高分子材料加工成型技术及其应用

高分子材料加工成型技术及其应用

谭亮

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摘要：高分子材料是以高分子聚合物为基体，与助剂材料复合构成。根据高分子材料的来源不同，可将高分子材料分为天然高分子材料和合成高分子材料。由于天然高分子材料在某些性能上不能较好满足工业使用需求，根据应用需要生产合成高分子材料。通过对相关文献进行查阅，以高分子材料技术领域的FDM加工成型技术为研究对象，对其技术原理、优势、对高分子材料的要求进行了简要阐述，并对其在不同领域中的应用进行了深入分析，以期能够为FDM加工成型技术在实际工作中的应用提供一定理论支持。

关键词：高分子材料；加工成型；应用

引言

高分子材料主要指的是橡胶、塑料、纤维以及三者的衍生材料等，此类材料在现代工业生产中具有十分重要的价值与作用，在建筑、交通、航空、医疗等领域发挥着愈发重要的作用，并逐渐向着智能化、精细化的方向发展。高分子材料本身的性能以及价值与其加工成型技术存在十分密切的关联关系。在当前的技术背景下，比较常见的高分子材料加工成型技术主要包括挤出成型技术、注塑成型技术、压延成型技术、发泡成型技术、3D打印技术等，每种加工技术均存在独特的技术优势与缺陷。其中，在3D打印技术领域，FDM加工成型技术是其关键技术类型之一，在实际工作情境中，由于FDM加工成型技术具有成本较低、性能良好等优势，逐渐成为了最受工业生产领域欢迎的高分子材料加工成型技术。

1高分子材料概述

1.1高分子材料特点

高分子材料的特点与材料的组成结构、加工工艺等因素相关。高分子材料具有良好的绝缘性能、质量轻、易加工、耐腐蚀性、抗酸碱性。合成高分子材料相比于天然高分子材料具有更低的密度、更好的力学性能、较强的耐磨性、耐腐蚀性和电绝缘性能，在工业领域有广泛应用。

1.2高分子材料在工业设计中的优势

工业设计领域对材料的性能要求较高，除了要满足生产产品的基本性能外，还要具有易加工性等特点。高分子材料相比于其他材料在工业设计领域的优势包括：（1）力学强度高。高分子材料具有良好的抗断裂能力，由于高分子材料的分子间主链、分子间引力相互作用，能够承载较大的压力，增加高分子材料的耐磨损性能。（2）耐酸碱性。高分子材料对酸碱性的耐受程度较高，在工业设计及工业应用中适用范围比较广。（3）材料种类多样，能够满足不同的工业设计需求。

2FDM加工成型技术在不同领域中的应用

2.1FDM在导热领域中的应用

FDM加工成型技术在导热领域的应用是比较常见的。具体而言，散热片、热界面材料属于现代电子通信行业导热的关键设备，随着时代的发展，电子信息系统技术不断提高，在这一背景下，常规的模塑、热挤压之类的高分子加工成型工艺所制作的材料很难满足相关工作需求。而FDM加工成型技术能够在低成本支出的技术背景下，制作更加复杂的多功能结构，进而满足更加复杂的导热器件制备与应用需求。此外，FDM加工成型技术还能够对导热填料在制件中取向进行调控，强化复合材料的导热性能，进而制备具有可调的分层增强导热复合制件。在实际工作情境中，为了制备导热器材，相关技术人员需要往高分子基体中添加导热填料，其中的典型材料包括石墨烯、碳纳米管、铜等。但是，在FDM加工打印高导热率制件时，导热快的材料存在较高的传热速率，很容易导致制件精度受到严重影响，因此，需要采用复合导热丝条进行加工处理，比较常见的材料包括石墨烯/PLA复合材料等。

2.2FDM在电学领域中的应用

FDM加工成型技术在电学领域的应用也是比较常见的，已经有了数十年的发展时间。具体而言，相比于传统导电功能器件制造方法，FDM加工成型技术具有比较明显的技术优势，能够制造出具有一定复杂形状的导电功能器件。例如，通过挤出加工方法，分别制作了碳纳米管/聚对苯二甲酸丁二醇酯、石墨烯/PBT复合丝条，并对上述成品的导电性、稳定性、可打印性进行了全面分析，最终发现，碳纳米管/聚对苯二甲酸丁二醇酯的导电性、力学性能表现更为优异。结合FDM加工成型技术，完成了碳纳米管/PVDF有机挥发物传感器的制作工作，与传统技术相比，采取该方法制作的有机挥发物传感器花费的成本更低，同时其性能也相当优异，在后续试验中，对乙醇、苯等有机溶剂反应较为灵敏，能够很好地满足相关工作需求。结合FDM加工成型技术，采用碳纳米管/TPU复合丝条，完成了3D多轴力传感器的打印工作，并对该3D多轴力传感器的性能进行了综合测试，最终发现，采取FDM加工成型技术制作的该设备具有较为优秀的性能表现，能够测量来自三个方向的亚毫米级别的力变化。

2.3FDM在生物医学领域中的应用

FDM在现代生物医学领域中的应用是当前研究的热门方向之一，相当多的学者已经将FDM加工成型技术与医学领域中的诸多技术类别进行了有机结合，包括但不限于组织器官模型制备、组织工程支架制备等方面。具体而言，在传统的生物医学领域，每一名患者的具体情况基本都是不同的，彼此之间存在比较细微的差别，同时，人体对于医疗设备器材的安全性存在相当高的要求，这些因素综合导致传统技术背景下的医疗设备与器材制作一直都是生物医学领域的重要难点之一。FDM加工成型技术具有绿色无污染、加工过程可重复、能够满足复杂性结构材料设计需求等诸多优势，因此，FDM加工成型技术在现代生物医学领域中能够发挥出相当出色的价值与作用。当前，部分学者结合FDM加工成型技术，制备完成了医用级别的氧化石墨烯/TPU-PLA复合支架等。结合FDM加工成型技术，同时结合超临界二氧化碳发泡技术，制备了具有可控宏/微观孔梯度结构的生物支架，其大小孔的孔洞直径均能够满足基本工作需要。

3高分子材料在工业设计中的挑战和解决方案

高分子材料具有较好的可加工性能、生产成本低等特点，但部分高分子材料难以满足复杂工业设计，在加工时出现气泡、断裂、空隙等问题，造成产品不合格率较大，从而增加产品的生产成本，降低产品的生产效率。技术美学对高分子材料的颜色设计和质感有一定要求。近年来，基于技术美学通常选用着色容易、质感较好的高分子材料，能够实现对木材、石材、钢铁等贵重材料的仿制，进而实现工业设计的创新。一些高分子材料在生产加工过程中会添加或者产生有毒有害物质，对生态环境会造成破坏，甚至会损害生产加工人员身体；还有一些高分子材料具有难降解性特点，如果高分子材料没有被正确处理和回收，被废弃在生态环境中会对环境造成一定的危害。技术美学创新应用对高分子材料的性能有所要求，具有绿色、可降解性、可回收性的高分子材料是技术美学材料选用的必然趋势。未来高分子材料需要在生产加工阶段满足无害化、可生物降解性、环境稳定性、环境友好型等特点，也要利于回收循环使用。当前高分子材料的种类较多，部分高分子材料具有一定的优势，但某些应用中部分性能存在不足，可以对材料进行改性以提高性能。例如，通过高分子材料共混、复合等方式实现材料的性能互补，也可以通过接枝化学基团、加入添加剂等方式提升材料性能。另外，通过探究不同高分子基体、不同分子链组成方式，不同的加工工艺流程，生产具有优异性能的高分子材料。

结束语

当前我国的高分子材料加工技术已经达到了国际先进水平，在诸多领域的应用都相当广泛，其中，3D打印技术中的FDM加工成型技术表现尤为出色，本文以其为主要研究对象，发现该技术主要具有成本低、环保性强、应用范围广泛等重要优势。

参考文献

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