青岛3D打印化学101:尼龙
发布时间:2020-10-27 11:07
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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,我希望重新审视青岛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。

到目前为止,在本系列中,我们已经涵盖了PAEK系列的塑料和Carbon的一种特定类型的聚氨酯。在这里,我们看一下粉末床熔合(PBF)中最普遍使用的塑料:聚酰胺(PA)。这种材料也被称为尼龙,以其柔滑的品质,通常强劲的物理性能,宽广的工作温度范围和耐磨性而闻名。

杜邦公司于1935年首先以尼龙6,6的形式开发了第一种商业上成功的合成热塑性聚合物尼龙。不久之后,工业巨人IG Farben于1938年发明了一种名为尼龙6的变体,该工业巨人因制造Zyklon B而臭名昭著,该Zyklon B为纳粹气室提供了燃料,但如今却不像欧洲公司BASF,Bayer,Sanofi和Agfa那样为人所知。这种塑料首先以牙刷毛和尼龙原料的形式进入商业市场,然后成为制造降落伞和降落伞绳的关键成分。

要了解有关这种塑料及其在3D打印行业中的作用的更多信息,我们联系了赢创公司3D打印技术负责人Sylvia Monsheimer 。根据SmarTech Analysis的最新报告《聚合物增材制造市场和应用: 2020-2029》,赢创最近推出了一个新的商标名称INFINAM,以涵盖其所有青岛3D打印产品,它是增材制造市场中尼龙12的最大制造商。

开发了尼龙以替代丝绸(聚酰胺的一种有机形式)。复制这种材料的关键是酰胺基团,这些酰胺基团将包含碳的重复单体单元连接在一起。每个单元中的碳数决定了配方的名称,尼龙6每个单元含6个碳,尼龙12具有12个碳。这些数字还可以帮助您了解材料的物理特性。

 

蒙斯海默解释说:“由于碳酰胺基团和氢桥作为聚合物链之间的链接,因此名称越小,材料越硬,结晶度和熔点越高。”

她进一步描述了碳酰胺链越长,材料变得越易延展:

碳酰胺基团和与之相连的氢桥是聚合物链之间的连接,并具有晶体结构。它们还在材料的刚度和延展性中起作用。聚酰胺12在每11个亚甲基上具有碳酰胺基,其他聚酰胺相应于其名称中的数字。对于PA12,这些链节之间的距离较大且数量较小,因此,其延展性高于名称相同的其他聚酰胺。这些链接还具有良好的耐热性和耐化学性。”

具有两种不同数量的聚酰胺形式,例如尼龙6,6,是由具有该数目的碳的两种不同类型的单体单元组成。尼龙6,6由与己二酸单元相连的六亚甲基二胺单元组成,每个单元含六个碳。蒙斯海默这样说:

“如果名称包含一个数字,则该聚合物是由一个带有两个不同端基的结构单元制成的。不同的端基彼此相似并结合形成更长的链。名称中具有两个数字的聚酰胺由两个不同的结构单元制成,第一个包含两个相同的端基,另一个也包含相同的端基,但类型与第一个不同。同样,不同的端基彼此相似并结合,但这导致由两个交替的结构单元交替形成的聚合物链。您可以轻松地想象到,不同的大分子之间的晶体结构也不同。”

 

蒙斯海默说,端基在聚酰胺特别适合与添加剂一起使用的方式中也起着重要作用。

“每个聚酰胺链都包含两个不同的端基,原则上它们可以与其他添加剂反应。因此,聚酰胺可以比其他聚合物更好地官能化,这使其非常适合于改性和引入新特性。但是,许多典型的添加剂,例如稳定剂,润滑剂和流动剂,通常不会与它们改性的聚合物发生化学反应。”

图片由赢创提供。

材料的半结晶性质也很重要,因为尼龙的温度范围高于玻璃化转变温度,但低于其熔点,在该温度范围内机械性能具有延展性和稳定性。在许多应用程序中,这种行为是非常需要的。这也会影响哪种类型的青岛3D打印技术最适合处理尼龙。

尽管我们在熔融沉积建模(FDM)和类似的挤出3D打印技术中确实看到了很多尼龙,但这绝对是PBF工艺的主力聚合物。蒙斯海默解释说,这是由于以下事实:半结晶材料更适合作为整个PBF:

“ PBF技术通常在没有剪切力和压力的情况下工作(与注塑成型相比),并且要获得致密的零件,聚合物必须在其熔点(在这种情况下为结晶区域的熔点)之上显示出非常好的熔体流动性。 。这是半结晶材料提供的特性。此外,可以通过调整PBF应用的分子量和功能性来轻松微调这些材料。流动性好,因为它远高于玻璃化转变温度。另一方面,大多数PBF机器都有对加热室加热的限制,这限制了材料的选择。”

相反,无定形聚合物更适合FDM。

“无定形材料的熔点高于但接近其熔点(此处的熔点是玻璃化转变温度,接近该点会导致高粘度),但粘度更高。这使它的流动性太差,因此这类材料很少能够在基于粉末的增材制造工艺中构建具有良好机械性能的零件。” Monsheimer说。

正如我们在本系列以前的文章中所指出的,很明显,我们需要从基于化石燃料的社会转变为依赖可再生资源的社会。这种转变的一部分自然将包括可持续衍生的聚合物。蒙斯海默(Monsheimer)认为,要开发非石油生产的PBF工艺用聚合物,仍需做大量工作。