选择性激光烧结聚氨酯导电复合材料的制备及其应力响应性研究

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近年来,选择性激光烧结技术(SLS)逐渐发展成为增材制造加工技术的研究热点,广泛应用于航空航天、汽车制造、生物、医疗等领域。作为重要的3D打印技术之一,相对于其他3D打印技术,SLS具有成型速度快、精度高、材料选择适应面广泛且可加工大型制件等特点。相比于传统的加工方法,SLS可以进行定制化和复杂结构的成型加工,且其制品性能已相差无几。能满足SLS成型加工要求的聚合物材料有聚苯乙烯(PS)、聚氨酯弹性体(TPU)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)等。TPU是其中唯一一种热塑性弹性体材料。导电高分子复合材料(CPCs)因其在传感器方面的广泛应用,而成为高分子材料功能化研究的一个热点。CPCs是指在高分子基体材料中加入一定比例的导电填料,通过在基体树脂中构成连续导电网络,从而实现其导电性的高分子复合材料。在外场(应力、温度、气体等)刺激作用下,CPCs内部的导电网络会重构而呈现出一定规律的电信号,即CPCs的外场应激响应行为,因此在应变传感器、电磁屏蔽、温控传感器和挥发性有机气体检测等方面具有广泛的应用前景。通过调控CPCs的微观结构和导电网络来降低导电逾渗阈值,可提高CPCs传感器的分辨力和灵敏度。本论文以石墨烯(Graphene,G)和碳纳米管(CNTs)作为纳米导电填料,以TPU粉末为高分子基体材料,采用超声分散-液相沉淀的方法制备了可用于SLS成型的TPU纳米导电复合粉末并通过SLS制备了TPU/G和TPU/G/CNTs导电复合材料。对复合材料的电学性能、机械性能以及应力响应行为进行了研究。主要内容包括:1.采用超声分散-液相沉淀法制备了TPU/G复合材料粉末,并经过SLS加工制备了柔性TPU/G导电复合材料。研究结果表明,石墨烯能够均匀地包覆在TPU颗粒表面,且对其粒径影响不大;由SLS加工制备的TPU/G导电复合材料的导电性能优异,其导电逾渗阈值为0.2 wt%。具有优良柔韧性能的TPU和较低的逾渗阈值赋予该复合材料优异的拉伸应变响应性能,通过对石墨烯含量、应变速率、应变幅度的考察,表明材料具有较宽的应变响应度(GF=75.2~668.3),以及较好的形变回复性和响应重复性。2.利用混合导电填料制备了TPU/G/CNTs粉末,再经SLS工艺成功制备出了TPU/G/CNTs导电复合材料。经测试发现,TPU/G/CNTs复合材料的导电逾渗阈值为:碳纳米管的含量0.1 wt%,石墨烯的含量0.15 wt%。采用混合导电填料的方法能够对复合材料内部的导电网络进行有效的调控,降低复合材料的导电逾渗阈值。
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