非溶剂致相分离3D打印聚合物的成型工艺及应用研究
3D打印作为智能制造领域的研究热点，具有近净成型、个性化定制等特点。目前聚合物3D打印技术主要存在以下局限性，如打印耗材有限，难以成型热固性材料、熔融温度高于分解温度的材料，成型耐高温的聚合物材料需要使用大功率的加热器对喷头和成型平台加热，提高了设备和加工成本。 针对聚合物3D打印技术存在的局限性，提出了一种非溶剂致相分离3D打印成型工艺，可在常温下实现对耐高温材料——聚醚酰亚胺(PEI)的高精度、低成本3D打印成型。该工艺可通过3D打印个性化定制宏观孔结构，非溶剂致相分离形成微观多孔，实现宏/微复合级多孔结构的成型，这类结构被广泛的应用于医用植入的骨组织工程支架。具体研究内容和结果如下: (1)设计搭建了湿度可控的气辅式3D打印机，实现了常温下、高精度、低成本3D打印PEI，制备了有利于成型的聚醚酰亚胺(PEI)/N-甲基吡络烷酮(NMP)打印浆料，探究了打印速度、打印环境相对湿度、打印层高等工艺参数对成型质量的影响。最优的工艺参数:喷头直径0.60mm、打印速度10mm/s、挤出压力0.4MPa、环境相对湿度65～70％RH、层高0.48mm，基于该参数成型了质量好、精度高的PEI坯体。 (2)探究了PEI坯体溶剂脱除工艺路线，验证了非溶剂致相分离和加热干燥可完全脱除PEI坯体中的NMP。成型后PEI制品的收缩率随加热干燥的温度升高而增大。非溶剂的置换速率越快，收缩率越小，水为非溶剂时收缩率为14.9％，乙醇为非溶剂时收缩率为20％;非溶剂置换速率越慢，制品拉伸强度越大。基于该工艺成型了PEI宏观/微观复合级多孔结构支架，宏观孔隙长为500～550μm，宽为470～510μm，孔隙率的范围为57％～61％。微观孔径主要分在20μm以下，所得到的孔径和孔隙率符合骨组织工程支架的要求，有利于细胞的黏附与生长。 (3)成型了HA/PEI骨组织工程支架，增强了宏/微观复合多孔结构支架的力学性能和生物相容性，对宏观孔、微观孔、亲水性以及力学性能进行了探究，研究表明:HA的添加提高了HA/PEI复合材料的亲水性。HA/PEI多孔支架的宏观孔径为450～550μm，形成相互通透的孔结构，符合骨组织工程支架的要求;HA添加比例对拉伸强度的影响呈现出先增加后减少的趋势;制品的弹性模量随HA比例的增大而增大，所成型制品的力学性能符合人体松质骨的要求，可用于骨承重中，在骨组织工程支架中具有广泛的应用。
聚合物;3D打印;非溶剂致相分离;复合多孔结构;聚醚酰亚胺;成型工艺
北京化工大学
硕士
机械工程
张莉彦
2021
中文
TQ317;TP391.73
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）