3D打印材料：3D打印橡膠材料介紹

魔猴君  知識堂   1879天前

一、橡膠材料簡介

“塑料、橡膠、纖維” 人們通常會從三大高分子材料之一的地位上來認(rèn)識橡膠其實較之塑料和纖維，橡膠還有更重要的地位:在四大工業(yè)基礎(chǔ)原料天然橡膠.煤炭.鋼鐵和石油中，天然橡膠是占有一席之地的，更重要的是，天然橡膠在四大原料之中,又是唯一的可再生資源。

橡膠是一類鏈骨架上含有多個未飽和的雙鍵的聚合物。這些雙鍵通常在氧、硫存在的情況下可以打開，在相鄰鍵之間形成交聯(lián)，因而具有其他材料所不具備的高彈性。橡膠可以從一些植物的樹汁中取得(如天然橡膠)，也可以是人造得到(如丁苯橡膠等)，而兩者均有相當(dāng)多的應(yīng)用產(chǎn)品，如輪胎、墊圈等。橡膠類材料顏色多為無色或淺黃色，加炭黑后顯黑色。不同的橡膠產(chǎn)品具備不同級別的彈性材料特征,這些材料所具備的硬度.斷裂伸長率.抗撕裂強度和拉伸強在有什北心江人工面業(yè)右潛術(shù)不軟力面的應(yīng)用領(lǐng)域。

橡膠的玻璃化溫度低于室溫。在通常溫度下，橡膠除了具備高彈性的典型特征外，同時還具有耐疲勞、電絕緣、耐磨、耐腐蝕、耐溶劑和不透氣、不透水等性能。人們在選擇與評價橡膠時通常最關(guān)心其力學(xué)指標(biāo)，主要包括硬度、彈性模量、抗拉強度、定伸強度、扯斷伸長率、撕裂強度、阿克隆磨耗等。值得一提的是，人類需求在橡膠工業(yè)的發(fā)展中同樣舉足輕重。

二、橡膠的性能

1.橡膠的性能指標(biāo)

(1)抗拉強度:試樣在被拉伸破壞時，原橫截面上單位面積上所受的力。雖然橡膠很少在純拉伸條件下使用，但是橡膠的很多其他性能(如耐磨性、彈性、蠕變性等)與該性能密切相關(guān)。

(2)扯斷伸長率:試樣在被拉伸破壞時，伸長部分的長度與原來長度的比值。

(3)定伸強度:試樣被拉伸規(guī)定伸長率(通常為100%、300%和500%)時，拉力與拉伸前試樣的截面積之比。

(4)硬度:是橡膠抵抗變形的能力的指標(biāo)之一。

(5)撕裂強度:試樣在單位厚度上所承受的負(fù)荷,用來表征橡膠耐撕裂性的好壞。

另外，還有許多其他性能指標(biāo)，如呵克隆磨耗回彈性、耐老化性壓縮永久變形、低溫特性等。

三、橡膠類材料在3D打印中的應(yīng)用

橡膠的種類繁多,不同的橡膠具有不同的特殊屬性，而不同橡膠的各種獨特屬性正好與3D打印的個性化設(shè)計思路致，可以賦予3D打印制品獨特的性能,因而受到了廣泛的關(guān)注。3D打印的橡膠類產(chǎn)品主要有消費類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備、衛(wèi)生用品以及汽車內(nèi)飾、輪胎、墊片、電線、電纜包皮和高壓、超高壓絕緣材料等。它們主要適用于展覽與交流模型、橡膠包裹層和覆膜、柔軟觸感涂層和方滑表面、 旋鈕、把手拉手、把手墊片、封條、橡皮軟管、鞋類等。

目前，橡膠類材料在3D打印中應(yīng)用非常泛，有機硅橡膠的使用最為普遍，有機硅橡膠是指分子主鏈以Si- 0鍵為主，側(cè)基為有機基團(主要是中基)的一類線形聚合物。 其結(jié)構(gòu)中既含有有機基團，又含有無機結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)使其成為兼具無機和有機的高分子彈性體。近年來,硅橡膠工業(yè)迅速發(fā)展，為3D打印材料的選擇提供了方便。有機硅化合物以及通過它們制得的復(fù)合材料品種眾多。性能優(yōu)異的不同有機硅復(fù)合材料,已經(jīng)通過3D打印在人們的日常生活中如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、個人護理及日用品、汽車及電子電氣工業(yè)等不同領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在3D打印領(lǐng)域,有機硅材料因為有其獨特的性能,成為醫(yī)療器械生產(chǎn)的首選。有機硅材料手感柔軟,彈性好，且強度較天然乳膠高。例如在醫(yī)療領(lǐng)域里使用的喉罩要求很高，罩體透明便于觀察,它必須能很好地插人到人體喉部，從而與口腔組織接觸;舒適并能反復(fù)使用,保持干凈清潔。

魔猴3D打印橡膠

首先,有機硅橡膠外觀透明，可以滿足各種形狀的設(shè)計;其次,它與人體接觸舒適，具有良好的透’氣性且生物相容性好，使人體不受感染，保持干凈清潔。

其次,它的穩(wěn)定性比較好，能反復(fù)進行消毒處理而不老化.因此已成為3D打印制備喉罩的首選。有機硅黏接劑是有機硅壓敏膠和室溫硫化硅橡膠。其中有機硅壓敏膠透氣性好，長時間使用不容易感染而且容易移除，可作為優(yōu)良的傷口護理材料。此外，有機硅橡膠還可以用于緩沖氣囊、柔軟劑、耐火保溫材料、絕緣材料、硅膠布等制品的生產(chǎn)。

魔猴3D打印橡膠

四、有機硅橡膠在3D打印領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，與其獨特的性能密切相關(guān)。

(1)低溫性能。

橡膠具有高彈性，在低溫環(huán)境下，由于橡膠分子的熱運動減弱,大分子鏈及分子鏈段被凍結(jié)，就會逐漸失去彈性。影響橡膠低溫性能的兩個重要因素是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶溫度。在月前所有的橡膠制品中，硅橡膠具有最低的玻璃化溫度。俄羅斯科學(xué)家用非結(jié)晶性硅橡膠制得了在一60“C、-90 C、-100 C和一120 C的低溫下，在空氣、惰性氣體和真空環(huán)境下能夠長期工作的橡膠制品，我國有機硅膠材料的最低使用溫度大多集中在一80 C以上，距國外水平還有很大差距。隨著對硅橡膠性能的研究,出現(xiàn)了最低使用溫度為一120 C至一90 C的乙基硅橡膠。各種硅橡膠的最低工作溫度:二甲基硅橡膠(MQ)-60 C,甲基乙烯基硅橡膠(MVQ)-70°C~-60 C,苯基硅橡膠一70 C,甲基苯基乙烯基硅橡膠100°C~-70C,甲基乙基硅橡膠一100 C,乙基硅橡膠一120C~一90。C，氟硅橡膠(FMVQ)-60C。

(2)高溫性能。

硅橡膠的熱氧老化過程主要有兩種：一種是主鏈的側(cè)基氧化分解，造成過度的交聯(lián)，使硅橡膠發(fā)脆發(fā)硬；二是主鏈斷裂，生成低分子環(huán)狀聚硅氧烷和直鏈低聚物，使硅橡膠發(fā)軟、發(fā)黏,這主要與其主鏈、側(cè)鏈基團、端基結(jié)構(gòu)及添加劑種類等密切相關(guān)。因此各國學(xué)者對此做了大量的研究，提出通過改變聚硅氧烷的主鏈和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)、使用新型的硫化體系、添加添加劑、添加硅氮類化合物來提高硅橡膠的耐熱、耐氧化性能。目前室溫硫化硅橡膠(RTV)已能夠在150。C的環(huán)境下連續(xù)長期工作,在200。C的環(huán)境下能夠連續(xù)工作10000h,甚至有些有機硅橡膠產(chǎn)品能夠在350。C的條件下進行短時間的工作。

(3)耐氣候性。

硅橡膠具有非常優(yōu)異的耐氣候性,對臭氧的老化作用不敏感,即使長時間在風(fēng)雨、紫外線等條件下暴露,其物理性能也不會受到實質(zhì)性的損傷。人們將硅橡膠、丁腈橡膠和丁苯橡膠起置于自然光下,觀察橡膠表面出現(xiàn)第一 道裂紋所需時間,結(jié)果發(fā)現(xiàn)，丁腈橡膠僅需半年到一年的時間，丁苯橡膠需要兩年到兩年半的時間,而硅橡膠則需要10年左右的時間。

(4)拒水性。

有機硅橡膠的拒水性能優(yōu)異，將其長時間浸泡在水中，只能吸收約1%的水分，并且不會對其機械性能及電學(xué)性能造成損傷。人們對硅橡膠進行水蒸氣實驗時發(fā)現(xiàn)，在正常的壓力下,水蒸氣不會對硅橡膠造成傷害，但是隨著壓力的增加，硅橡膠所受影響會越來越明顯。有數(shù)據(jù)表明:在高壓、150 C的條件下,聚硅氧烷分子鏈發(fā)生斷裂，硅橡膠的性能下降，這種情況可以通過選擇合適的中介物質(zhì)調(diào)整有機硅橡膠的結(jié)構(gòu)來改善，目前已有許多經(jīng)改性后的硅橡膠產(chǎn)品能夠經(jīng)受高溫蒸汽。

(5)抗腐蝕性。

有機硅橡膠有很好的抗油性,即使在高溫下，也能很好地抵抗油劑的侵蝕。在一些常見的有機橡膠中，丁腈橡膠和氯丁二烯橡膠在100 C以下也具有優(yōu)秀的抗油性,但是在更高的溫度下,有機硅橡膠能夠表現(xiàn)出比它們優(yōu)異的抗油特性。此外,有機硅橡膠還具有優(yōu)異的抗有機溶劑和化學(xué)試劑的能力，它基本不受極性有機溶劑的影響;在非極性有機溶劑中，硅橡膠會有膨脹的現(xiàn)象，但不像其他的有機橡膠會降解，當(dāng)硅橡膠離開這些溶劑后仍能恢復(fù)原樣。有機硅橡膠對酸的抵抗力差,使用時應(yīng)注意。