3D打印可根据三维数字化模型在不使用模具的前提下将制件逐层成型, 具有传统成型工艺难以企及的效率与经济优势, 已在轨道交通和航空航天等领域得到应用. 但可打印聚合物材料种类与性能不足, 制约了3D打印从原型制备技术向工程制造技术的发展. 聚酰亚胺本征兼具高耐热性与优异力学性能, 将3D打印技术与聚酰亚胺材料相结合有助于缩小3D打印与传统成型技术的差距, 释放3D打印工业应用潜力. 本文总结了近年来国内外3D打印聚酰亚胺的发展现状, 重点从聚酰亚胺物理与化学特性调控、材料制备与改性、3D打印工艺与后处理工艺优化、打印件性能与功能以及尺寸稳定性等方面对熔融沉积、立体光刻、数字光处理、直接墨水书写、紫外辅助直接墨水书写以及选择性激光烧结成型聚酰亚胺的研究工作进行了介绍, 并对3D打印聚酰亚胺未来发展面临的挑战进行了讨论分析.
3D打印又名增材制造(AM), 是基于目标制件的三维数字化模型, 将材料分层成型, 逐层叠加, 快速制备三维物理实体的新兴制造技术, 在复杂形状零部件制备中具有传统成型工艺难以企及的效率与经济优势. 3D打印技术已在玩具、建筑、艺术、汽车、医疗、航空航天等领域得到应用. 但目前3D打印制件主要作为概念模型或功能制件而非次承载/承载结构件使用, 制约3D打印从原型制备技术向工程制造技术发展的重要因素之一就是可打印聚合物材料的种类有限. 适用于3D打印的聚合物材料主要有商品化的聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)、脂肪族聚酰胺(PA)、环氧丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯等. 这些聚合物材料通常表现出低力学性能与耐热性, 这导致相应打印件承载与耐温能力有限, 难以满足轨道交通以及航空航天等工业应用的需求.
因此, 国内外研究人员开展了高性能聚合物如聚砜(PSU)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)和聚酰亚胺(PI)等的3D打印研究工作. 相比于其余类型的高性能聚合物, 聚酰亚胺材料应用形式多样, 可作为热塑性工程塑料、热固性基体树脂、光敏性聚酰胺酸前驱体以及聚酰胺酸盐水凝胶使用. 同时聚酰亚胺(PI)具有优异的耐高低温特性、力学性能、绝缘性能和热氧化稳定性, 制备的轻质高强聚酰亚胺零部件已替代部分金属部件应用于航空航天飞行器的制造. 将聚酰亚胺材料与3D打印技术相结合, 有助于缩小3D打印技术与传统成型工艺技术的差距, 释放3D打印技术工业应用潜力. 经过多年的发展, 各类适用于聚酰亚胺的3D打印技术不断涌现, 现有技术主要包括立体光刻(SLA)、数字光处理(DLP)、直接墨水书写(DIW)、紫外辅助直接墨水书写(UV-DIW)、熔融沉积成型(FDM)和选择性激光烧结(SLS)等. 本文从3D打印工艺对聚酰亚胺材料特性要求、聚酰亚胺材料制备与改性、3D打印与后处理工艺参数优化、打印制件尺寸稳定性和性能与功能等方面对3D打印聚酰亚胺研究工作进行介绍, 并对3D打印聚酰亚胺发展趋势及面临的挑战进行讨论.
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杜新玉, 刘仪, 莫松, 何民辉, 翟磊, 范琳. 3D打印聚酰亚胺材料研究与进展. 中国科学:化学, 2024, DOI:10.1360/SSC-2023-0221
