3D打印热塑性聚氨酯材料的热老化与水热老化效应研究：机械性能与微观结构演变

本研究通过热老化（80°C/7天）和水热老化（80°C蒸馏水/7天）处理FDM（熔融沉积成型）技术制备的热塑性聚氨酯（TPU），系统分析了其力学性能、摩擦学行为及微观结构变化。结果表明，老化显著提升TPU的拉伸强度、硬度和弹性模量，其中水热老化促进结晶度（Xc）提升至190.82%，而热老化通过无定形区交联增强刚性但降低结晶度（83.66%）。摩擦测试显示老化样品摩擦系数（COF）升高且无质量损失，结合DSC（差示扫描量热法）和显微观察揭示了链段重排、孔隙减少及层间扩散增强的机制，为3D打印柔性部件的耐久性设计提供了理论依据。

　　

材料与方法

研究采用FDM技术制备TPU Flex 95A样品，打印参数包括喷嘴直径0.4 mm、层高0.4 mm及100%填充密度。通过热老化（80°C烘箱）和水热老化（80°C蒸馏水浴）模拟严苛环境，对比未老化样品的性能差异。

力学性能分析

拉伸测试显示老化样品在低应变区（<25%）强度显著提升，水热老化样品在150%伸长率后出现强度骤降，归因于水分子破坏氢键。弹性模量增幅最高达12.4%，与硬段（HS）相分离和链段重排相关。硬度测试中，老化使Shore D值从32升至36，源于硬段有序化及物理交联密度增加。

摩擦学行为

粘着磨损测试表明，老化样品在10-30 N载荷下COF升高但无质量损失，热老化样品COF最高（0.45）。稳定的摩擦曲线归因于孔隙减少和表面粗糙度保留，而水热老化样品因残余水分保留部分塑性，摩擦行为更稳定。

热性能与微观结构

DSC分析揭示水热老化样品熔点（T_m）升至220.01°C且熔融焓（ΔH_m）翻倍，结晶度提升90.82%；热老化样品则因链断裂和交联导致结晶度下降16.34%。光学显微镜显示老化后层间孔隙减少，分子扩散增强（"颈生长"机制），印证了机械性能改善的微观基础。

结论与意义

研究证实老化通过化学（酯键水解/urethane交联）和物理（链段扩散）机制调控TPU性能。水热老化更适合提升刚性和结晶度，而热老化优化摩擦稳定性。该成果为3D打印柔性部件（如医用植入物、能量吸收结构）的耐久性设计提供了关键参数，未来可针对特定应用优化老化条件。