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采用螺桿擠壓法合成高強度碳纖維增強尼龍6復合材料

2023-07-12

高度通用的熔絲制造(FFF)可以按需制造碳纖維增強塑料(CFRP)的復雜結構，但FFF固有的低流量和相對較低的強度為大規模工業應用帶來了主要障礙。在這項工作中，通過將復合材料顆粒直接送入定制的螺桿擠出3D打印機，制造了高強度的PA6-CF復合部件，其CF含量高達35wt%。這項工作研究了CF含量對PA6-CF復合材料流變性能和力學性能的影響，力學試驗表明，CF顯著提高了3d打印復合材料的強度，獲得了最高169.9MPa的拉伸強度。

打印樣件的制備過程如下圖1所示。將硅烷偶聯劑KH792溶液處理過的PA6球團送入臺式雙螺桿擠出機中，連續的CF絲束通過旋轉的雙螺桿直接拉入擠出機，以制備PA6-CF復合材料，如圖1a所示。制備的PA6-CF復合球團在80℃的除濕機中干燥6小時后，將完全干燥的顆粒送入定制的基于擠壓的3d打印系統，如圖1b所示。通過拉伸，彎曲和沖擊測試中評估了打印復合材料的機械性能，測試尺寸及標準如圖1c所示。

打印樣件的力學性能測試結果如圖2所示。PA6-25CF的抗拉強度達到169.7MPa，是純PA6強度(54.1MPa)的3.15倍，這種強度目前也是3D打印短碳纖維增強聚合物復合材料中最高的。PA6-25CF的最高楊氏模量達到6.9GPa。隨著CF含量的進一步增加，PA6-35CF的極限強度略有下降，為160.8MPa，如圖2a所示。與拉伸試驗類似，當CF含量為25wt%時，其抗彎強度和模量均達到最大值，分別為218.9MPa和14.14GPa，如圖2b所示。而復合材料的沖擊強度隨CF含量的增加而單調增加，PA6-35CF沖擊強度可達8.89kJ/m2(圖2c)。為了評估PA6高溫應用下的固有熱穩定性，對PA6-35CF復合材料的拉伸性能在高溫下進行了檢測，如圖2d所示，斷裂應力隨著溫度的升高而降低。盡管如此，3d打印的PA6-35CF在100℃下仍顯示優良的強度(68.5MPa)，與PLA,ABS和PC在室溫下的強度相當。這一發現表明，3d打印的PA6-CF復合材料可能適用于各種高溫應用。

用掃描電鏡(SEM)對拉伸斷裂試樣的截面進行了表征(圖3)。在PA6-15CF樣品(圖3a和d)中，幾乎所有的CF都很好地嵌入到聚合物基體中。在PA6-25CF(圖3b)中，觀測到明顯更多的CF和拉伸斷裂，PA6-25CF的普遍存在以及纖維在拉伸作用下斷裂的增加最終導致了PA6-25CF試件的強度和模量的增加。進一步增加CF含量到PA6-35CF(圖3c)時，拉出空洞常被擴大的空洞所取代，且CF表面看起來光滑和干凈，表明CF與PA6基體浸漬較差。PA6-35CF試件中未浸漬CF的承載能力下降可能是其抗拉強度低于PA6-25CF的部分原因。微觀結構表征和力學性能都表明，當CF含量在25wt%左右時，會產生強化飽和效應，其中由較高CF含量提供的力學改善并不能補償與內部缺陷相關的結構弱化效應（如較高的孔隙率和較差的浸漬率）。

在本研究中，使用螺旋擠壓3D打印機對高強度PA6-CF復合材料樣件進行了制備。結果表明，通過長且均勻分布的CF短纖維增加，可以制備具有相當高抗拉強度的復合材料，最大抗拉強度達到169.7MPa。該研究表明，利用螺桿擠壓方法打印高性能PA6-CF元件具有廣闊的潛力，這項研究也為優化印刷工藝和開發新的復合原料提供了廣闊的機會。

參考文獻：

LiX.,HeJ.,HuZ.,etal.Highstrengthcarbon-fiberreinforcedpolyamide6compositesadditivelymanufacturedbyscrew-basedextrusion[J].Compositesscienceandtechnology,2022,229.

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