3D打印化学:聚氨酯和碳的RPU

2020-09-26 14:14:59 8

如果您像这个作者一样,您会获得高中化学专业的C-学位,再也不会回头。有了对该主题的新发现兴趣,我希望重新审视3D打印中一些最受欢迎的材料的分子科学,以了解它们-不仅在应用和物理特性方面,而且在化学组成方面。

本系列的第一部分中,我们研究了PAEK塑料,因为它们在苛刻的高性能应用中非常受欢迎。在这里,我们看一下3D打印独角兽 Carbon的一种特殊形式的聚氨酯。关于Carbon的材料值得考虑的原因以及为什么要特别考虑的是,通过使用印后加热步骤,可以激活更多的物理性能,使这些光敏聚合物具有类似于热塑性塑料的特性。

聚氨酯是类似橡胶的材料,全世界约有75%的用途是用于硬质和软质泡沫。应用包括室内装潢,泡沫密封件和垫片,弹性车轮和轮胎,汽车悬架衬套等。尽管有热塑性聚氨酯,但大多数聚氨酯是热固性的,这意味着它们在加热时不会熔化。在3D打印中,热固性材料是桶型光聚合技术的领域,该技术使用紫外线来硬化光敏聚合物树脂。

聚氨酯是通过异氰酸酯(由称为胺的氨的衍生物制成的一类化学物质)与多元醇(具有多组氧与氢键合的有机材料)之间的反应生成的。多元醇有助于聚合物的柔韧性,交联的量决定了它的韧性或刚性。具有低交联度的长链会产生可拉伸的材料,具有大量交联键的短链会导致其变硬。具有中间交联的长链产生了可用于泡沫材料的聚合物。

3d打印

聚氨酯合成,其中氨基甲酸酯基团NH-(C = O)-O-连接分子单元。

在聚氨酯的生产中,异氰酸酯与水反应生成氨基甲酸酯和脲键。在Carbon的RPU 130(一种刚性聚氨酯)的情况下,这些键对于所得的物理性能是必需的。

Carbon的材料高级副总裁Jason Rolland向3DPrint.com解释说:“ RPU 130是一种刚性的双固化聚氨酯-脲材料。材料中氨基甲酸酯和脲键的存在允许发生显着的氢键。这使材料具有很高的韧性以及很高的软化温度。”


Carbon的数字光合成(DLS)技术是公司特定形式的数字光投影(DLP),其中将紫外线投射到一桶光敏聚合物树脂上,并通过使用透氧窗对材料进行连续固化迅速地。此过程可实现各向同性的物理特性,即在零件的所有方向上都相同的特性。

尽管3D打印中使用的大多数光敏聚合物会产生较弱,较脆的零件,更适合用于原型制作,但DLS制成的组件由于在打印过程完成后便会进行加热,因此具有工程级的机械特性。Carbon解释了它是如何工作的:

Rolland说:“ Carbon开发的双固化材料,包括RPU 130,是光固化和热固化化学物质的混合物。” 当树脂反复暴露在图案化的紫外线下时,光固化基团在印刷过程中会活化并聚合。这使我们可以在打印过程中精确定义零件的形状。在后烘烤过程中触发热活性基团,形成一个单独的聚合物网络。材料的最终性能由紫外线和热聚合物网络决定。”

由于光敏聚合物的上述问题,从历史上看,它们不适合通过3D打印进行最终零件生产。但是,像Carbon这样的公司所取得的进步正在改变这一状况。Carbon告诉3DPrint.com,光敏聚合物的性质导致试图在冲击强度和热特性之间取得平衡,而这对热塑性塑料的阻碍较小。

“紫外线固化材料的主要挑战是在冲击强度和热性能之间进行权衡。通常,您需要选择一个。尼龙等热塑性塑料在平衡这些特性方面做得更好。RPU 130的独特之处在于它具有很高的冲击强度(在Gardner冲击试验中大于30 J)和很高的热变形温度(120 oC),” Rolland解释说。“通过RPU 130实现的性能组合使其在增材制造领域具有高度差异性;它是各种应用中ABS,尼龙或聚丙烯等普通热塑性塑料的理想替代品。使用RPU 130和Carbon的技术证明了可显着节省成本的小批量汽车零件生产 。RPU 130潜在的工业和消费产品应用的其他示例包括用于车辆,太阳镜,工具外壳和设备外壳的风道和制动钳盖。”

正如我们在其他地方所讨论的那样,迫切需要将我们的塑料生产从化石燃料来源转变为可再生来源。正在进行大量的研究工作,以寻求开发用于3D打印的基于植物的光敏聚合物,其中许多具有广阔的前景。

3D打印机

装配技术制造商ARaymond打印的3D管道固定器紧固件,用于汽车生产。图片由Carbon提供。

在将这些材料扩大到商业规模之前,像Carbon这样的公司正在尝试使用更多的可再生材料作为其材料。罗兰德谈到碳素公司的硬质聚氨酯:

“近30%的RPU 130由称为Susterra丙二醇的植物性原料组成,该原料是杜邦Tate&Lyle Bio Products生产的玉米原料。这完全符合Carbon在开发新材料时对可持续性原则的承诺。新型聚合物材料创新可以与环保原则相结合。RPU 130显示出增强的材料性能和改善的材料可持续性不一定是相反的目标。植物来源的原料通常比石油来源的原料具有更低的碳足迹,而Susterra丙二醇(经USDA认证的100%基于生物的产品)可减少48%的温室气体排放,并减少来自摇篮的不可再生能源46%。与传统的基于石油的替代品相比”。


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标签: 3D打印化学
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