环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的线型有机高分子化合物。它可以与多种固化剂发生交联反应,形成具有不溶不熔性质的三维网状聚合物。实现环氧树脂及其复合材料的3D打印意义重大。首先对于环氧树脂的应用而言,3D打印可以使得其脱离模具成型,实现较高精度的结构设计,大大缩短了环氧基产品的研发周期;对于3D打印技术而言,成功打印环氧树脂将大大推动3D打印技术在相关工业领域的实际应用。
环氧树脂具有诸多优异的性能:
- 环氧树脂含有较多极性基团,固化后分子结构较为紧密,所以固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能;
- (2)环氧树脂的固化反应是通过直接加成来进行的,没有挥发性副产物放出,因此在固化过程中只显示出很低的收缩性;
- (3)由于环氧树脂中固有的极性羟基和酿键的存在,使其对于各种物质具有突出的粘附力;
- (4)另外其化学稳定性极佳,耐碱耐酸耐溶剂,还具有良好的尺寸稳定性和耐久性等等。由于以上特点,环氧树脂已成为聚合物基复合材料的主要基体之一,被广泛应用于机械、电机、化工、航空航天、船舶、汽车、建筑等工业部门。



常规情况下,环氧树脂为流动性较好的液体树脂,固化方式多为热固化,固化反应时间相对较长。这些特点使环氧树脂无法实现快速的形状固定,所以需要设计模具对其形状进行约束,然后进行热固化,来达到特定形状的成型。为了实现环氧树脂的3D打印,首要条件就是要让它在不借助模具等外在约束的情况下能固定住预先设定的形状。
有两种可行的方案:
一、利用光固化反应对树脂进行预固化定型,具体做法是将环氧树脂和丙烯酸酯按照一定的比例共混,使其能像光敏树脂一样通过吸收特定波长的光实现快速固化定型,而照射光的形状即其固化的形状,之后再用常规的热固化使其反应完全;
二、类似熔融沉积的方式,改变环氧树脂的流变特征,使其在静置状态下不发生流动或较大变形,然后通过挤出系统挤出环氧的线材填充预设的形状。后者常用于调节流变性能的方法,是在环氧树脂中混入颗粒物,其中尤以纳米颗粒的改性效果突出,如纳米黏土、纳米二氧化硅颗粒、碳纳米管等等,使得环氧呈现凝胶状态。这两种方法对比,从考虑力学性能的角度出发,第二种方法更值得研宄和推广,因为它实现起来更容易,不涉及复杂的高分子化学过程,另外纳米颗粒除了调节流变性能,也能对环氧起到增强的作用但是现阶段的研究往往只关注某种纳米颗粒的含量带来的影响,对于纳米颗粒的挑选原则以及改性机理的研宄甚少;再者缺乏对于流变参数与实际打印的效果之间关系的认识;还有对打印件力学性能也缺乏全面的认知。