸的有機(jī)官能團(tuán)具有敏感光固化的特性，并且SCA可以改進(jìn)界面附著力和分散穩(wěn)定性。本文介紹了3D打印墨水的基本原理，并且利用Turbiscan和Rheolaser研究了不同硅烷偶聯(lián)劑3D打印墨水穩(wěn)定性和微流變性。

圖1 3D打印墨水的原理圖

SCA的一個(gè)分子鏈中同時(shí)含有無機(jī)官能團(tuán)和有機(jī)官能團(tuán)，它們的典型結(jié)構(gòu)是X3SiY，其中X（甲氧基、乙氧基等）是水解基團(tuán)，在無機(jī)材料上形成硅烷官能化表面；Y是(甲基丙烯氧基，乙烯基，縮水甘油氧基，氯等)有機(jī)官能團(tuán)，通過形成相互貫穿網(wǎng)絡(luò)（IPN）增強(qiáng)與聚合物之間的相互作用。硅烷偶聯(lián)劑中的不同官能團(tuán)在聚合物與陶瓷顆粒之間會(huì)產(chǎn)生不同的界面和不同的相互貫穿網(wǎng)絡(luò)，從而造成不同的流變性和不同的力學(xué)性能。

實(shí)驗(yàn)方法

1、制備不同SCA包覆的Al₂O₃陶瓷顆粒，體積濃度27%，分散在商業(yè)用光固化聚合物溶液中劇烈攪拌72h。

2、Al₂O₃陶瓷聚合物分散體系的穩(wěn)定性使用Turbiscan AGS, ( Formulacation, Toulouse, France) 在室溫下測量72h。SCA包覆的Al₂O₃陶瓷聚合物分散體系的流變性使用DWS擴(kuò)散波光譜（Rheolaser master, Formulacation, Toulouse,France）在室溫下測量。同時(shí)，用納米壓痕法(iMicronanoindenter, Nanomechanics, Inc., Oak Ridge, TN, USA)研究了三維印刷體的硬度和彈性模量。目標(biāo)載荷為1000mN。

結(jié)果與討論

1.陶瓷墨水的穩(wěn)定性

圖2 含有不同官能團(tuán)的陶瓷墨水的背散射光曲線和TSI不穩(wěn)定性指數(shù)

背散射光曲線圖2a可以指示樣品整體高度上的顆粒遷移（沉淀，上浮）和粒徑變化（絮凝、聚并）現(xiàn)象。所測試的6個(gè)不同官能團(tuán)的樣品，在底部、中部和頂部區(qū)域都分別出現(xiàn)了沉淀、絮凝和液面變化的現(xiàn)象。其中， VTMS包覆的 Al₂O₃/聚合物溶液有較好的初始分散性，具有厚的沉淀層（BS曲線左側(cè)sedimentation）和明顯的絮凝現(xiàn)象（BS曲線中部Flocculation），這是因?yàn)檫@VTMS僅具有基礎(chǔ)的乙烯基，與丙烯酸樹脂呈弱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。丙烯酰氧基組中的AMTMS作為硅烷偶聯(lián)劑時(shí)，分散體系具有更薄的沉淀層，更少的絮凝現(xiàn)象，說明有更好的分散穩(wěn)定性，這是因?yàn)楸Ｑ趸捅０坊鶊F(tuán)有助于與丙烯酸酯樹脂形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。另一方面，丙烯酰氧基組中的AMPTMS顯示出具有厚的沉淀層和大的絮凝現(xiàn)象，這是由于AMPTMS分子鏈中間的苯環(huán)結(jié)構(gòu)對顆粒具有強(qiáng)烈的絮凝作用。圖2b為不同分散體系的TSI穩(wěn)定性指數(shù)，VTMS包覆的 Al2O3/聚合物溶液和AMPTMS-包覆的 Al₂O₃/聚合物溶液，具有最大的TSI值，說明具有最后的沉淀層和最明顯的絮凝現(xiàn)象，其他種類的SCA包覆的Al₂O₃/聚合物溶液具有相似的分散穩(wěn)定性。

2. 3D打印墨水的微流變性

圖3 含有不同官能團(tuán)的陶瓷墨水的MSD曲線

陶瓷墨水MSD曲線隨時(shí)間變化曲線如圖3a所示，為了比較粘彈性，圖3b展示了在12h的MSD-去相關(guān)時(shí)間曲線。從數(shù)據(jù)可見，VTMS和AMPTMS兩個(gè)樣品MSD曲線較高，且呈短的線性，說明這兩個(gè)樣品是純粘性流體，換句話說，VTMS包覆的Al₂O₃顆粒和AMPTMS包覆的Al₂O₃顆粒似乎與高溫樹脂形成不良的網(wǎng)絡(luò)，顆粒在樹脂中自由移動(dòng)，不受聚合物鏈的干擾。當(dāng)AMTMS作為硅烷偶聯(lián)劑時(shí)，MSD曲線具有了明顯的平臺(tái)，斜率也明顯下降，說明分散體系具有明顯的彈性，粘度也明顯增加了；AMTMS包裹的Al₂O₃顆粒與樹脂形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)限制了Al₂O₃顆粒的自由布朗運(yùn)動(dòng)。從曲線中發(fā)現(xiàn)ALPTMS作為硅烷偶聯(lián)劑時(shí)，粘彈性增加最明顯。

3. 打印墨水固化后的強(qiáng)度

圖4 不同3D打印墨水薄片的負(fù)荷-深度曲線

為了評價(jià)3D打印墨水的力學(xué)性能，利用光固化3D打印機(jī)打印了10mmx10mmx1mm的薄片，并用納米壓痕儀測量測量負(fù)荷-深度曲線，結(jié)果如圖4所示。采用VTMS和AMPTMS作為硅烷耦合劑所打印出來的材料具有最低的硬度和彈性模量；采用ALPTMS作為硅烷耦合劑所打印出來的材料具有最高的硬度和最高的彈性模量。換句話說，固化前的墨水如果具有強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)的粘彈性，這些微流變性質(zhì)會(huì)增加分散穩(wěn)定性和打印后的力學(xué)性能。

結(jié)論

 為了增加3D打印墨水的界面附著力和分散穩(wěn)定性，研究了不同的SCA硅烷耦合劑包裹的Al₂O₃顆粒/聚合物溶液分散體系的性質(zhì)。Turbiscan，Rheolaser和納米壓痕儀的分析結(jié)果確認(rèn)了ALPTMS包裹的Al₂O₃顆粒/聚合物溶液分散體系具有最好的分散性質(zhì)、最強(qiáng)的粘彈性，因?yàn)轭w粒被網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈的束縛住，并且墨水更強(qiáng)的粘彈性同樣增加了最終打印制品的力學(xué)性能。