聚合物分子量对通过热诱导相分离法制备的聚酰胺-12粉末的结构和性能的影响（这些粉末用于选择性激光烧结）

《Powder Technology》：Effect of polymer molecular weight on structure and properties of polyamide-12 powders for selective laser sintering prepared via thermally induced phase separation

研究不同分子量PA-12与NMP的热行为及TIPS法制备粉末特性，发现分子量增加使颗粒尺寸、密度和流动性提升，结晶结构转为γ型，首次绘制准平衡相图，并确定最佳激光扫描速度，为SLS工艺优化提供依据。

　　选择性激光烧结（SLS）作为一种广泛应用的增材制造技术，其核心在于使用特定的聚合物粉末作为材料。其中，聚酰胺-12（PA-12）粉末因其优异的性能而成为SLS中最常用的原料之一。PA-12粉末通常具有中等粒径，大约在50微米左右，其制备方法主要包括研磨和热诱导相分离（TIPS）两种方式。TIPS方法通过将聚合物与低分子量物质（如溶剂）在高温下形成均匀的混合物，随后冷却以实现相分离，从而生成具有多孔结构的粉末材料。这种方法的优势在于能够形成球形或近似球形的颗粒，但同时也导致粉末的密度降低和制品的孔隙率增加。尽管如此，目前大多数商业化的SLS用PA-12粉末仍然采用TIPS方法制备。

本研究旨在探讨PA-12分子量（MW）对通过TIPS方法制备的粉末结构和性能的影响。通过分析不同分子量的PA-12与N-甲基吡咯烷酮（NMP）混合物的热行为，我们首次绘制了准平衡相图和动态相图。NMP作为PA-12的良好溶剂，能够在冷却过程中促进聚合物的结晶，从而自发形成粉末。研究发现，随着PA-12分子量的增加，粉末颗粒的尺寸、堆积密度以及流动性也随之提升。此外，颗粒的形状也会发生变化，从未成熟的双翼状结晶结构逐渐发展为成熟的球晶结构及其聚集体。在结晶结构方面，随着分子量的增加，PA-12的晶格形式也由α型转变为γ型。

值得注意的是，尽管在130°C下可以形成PA-12在NMP中的宏观均匀溶液，但对于分子量较高的PA-12，需要更高的溶解温度才能制备出适合SLS使用的粉末。这一现象的解释基于对溶液流变学特性和结晶行为的研究。通过差示扫描量热法（DSC）和热台显微镜（HTM）的分析，我们发现分子量较高的PA-12在冷却过程中表现出不同的相分离机制，这导致其结晶过程需要更长的时间和更高的温度。此外，研究还探讨了不同分子量的PA-12粉末在SLS过程中的可烧结性，并得出了针对不同粉末样品的最佳激光扫描速度。

PA-12粉末的制备不仅受到分子量的影响，还与混合物的组成、温度以及溶剂的热力学亲和性密切相关。目前，已有研究关注了其他因素对PA-12粉末结构和性能的影响，如聚合物浓度、溶剂亲和性的调节、纳米填料的添加以及乙醇的使用等。然而，关于分子量对通过TIPS方法制备的粉末形态和性能的具体影响，尚未有系统的研究。因此，本研究的意义在于填补这一空白，为SLS技术中PA-12粉末的优化提供理论依据和实验支持。

通过本研究，我们进一步验证了TIPS方法在制备PA-12粉末中的有效性。实验结果表明，NMP作为良好溶剂，能够显著影响粉末的形成过程。在不同分子量的PA-12与NMP混合物中，随着温度的变化，相分离和结晶行为表现出不同的特征。例如，在冷却过程中，低分子量的PA-12与NMP混合物可能更容易形成均匀的溶液，而高分子量的PA-12则需要更高的温度才能实现有效的溶解和相分离。这一发现对于优化SLS过程中的材料选择和工艺参数具有重要意义。

此外，研究还发现，PA-12粉末的结构和性能在不同分子量条件下表现出显著差异。例如，低分子量的PA-12粉末可能具有更高的流动性和更低的堆积密度，而高分子量的粉末则表现出更高的密度和更好的可烧结性。这些差异可能与粉末颗粒的形态、结晶结构以及内部孔隙的分布有关。通过扫描电子显微镜（SEM）分析，我们观察到不同分子量的PA-12粉末在冷却过程中形成的颗粒结构存在明显区别。低分子量的粉末颗粒可能更加细小且不规则，而高分子量的粉末颗粒则更接近球形，并且其内部孔隙的分布更加均匀。

在SLS过程中，粉末的可烧结性是一个关键因素。不同分子量的PA-12粉末在激光烧结时可能表现出不同的行为。例如，低分子量的粉末可能在烧结过程中更容易熔化和重新排列，从而形成致密的结构。而高分子量的粉末可能需要更高的激光功率和更慢的扫描速度才能实现有效的烧结。这些结果表明，分子量不仅影响粉末的物理特性，还可能对最终制品的性能产生重要影响。因此，在SLS技术中，合理选择PA-12的分子量对于提高制品的质量和性能至关重要。

本研究通过系统分析不同分子量的PA-12与NMP混合物的热行为，揭示了分子量对粉末结构和性能的影响机制。实验结果表明，分子量的增加会导致粉末颗粒的尺寸增大、堆积密度提高以及流动性增强，同时颗粒的形状和结晶结构也会发生变化。这些变化可能与相分离过程中形成的多孔结构以及结晶过程的温度依赖性有关。此外，研究还发现，高分子量的PA-12粉末在烧结过程中表现出更高的可烧结性，这可能与其更高的热稳定性有关。

综上所述，本研究通过实验和理论分析，揭示了PA-12分子量对通过TIPS方法制备的粉末结构和性能的影响。这些结果不仅有助于理解SLS过程中材料选择的重要性，还为优化粉末制备工艺提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨不同分子量的PA-12粉末在其他溶剂体系中的行为，以及其在不同SLS工艺条件下的应用效果。这将为增材制造技术的发展提供更加全面的理论支持和实践指导。