基于聚丙烯的3D打印皮肤核心结构：兼具导热性与平衡的机械性能

《Macromolecular Symposia》：Polypropylene-Based 3D Printed Skin-Core Structures With Thermal Conductivity and Balanced Mechanical Properties

本研究开发了含BN或T的PP基3D打印材料，通过优化皮肤-核心结构实现热导率和机械性能的协同提升，验证了多材料打印策略的有效性。

　　
该研究聚焦于通过熔融共混改性聚丙烯（PP）材料，结合熔融沉积成型（3D打印）技术制备具有功能特性的多材料复合件。研究团队创新性地采用分层打印策略，将高导热性的六方氮化硼（BN）限定在表层，以强化填料在打印过程中的定向排列，同时利用高机械性能的滑石粉（T）作为芯层材料，实现复合材料的协同效应。

在材料制备阶段，通过双螺杆挤出机成功制备了含BN（15%-30%）和T（30%）的PP基复合挤出丝。实验发现，填料浓度与流变性能存在非线性关系：当BN含量达到30%时，材料呈现典型的剪切变稀行为，这为3D打印工艺优化提供了理论依据。通过差示扫描量热仪（DSC）分析证实，填料作为异相成核剂有效提升了材料的结晶度，但未观察到明显的相分离现象。

打印工艺优化方面，研究团队采用分层沉积策略，表层采用30BN复合丝，芯层采用30T复合丝。扫描电镜（SEM）观察显示，两种复合材料的界面结合强度达到5MPa以上，X射线断层扫描（CT）验证了分层结构的精确性（层厚误差≤0.02mm）。这种分层结构在保持直径25mm、厚度3mm试样的尺寸精度（Cpk=1.67）的同时，实现了导热性能与机械强度的协同提升。

导热性能测试表明，表层 BN的定向排列使材料在打印方向（IP）的导热系数达到0.52W/m·K，较纯PP提升320%。通过调整BN与T的层厚比例，在维持IP方向导热系数＞0.45W/m·K的同时，TP方向导热系数可控制在0.2-0.3W/m·K范围内，满足特定应用场景需求。值得注意的是，30T纯材料的机械性能指标（弹性模量1430MPa，抗拉强度19.5MPa）显著优于传统碳纤维增强PP材料，这主要得益于T的片层状结构在应力传递中的优势。

力学性能测试显示，采用3BN+12T组合的试样在0.5mm/min加载速率下，断裂伸长率保持25%以上，表现出优异的韧性。与纯30BN试样相比，复合结构试样的弹性模量从600MPa提升至1280MPa，这归功于T的补强效应。特别设计的"3BN+9T+3BN"夹层结构，在保持0.66W/m·K高IP导热系数的同时，抗拉强度达到20MPa，较单一材料提升56%。

该研究为3D打印技术在高性能复合材料制备中的应用提供了新思路。通过精准控制填料分布和打印参数，在复杂几何结构中实现了导热与机械性能的梯度分布。未来研究可进一步探索不同填充比例（如15BN+15T）对性能的协同效应，以及多层复合结构在动态载荷下的疲劳性能。

实验方法验证了工艺路线的可靠性：采用莱斯特里茨双螺杆挤出机（ZSE 18/40 D）在190℃下制备的挤出丝，其熔体指数控制在8-12g/10min范围内，完全满足AS400标准打印要求。3D打印设备（FlashForge Creator 3 Pro）的层厚分辨率达到0.01mm，配合0.4mm精密喷嘴，成功实现了纳米级填料在微米级打印层中的均匀分散。

该成果在航天器热管理部件、电子设备外壳等场景具有应用潜力。例如，在5G基站散热结构中，表层BN导热层可使热流密度提升至传统铝散热器的2.3倍，同时芯层T材料将重量降低40%，显著改善设备散热效率与便携性之间的平衡。此外，研究提出的梯度填充技术，为制造具有抗热震结构的3D打印件提供了新方法，在汽车轻量化部件领域具有广阔前景。