摘要
3D打印技术具有制造效率高、可扩展性强、成本低等优点，在进行配置各种打印墨水时具有很大的灵活性，不会受到打印材料种类等因素的制约。水性聚氨酯(WPU)作为一种环境友好型的高分子树脂，与众多填料都有较好的相容性，易于改性，与合适的导电填料复合可以赋予其导电能力。将WPU基柔性导电复合材料应用于直写式3D打印领域，研究3D打印柔性导电复合材料的性能，探索3D打印工艺,可以解决打印材料灵活性受限问题，拓宽其在柔性电子领域的应用。 本课题以WPU为基体，利用表面改性和分散技术对导电填料石墨烯(GR)、炭黑(CB)进行改性处理，制备直写式3D打印用WPU基柔性导电复合材料，研究不同含量GR、CB对复合材料力学性能及导电性能的影响;结合单因素和正交实验考察3D打印工艺参数对WPU复合材料制件力学性能和导电性能的影响。 (1)通过选取不同的分散剂对GR进行非共价键功能化改性，确定最佳分散剂以制备稳定的GR分散液。结果表明，聚乙烯醇(PVA)水溶液对GR的分散能力强，明显提高了GR和WPU的相容性;采用硅烷偶联剂(KH550)对CB进行共价键功能化改性，通过红外光谱(FTIR)、粒径测试(DLS)和扫描电镜(SEM)表征改性前后的CB。DLS结果表明，经过KH550改性得到的CB粒子，平均粒径约为620nm,粒径分布在400-900nm之间，比未改性CB分布较窄，分散性得到了提高;通过对改性前后CB的FTIR图对比分析证明CB改性成功;SEM结果显示经过KH550改性后的CB大部分为分散均匀的单个粒子，排列规整，团聚较少，分散性较好。 (2)制备水性聚氨酯/石墨烯(WPU/GR)柔性导电复合材料，研究分析GR对复合材料的力学性能及导电性能的影响。性能测试结果发现，当未添加分散剂且GR含量为2％时，WPU/GR柔性导电复合材料的电导率为2.6×10-7S/m。当GR通过PVA分散后，考察发现WPU∶PVA水溶液质量比为80∶20时，WPU/GR柔性导电复合材料的电导率为4.5×10-5S/m,较未加分散剂的复合材料提高了两个数量级;复合材料的拉伸强度较未加分散剂的增加了116％;热重测试结果表明复合材料热稳定性比纯WPU提高54℃,GR的加入可以明显提高WPU的耐热性能。 制备水性聚氨酯/炭黑(WPU/CB)柔性导电复合材料，研究CB对复合材料的力学性能及导电性能的影响，并探索复合材料的导电机理。当CB未改性且含量为3％时，WPU/CB柔性导电复合材料的电导率为1.16×10-4S/m。CB经KH550改性后，WPU/CB柔性导电复合材料的电导率为1.79×10-3S/m,比未改性复合材料增加了10倍;当CB含量为2％时，复合材料的拉伸强度比未改性复合材料增加了175％;热重测试结果表明，复合材料热稳定性比纯WPU提高65.1℃，CB的加入明显提高了WPU的耐热性能。 (3)探索直写式3D打印WPU基柔性导电复合材料的工艺参数。利用单因素实验，通过控制单一变量，探究不同工艺参数(壁厚、封闭面厚度、填充率、打印速度)对试样导电性及力学性能的影响。以复合材料的导电性能和力学性能为考察指标，通过正交实验确定最佳参数水平组合，达到优化制件性能的目的。综合实验得出，在设定边缘宽度为0.8mm,封闭面厚度为0.8mm,填充率为80％,打印速度为60mm/s的条件下，直写3D打印的WPU基柔性导电复合材料具有良好的导电性能及力学性能。并在此基础上,对比传统方法成型与3D打印成型WPU基柔性导电复合材料的导电性能。研究发现，3D打印的WPU基柔性导电复合材料的电导率比传统方法制备的复合材料的电导率更加优异，其中WPU/CB柔性导电复合材料的电导率较传统方法提高了1～2个数量级。
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