熔融沉積成型(Fused deposition modeling，F(xiàn)DM)作為一種新型的聚合物加工方式，不僅通過逐層堆積突破了結構設計的限制，還耦合了剪切場、拉伸場和溫度場調(diào)控聚合物材料尤其是結晶性聚合物的形態(tài)結構，具備實現(xiàn)聚合物制品復雜化、高性能化、功能化的潛力，是聚合物加工的未來。然而，現(xiàn)階段FDM技術仍以模型制造為主，這是因為層層堆積的加工方式在賦予FDM技術結構設計自由度的同時，也為其帶來瓶頸問題：(1) 商業(yè)化FDM耗材仍以無定形聚合物丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和結晶速率較慢的聚乳酸(PLA)為主，其種類遠少于傳統(tǒng)加工所用的材料，限制了FDM成型件的應用范圍；(2) 與傳統(tǒng)注塑件相比，F(xiàn)DM成型件的致密度低，層間結合界面薄弱，導致其宏觀性能(包括拉伸性能、沖擊性能、壓縮性能以及熱學性能等)呈各向異性，難以滿足承重零部件的載荷需求；(3) FDM加工中較大的溫度梯度導致殘余內(nèi)應力聚集，易引起FDM成型件(尤其是大型結構件)收縮、翹曲。對于結晶性聚合物而言，由結晶引起的較大體積收縮進一步加劇收縮翹曲，影響FDM成型件的尺寸精度甚至導致打印過程終止，是目前限制大部分結晶性聚合物材料應用于FDM技術的主要原因。
中國科學院化學研究所蘇允蘭副研究員和中國科學院重慶綠色智能技術研究院的高霞助理研究員在此綜述中從制約FDM技術應用和發(fā)展的瓶頸問題入手，介紹了近年來有關FDM加工的結晶性聚合物材料、結構、性能等方面的發(fā)展。
文章首先結合FDM加工原理分析總結了可FDM加工的聚合物材料特性，包括喂料性能和成型性能。之后對結晶性聚合物的FDM成型件的多層次聚集態(tài)結構展開論述，闡述了絲材本體結晶行為和層間結合界面在FDM成型中的微觀結構演變。文章還對FDM成型件的宏觀力學性能及其各向異性進行了討論，初步構建了FDM成型件的結構與性能關系。FDM加工具有較高的剪切場和復雜的溫度場，通過調(diào)控噴嘴溫度、基板溫度和擠出速率等加工參數(shù)即可獲得特定晶體結構與形貌。但FDM加工中快速的溫度變化導致分子鏈無法在相鄰薄層間充分擴散、纏結，為FDM成型件引入薄弱的層間結合界面和大量的絲材堆積空隙，是目前FDM成型件比傳統(tǒng)注塑件力學性能差且各向異性的根本原因。尤其在結晶性聚合物中，層間結合與結晶過程同時發(fā)生、相互影響，最終所形成的界面處分子鏈擴散長度和晶體密度決定著結合界面強度和FDM成型件的各向異性。文章最后還對結晶性聚合物材料的FDM加工所面臨的任務和挑戰(zhàn)進行了展望。性能優(yōu)異的聚合物基復合材料的制備與開發(fā)既可以拓寬材料種類，又可以提高FDM成型件的力學性能和功能性，是今后突破FDM技術瓶頸的重要方向。
上述工作以題為“熔融沉積成型加工的結晶性聚合物結構與性能”的綜述形式發(fā)表在《高分子學報》2020年第11期，通訊作者高霞助理研究員和蘇允蘭副研究員(2020, 51(11): 1214-1226，doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20154)。該課題得到了國家自然科學基金(基金號51603205)和2019年度中國科學院化學研究所創(chuàng)新培育資助項目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.11777/j.issn1000-3304.2020.20154
