（一）课题来源与背景 项目名称：绿色环保型高性能聚丙烯酸酯树脂类3D打印材料的研制 项目编号：2015A010104003 项目合同起止时间：2014年12月1日－2016年12月1日 项目负责人：聂建华，身份证：36233019800320459X 主要研究人员：杨卓如、李志锐、陈增标、吴皎皎、戴春桃、王俊 项目管理单位：广东省科学技术厅 项目承担单位：中山职业技术学院 主管部门：中山市科学技术局 项目协作单位：华南理工大学 。

    （二）技术原理及性能指标 （1）本项目主要研究开发内容有：本项目通过建立相关成型模型，研发基于含羧基丙烯酸树脂为的高性能3D打印材料： ①采用无皂水相悬浮聚合法制备含羧基丙烯酸共聚树脂，并将其作为3D打印用粉末材料的主要成分，以水为粘接浴液。 ②构建一种基于多孔介质流变行为的多因素复杂耦合模型，研究粘接溶液与粉末材料的作用过程及其对3D打印效果的影响机制。 ③以该模型为指导，优化并获得树脂最佳合成工艺参数和最佳打印参数，使得成品的强度和硬度满足工业应用要求。 （2）技术路线及可行性分析如下： ①采用悬浮聚合法制备含羧基丙烯酸树脂，通过改变合成工艺条件来调节树脂的羧基含量、分子量及分布，并研究水分子与树脂的作用行为及其对3D打印效果的影响机制。 ②对于水滴撞击树脂的行为可简化成液滴撞击平板的过程，运用高速摄像仪研究水滴撞击粉末层的运动规律，结合相关参数的数值理论分析，控制水滴平稳地撞击于层面并且迅速形成水膜，避免出现溅射或破坏等现象。 ③对于水滴在树脂粉末上的润湿、铺展以及再融合过程，采用高速照相机研究水滴冲击的初始状态，并利用显微镜和频闪技术观测水滴在粉末层上的铺展，用能量转化的观念建立液滴铺展过程的理论过程。 ④对于水滴在树脂粉末内部的渗透过程，将该过程简化假定水分子在多孔介质中的不饱和流动满足Darey定律；通过观察Re等参数对打印效果的影响规律，获得渗透过程的运动规律。 ⑤利用各技术手段对实体成品的微区形貌等进行表征，考察各因素对粘结强度和打印精度的影响规律，建立具有普遍指导意义的3D打印成型模型，并获得树脂最佳合成工艺参数和最佳打印参数。

    （三）技术的创造性与先进性 本项目预期的研发内容和目标已经基本完成，达到了预期成效： （1）采用无皂水相悬浮聚合法，分别考察了丙烯酸酯单体配比、反应体系单体浓度、引发剂浓度、聚合温度、滴定时间、搅拌强度等因素对丙烯酸酯树脂水溶解率、单体转化率树脂分子量的影响，成功制备了含有一定数量羧基的丙烯酸树脂，并将其作为3D打印用粉末材料的主要成分。 （2）以含羧基丙烯酸树脂为粉末成型材料、去离子水作为粘接溶液；构建基于多孔介质流变行为的多因素复杂耦合水滴渗透数学模型，着重研究了液滴的形成、液滴与介质表面的交互作用，系统分析了液滴与介质表面的冲击、铺展、润湿和渗透的交互作用机理，为3D打印专用设备设计（如打印喷头结构的设计）、打印材料的制备合成工艺优化、打印参数的设置提供最基础的理论依据。 （3）以理论为指导，优化并获得树脂最佳合成工艺参数和最佳打印参数，使得成品的强度和精度满足工业应用要求： a）以丙烯酸树脂/石膏粉末复配作为粉末成型材料，采用均匀试验设计对复合粉末的配方进行研究，获得了最佳配方的打印材料；同时总结了在研究粉末打印成型过程中遇到的问题，并对打印器件出现的缺陷及其原因进行了分析。 b）采用单体预乳化核壳乳液工艺制得含有一定数量羧基的分子量较高的聚丙烯酸树脂乳液；然后将其吸附于硫酸钙等无机化合物粉末中，从而制得兼具无机氧化物的高结构强度和聚合物的高柔韧性的3D打印材料。 c）利用原位聚合法，将丙烯酸酯单体在蒙脱石层间发生自由基聚合，从而制备出有机-无机杂化的蒙脱石/聚丙烯酸酯；将其作为3D打印材料，能够打印制造出兼具优异机械性能和柔韧性的实体成品，基本满足目前工业应用要求。

    （四）技术的成熟程度，适用范围和安全性 本项目研发成果所处阶段：初期阶段（即实验室、小试等初期阶段的研究成果）；使用范围广，绿色环保无污染、安全性好。本项目所研制的高性能3D打印材料可以与国外同类产品的性能相当，但价格只有同类进口产品的50~70%，完全可以取代国外产品，填补国内的空白。

    （五）应用情况及存在的问题 由本项目所制备的打印材料通过3D打印机打印获得的实体成品的力学机械性能，基本满足目前工业应用要求，在江苏海明斯纳米新材料科技有限公司、江苏天智新材料科技有限公司等公司试用，反响不错，说明本项目科研成果具备较高的经济和社会效益。 本研究根据推导的水滴/粉末层渗透率参数估计模型还不够精确，因此本课题组接下来进一步研究的着重点在于如何更加精准的描述粉末层中材料的分形特征参数，从而获取更精准的机械力学性能预测。