纳米改性光固化快速成型树脂性能的研究

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光固化快速成型技术是光固化树脂在光照条件下逐层固化、叠加形成三维制品的一种成型技术。本文主要对光固化成型树脂进行纳米改性研究。光固化成型材料对成型产品的尺寸精度和力学性能具有直接影响,目前国内紫外光固化成型材料存在尺寸收缩大、一次性固化强度低、力学性能差等缺点,这些缺点限制了光固化快速成型技术的发展,因此研发性能优异的光固化成型树脂具有重要意义。本文以双酚A型环氧丙烯酸酯为预聚物制备了基体树脂,并利用无机纳米粒子对其进行改性。(1)石墨烯和炭黑改性基体树脂分别利用石墨烯和炭黑对基体树脂进行改性,研究了石墨烯和炭黑对基体光固化成型树脂性能的影响,并将石墨烯和炭黑改性后的树脂性能进行对比。测试结果表明,在树脂中分别加入0.25wt‰的石墨烯和炭黑后,树脂粘度下降。透射电镜显示石墨烯在基体树脂中分散效果良好,炭黑在基体树脂中发生团聚。热失重分析显示,石墨烯和炭黑提高了基体树脂的最快分解温度,并且使基体树脂的最大分解速率下降,说明石墨烯和炭黑可以提高基体树脂的热稳定性。力学性能测试结果显示,经炭黑改性后,树脂的拉伸强度下降了32.8%,弯曲模量下降了46.88%;经石墨烯改性后,树脂的拉伸强度提高了8.39%,弯曲模量下降了46.79%。(2)纳米SiO2改性基体树脂首先,使用硅烷偶联剂KH570对纳米二氧化硅颗粒进行表面接枝改性,然后利用机械共混的方法将改性粒子与基体树脂进行共混,制备纳米复合材料,研究了改性纳米颗粒对基体树脂性能的影响。粘度测试表明,纳米SiO2含量在15wt%范围内,树脂的粘度随着粒子质量分数的增加而增加,但仍具有良好的流动性,符合DLP成型机对成型树脂粘度的要求。复合材料的体积收缩率随改性纳米SiO2含量的增加而减小,改性纳米二氧化硅质量分数为5%时的体积收缩率为6.94%。通过对复合材料凝胶率的测定,研究了改性纳米SiO2对光固化树脂固化速率的影响。与未加改性纳米粒子的光固化树脂相比,加入纳米粒子后树脂的凝胶率增加,且随着纳米粒子质量分数的增加而降低,改性纳米二氧化硅质量分数为1%时,凝胶率最大,为88.19%。通过对固化后树脂的热失重测试,研究了改性纳米SiO2对树脂热稳定性的影响,实验结果表明,改性纳米SiO2的加入使树脂的最快分解速率降低,提高了树脂的热稳定性。拉伸测试结果显示,随着改性纳米SiO2质量分数的增加,复合材料的拉伸强度先升高后下降,当改性纳米二氧化硅质量分数为2%时,复合材料的拉伸强度最大,为23.19MPa,与未改性树脂相比,拉伸强度提高了69.83%。(3)纳米Al2O3性基体树脂首先,使用硅烷偶联剂KH570对纳米三氧化二铝颗粒进行表面接枝改性,然后利用机械共混的方法将改性无机粒子与基体树脂进行共混,制备纳米复合材料,研究了改性纳米颗粒对基体树脂性能的影响。粘度测试结果表明,纳米Al2O3含量在15wt%范围内,树脂的粘度随着粒子质量分数的增加而增加,但仍具有很好的流动性,符合DLP成型机对树脂粘度的要求。复合材料的体积收缩率随改性纳米三氧化二铝含量的增加而减小,改性纳米粒子质量分数为5%时的体积收缩率为6.48%。通过对复合材料凝胶率的测定,研究了改性纳米三氧化二铝对光固化树脂固化速率的影响,实验结果表明,随着改性纳米三氧化二铝质量分数的增加,复合材料的凝胶率先上升后下降,纳米粒子质量分数为2%时,树脂的凝胶率最大,为88.3%。通过对固化后树脂的热失重测试,研究了改性纳米Al2O3对树脂热稳定性的影响,实验结果表明,改性纳米三氧化二铝降低了树脂最快分解速率,提高了树脂的热稳定性。拉伸性能显示,随着改性纳米三氧化二铝质量分数的增加,复合材料的拉伸强度先升高后下降,当改性纳米三氧化二铝质量分数为3%时,复合树脂拉伸强度最大,为34.74MPa,与未改性树脂相比,拉伸强度提高了108.27%。
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