Materiali, ki zavirajo gorenje, za 3D-tiskanje: Kako uravnotežiti tiskanje, medplastno adhezijo in stopnjo zaviranja gorenja

Tehnologija 3D-tiskanja je v zadnjih letih doživela hiter razvoj in se široko uporablja na številnih področjih, kot so vesoljska in vesoljska industrija, avtomobilska industrija in elektronika. Z nenehnim širjenjem scenarijev uporabe so zahteve glede zmogljivosti materialov za 3D-tiskanje postale vse strožje. Med njimi je negorljivost postala nepogrešljiv ključni kazalnik v številnih scenarijih uporabe, kot so ohišja elektronskih naprav in notranjost letal, kjer veljajo strogi standardi glede požarne varnosti materialov. Vendar pa si prizadevamo za... negorljivo Kako zagotoviti, da imajo materiali dobro tiskanje in odlično medplastno adhezijo, je postal velik izziv, s katerim se soočajo raziskovalci materialov. Tiskanje neposredno vpliva na gladkost tiskarskega procesa in učinkovitost tiskanja, medtem ko je medplastna adhezija povezana z mehanskimi lastnostmi in strukturno celovitostjo tiskanih izdelkov.

Pregled načel tehnologije 3D-tiskanja in značilnosti materialov

Načela tehnologije 3D-tiskanja

3D-tiskanje, oziroma aditivna proizvodnja, je tehnologija, ki konstruira tridimenzionalne predmete z zlaganjem materialov plast za plastjo na podlagi digitalnih modelov. Med pogoste tehnologije 3D-tiskanja spadajo modeliranje s taljenjem (FDM), stereolitografija (SLA), selektivno lasersko sintranje (SLS) itd. Vzemimo za primer tehnologijo FDM. Njen delovni postopek je segrevanje in taljenje nitastega materiala, njegovo iztiskanje skozi šobo in zlaganje plast za plastjo po vnaprej določeni poti, da se končno oblikuje tridimenzionalna entiteta. To tehnično načelo določa, da mora imeti material dobro tekočnost, da se po segrevanju lahko gladko iztisne. Hkrati je potrebno, da so plasti med postopkom hlajenja in strjevanja tesno povezane, da se zagotovi trdnost izdelka.

Zahteve glede zmogljivosti materialov za 3D-tiskanje

Idealni materiali za 3D-tiskanje morajo imeti številne odlične lastnosti. Poleg zgoraj omenjene tiskljivosti in medplastne adhezije morajo imeti tudi ustrezne mehanske lastnosti, dimenzijsko stabilnost, kemijsko stabilnost itd. Pri materialih, ki zavirajo gorenje, negorljivo Ocena ognjevarnosti mora izpolnjevati ustrezne standarde, kot so UL94 V-0, V-1 itd. Različni scenariji uporabe imajo različen poudarek na teh lastnostih. Na primer, na področju vesoljske in letalske industrije se od materialov ne zahteva le izjemno visoka stopnja ognjevarnosti, temveč tudi stroge zahteve glede lahkosti, visoke trdnosti in odpornosti na ekstremne okoljske vplive. Na področju elektronskih potrošniških izdelkov se več pozornosti posveča videzu, kakovosti, stroškom in združljivosti materialov z elektronskimi komponentami.

Dejavniki, ki vplivajo na tiskanje, in rešitve

Vpliv materiala Značilnosti fluidnosti

1. Molekularna struktura in molekulska masaMolekularna struktura in molekulska masa materialov neposredno določata njihovo fluidnost. Na splošno imajo materiali z linearno molekulsko strukturo boljšo fluidnost kot tisti z razvejano ali zamreženo strukturo. Kot primera vzemimo običajna materiala za 3D-tiskanje, polilaktično kislino (PLA) in akrilonitril-butadien-stiren kopolimer (ABS). Molekularna veriga PLA je relativno pravilna, porazdelitev molekulske mase pa ozka, kar kaže na dobro fluidnost v staljenem stanju. Zaradi prisotnosti butadienske kavčukove faze v molekularni verigi ima ABS relativno kompleksno molekularno strukturo in relativno slabo fluidnost. Za izboljšanje fluidnosti ABS je mogoče prilagoditi njegovo molekularno strukturo, na primer z nadzorom vsebnosti in porazdelitve kavčukove faze s specifičnim postopkom polimerizacije ali dodajanjem izboljševalcev fluidnosti.
2. Vloga aditivovPri materialih, ki zavirajo gorenje, vrsta in odmerek dodatkov pomembno vplivata na fluidnost. Na primer, dodajanje maziv lahko zmanjša trenje med molekulami in s tem izboljša fluidnost materialov. Pogosta maziva vključujejo stearinsko kislino in njene soli, parafin itd. Vendar pa se pri dodajanju zaviralcev gorenja situacija zaplete. Številni zaviralci gorenja, kot so nekateri anorganski zaviralci gorenja, zaradi velike velikosti delcev in slabe združljivosti z matrico povečajo viskoznost taline materialov in zmanjšajo fluidnost. Da bi rešili to težavo, lahko zaviralce gorenja površinsko obdelamo. Na primer, za modifikacijo površine anorganskih zaviralcev gorenja se lahko uporabijo vezivna sredstva, s čimer se njihova površinska energija naredi podobna energiji matrice, s čimer se izboljša njihova disperzibilnost v matriki in zmanjša negativni vpliv na fluidnost.

Vpliv in optimizacija parametrov tiskarskega procesa na fluidnost

3. temperatureTemperatura tiskanja je ključni procesni parameter, ki vpliva na fluidnost. Zvišanje temperature lahko zmanjša viskoznost taline materiala in poveča njegovo fluidnost. Vendar pa lahko previsoka temperatura povzroči razgradnjo in oksidacijo materiala, kar vpliva na delovanje izdelka. Za različne materiale, ki zavirajo gorenje, je treba optimalno temperaturno območje tiskanja določiti s poskusi. Na primer, za materiale PA66, ki vsebujejo halogen, ki zavirajo gorenje, je lahko optimalna temperatura tiskanja med 260 in 280 ℃. V tem temperaturnem območju se ne le zagotovi, da fluidnost materiala ustreza zahtevam tiskanja, temveč se tudi prepreči razgradnja zaviralcev gorenja in poslabšanje delovanja materiala.
4. tiskanje HitrostMed hitrostjo tiskanja in pretočnostjo obstaja vzajemna omejitev. Ko je hitrost tiskanja prehitra, material teče in je nagnjen k težavam, kot so zamašitev šob in prekinjene črte. Ko je hitrost tiskanja prepočasna, to vpliva na učinkovitost tiskanja. Zato je treba hitrost tiskanja ustrezno prilagoditi pretočnosti materiala in delovanju tiskarske opreme. Na splošno velja, da je pri materialih, ki zavirajo gorenje in imajo slabo pretočnost, mogoče hitrost tiskanja ustrezno zmanjšati, da se zagotovi enakomerno ekstrudiranje in oblikovanje materiala.

Metode in strategije za izboljšanje medplastne adhezije

Izbira materiala in optimizacija formule

5. Uporaba kompatibilizatorjevV sistemu materialov, ki zavirajo gorenje, večfaznega sistema je združljivost med različnimi fazami ključnega pomena za medplastno adhezijo. Na primer, v kompozitnem sistemu PLA in zaviralcev gorenja je združljivost slaba, ker je PLA polarni polimer, nekateri anorganski zaviralci gorenja pa so nepolarni, kar ima za posledico nezadostno medplastno adhezijo. V tem primeru lahko dodamo kompatibilizatorje za izboljšanje medplastne združljivosti. Na primer, pri polimerih, cepljenih z maleinskim anhidridom (kot je polipropilen, cepljen z maleinskim anhidridom, MAH-PP), lahko en konec skupine maleinskega anhidrida reagira z aktivnimi mesti na površini anorganskih zaviralcev gorenja, drugi konec segmenta polipropilenske verige pa ima dobro združljivost z matrico PLA, s čimer se poveča medplastna vezavna sila in izboljša trdnost medplastne vezi.
6. Vloga utrjevalnih sredstevDodajanje kaljev lahko ne le izboljša žilavost materialov, temveč tudi do določene mere poveča medplastno adhezijo. Za primer vzemimo kaljeva sredstva na osnovi kavčuka. V materialu tvorijo dispergirano fazo. Ko je material izpostavljen zunanjim silam, lahko delci kavčuka sprožijo srebrne proge in strižne pasove, ki absorbirajo energijo. Hkrati lahko ti delci kavčuka igrajo tudi vlogo mostu za izboljšanje interakcije med plastmi. Dodajanje nitril butadienskega kavčuka (NBR) kot kaljeva sredstva v negorljivih ABS materialih lahko znatno izboljša medplastno adhezijo materialov, zaradi česar je tiskani izdelki težko podvrženi medplastnemu luščenju, ko so izpostavljeni udarcu.

Vpliv in nadzor procesa tiskanja na medplastno adhezijo

7. Nadzor debeline plastiDebelina sloja je eden pomembnih dejavnikov, ki vplivajo na medplastni oprijem. Tanjša debelina sloja lahko poveča kontaktno površino med sloji in s tem izboljša medplastni oprijem, vendar bo povečala čas tiskanja in stroške. Prevelika debelina sloja bo oslabila medplastni oprijem in zmanjšala mehanske lastnosti izdelka. Na splošno je treba za izdelke, ki zavirajo gorenje in imajo visoke zahteve glede mehanskih lastnosti, izbrati manjšo debelino sloja, na primer 0.1–0.2 mm. Za nekatere izdelke z nizkimi zahtevami glede videza in preproste strukture se lahko debelina sloja ustrezno poveča, da se izboljša učinkovitost tiskanja.
8. Pot tiskanja in stopnja prekrivanjaRazumna pot tiskanja in ustrezna stopnja prekrivanja lahko učinkovito izboljšata oprijem med plastmi. Zasnova poti tiskanja se mora izogibati ostrim vogalom in prekinjenim linijam, da se zagotovi enakomerna porazdelitev in dobro zlitje materiala med postopkom ekstrudiranja. Stopnja prekrivanja se nanaša na stopnjo prekrivanja med sosednjimi ekstrudiranimi linijami in na splošno je priporočljivo, da je stopnja prekrivanja med 10 % in 20 %. S prilagajanjem stopnje prekrivanja je mogoče optimizirati učinek vezave med plastmi ter izboljšati trdnost in kakovost površine izdelka.

Uresničitev in izboljšanje stopnje ognjevarnosti

Vrste zaviralcev gorenja in njihovi mehanizmi delovanja

9. Zaviralci gorenja na osnovi halogenaHalogeni zaviralci gorenja so razred široko uporabljenih zaviralcev gorenja, njihov glavni mehanizem delovanja pa je, da se med procesom gorenja sproščajo atomi halogena (kot sta brom in klor), ki reagirajo s prostimi radikali v plamenu in zavirajo reakcijo gorenja. Na primer, dekabromodifenil eter (DBDPO) se pri visokih temperaturah razgradi in tvori proste radikale broma. Prosti radikali broma se v plamenu združujejo s prostimi radikali vodika in prostimi radikali kisika ter tvorijo stabilne vodikove halogenide, s čimer prekinejo verižno reakcijo gorenja. Vendar pa halogeni zaviralci gorenja pri gorenju proizvajajo strupene in škodljive pline, ki škodujejo okolju in zdravju ljudi, zato je njihova uporaba do neke mere omejena.
10. Zaviralci gorenja na osnovi fosforjaMehanizem delovanja zaviralcev gorenja na osnovi fosforja je relativno kompleksen in vključuje predvsem zaviranje gorenja v plinski fazi in zaviranje gorenja v kondenzirani fazi. V plinski fazi lahko fosforjeva kislina, metafosforjeva kislina itd., ki jih razgradijo zaviralci gorenja na osnovi fosforja, spodbudijo dehidracijo in karbonizacijo gorljivih snovi, pri čemer se tvori ogljikova plast s toplotnoizolacijskimi in kisikovoizolacijskimi učinki, s čimer se prepreči širjenje gorenja. V kondenzirani fazi lahko prosti radikali, ki jih razgradijo zaviralci gorenja na osnovi fosforja, ujamejo aktivne proste radikale v plamenu in zavirajo reakcijo gorenja. Med običajne zaviralce gorenja na osnovi fosforja spadajo fosfatni estri, fosfonatni estri itd., kot so trikrezil fosfat (TCP), rezorcinol bis(difenil fosfat) (RDP) itd.
11. Anorganski zaviralci gorenjaAnorganski zaviralci gorenja, kot sta aluminijev hidroksid (ATH) in magnezijev hidroksid (MDH), imajo učinek zaviranja gorenja predvsem na absorpciji toplote med razgradnjo pri segrevanju in vodni pari, ki nastane pri razgradnji, ki razredči koncentracijo gorljivih plinov in kisika. Vzemimo za primer ATH. Razgrajuje se pri 200–300 ℃, absorbira veliko količino toplote in hkrati proizvaja vodno paro, kar znižuje temperaturo in koncentracijo kisika v območju zgorevanja, s čimer doseže namen zaviranja gorenja. Anorganski zaviralci gorenja imajo prednosti netoksičnosti, brezdimnosti in varstva okolja, vendar zaradi velike količine dodanega materiala močno vplivajo na mehanske lastnosti in predelovalne lastnosti materialov.

Izgradnja sinergističnega Negorljivo sistemi

Da bi izboljšali stopnjo negorljivosti in hkrati zmanjšali negativni vpliv zaviralcev gorenja na druge lastnosti materialov, se pogosto uporabljajo sinergistični sistemi zaviralcev gorenja. Sinergistično zaviranje gorenja se nanaša na kombinirano uporabo dveh ali več zaviralcev gorenja z različnimi mehanizmi delovanja. Z njihovo medsebojno interakcijo se ustvari sinergistični učinek, s čimer se izboljša učinkovitost zaviralcev gorenja in zmanjša skupna količina dodanih zaviralcev gorenja. Na primer, kombiniranje zaviralcev gorenja na osnovi fosforja in zaviralcev gorenja na osnovi dušika. Zaviralci gorenja na osnovi fosforja igrajo vlogo v kondenzirani fazi pri spodbujanju karbonizacije, zaviralci gorenja na osnovi dušika pa v plinski fazi ustvarjajo negorljive pline, ki razredčijo koncentracijo gorljivih plinov. Oba delujeta sinergistično in dobre učinke zaviranja gorenja je mogoče doseči z manjšo dodano količino. Drug primer je, da se v nekaterih visokozmogljivih materialih, ki zavirajo gorenje, anorganski zaviralci gorenja kombinirajo z organskimi zaviralci gorenja. Uporaba okoljskih lastnosti anorganskih zaviralcev gorenja in visoko učinkovitih lastnosti organskih zaviralcev gorenja za doseganje dopolnilnih prednosti in izboljšanje celovite učinkovitosti materialov.

Izzivi in ​​protiukrepi za uravnoteženje celovite uspešnosti

Pri dejanskih raziskavah, razvoju in proizvodnji materialov, ki zavirajo gorenje, za 3D-tiskanje ni enostavno hkrati uravnotežiti tiskanja, medplastne adhezije in stopnje zaviranja gorenja, zato se pogosto soočamo s številnimi izzivi. Na primer, izboljšanje stopnje zaviranja gorenja lahko zahteva povečanje količine zaviralcev gorenja, vendar bo to povzročilo povečanje viskoznosti taline materiala, slabo tekočnost in lahko vpliva tudi na medplastno adhezijo. Ukrepi za izboljšanje tekočnosti, kot sta zvišanje temperature ali dodajanje maziv, lahko negativno vplivajo na delovanje zaviralcev gorenja in medplastno adhezijo.

Za reševanje teh izzivov so potrebne sistematične rešitve. Prvič, v fazi načrtovanja formule materiala se s pomočjo velikega števila poskusov in teoretičnih izračunov optimizirajo vrste in deleži različnih komponent, kot so zaviralci gorenja, dodatki in matrični materiali, da se najde najboljša točka ravnovesja zmogljivosti. Drugič, v kombinaciji z naprednimi tehnologijami priprave materialov, kot sta nanotehnologija in tehnologija mikroenkapsulacije, se zaviralci gorenja in dodatki modificirajo in obdelajo, da se izboljša njihova disperzibilnost in združljivost v matriki ter zmanjša negativen vpliv na druge lastnosti materiala. Poleg tega se z uporabo tehnologije simulacije večfizikalnega spenjanja polj izvajajo poglobljene raziskave o optimizaciji parametrov tiskarskega procesa za napovedovanje sprememb pretoka, strjevanja in zmogljivosti materialov pri različnih procesnih parametrih, kar zagotavlja znanstveno podlago za dejansko tiskanje.

zaključek

Raziskave in razvoj materialov, ki zavirajo gorenje, za 3D-tiskanje so kompleksen in sistematičen projekt, ki zahteva občutljivo ravnovesje med tiskanjem, medplastno adhezijo in stopnjo zaviranja gorenja. Z globokim razumevanjem značilnosti materialov, procesa tiskanja in mehanizma delovanja zaviralcev gorenja ter z uporabo razumne izbire materialov, optimizacije formul, nadzora procesa in sinergijskih strategij zaviranja gorenja je mogoče učinkovito izboljšati celovito delovanje materialov, ki zavirajo gorenje, da bi zadostili naraščajočim potrebam različnih področij za 3D-tiskane izdelke. Z nenehnim razvojem znanosti o materialih in tehnologije 3D-tiskanja se pričakuje, da se bo v prihodnosti razvilo več visokozmogljivih in večnamenskih materialov, ki zavirajo gorenje, kar bo še razširilo področje uporabe tehnologije 3D-tiskanja in spodbudilo inovativen razvoj sorodnih industrij.

Za več informacij o izbiri materialov, ki zavirajo gorenje, za 3D-tiskanje: kako uravnotežiti tiskanje, medplastno adhezijo in stopnjo zaviranja gorenja, lahko obiščete spletno stran DeepMaterial na naslovu https://www.epoxyadhesiveglue.com/category/epoxy-adhesives-glue/ za več informacij.