CN105482355A - 用于3d打印abs的增强增韧剂及其abs复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印成型材料领域，具体涉及一种用于3D打印ABS材料的增强增韧剂及由其制备的ABS复合材料，还涉及该增强增韧剂及该ABS复合材料的制备方法及应用。一种用于3D打印ABS材料的增强增韧剂，其原料配方由硅烷偶联剂改性的埃洛石纳米管和SBS增韧剂组成。同时，本发明还提供一种由该增强增韧剂制备的3D打印ABS增强增韧复合材料，ABS增强增韧复合材料具有强度高、韧性好、流动性好、固化速率快以及耐老化等性能，产品表面光泽度高，性能稳定制，不易老化变色。可广泛应用于3D打印的电子电器壳体、精密仪器仪表外壳、日用品、汽车内饰件、工艺品等。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印成型材料领域，具体涉及一种用于3D打印ABS材料的增强增韧剂及由其制备的ABS复合材料，还涉及该增强增韧剂及该ABS复合材料的制备方法及应用。
背景技术
3D打印又称“快速成形技术”、“快速原型制造技术”，其工作原理类似于喷墨打印，即响应计算机的数字信号，使喷嘴工作腔内的熔融态材料或粘结剂在瞬间形成液滴，并以一定的速度从喷嘴挤压出来，喷射到支撑模型上，形成轮廓的形状，薄层固化后继续逐层喷射堆积，得到精度高的成形部件。
目前3D打印技术主要包括SLA、SLS、FDM、LOM等工艺，比较常用的3D打印技术有熔融层积成型技术，即FDM(FusedDepositionModeling),原理是利用热塑性聚合物材料在熔融状态下，从喷头处挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层，再一层层叠加，最终形成产品。可用于FDM工艺的材料一般为ABS、石蜡、尼龙、聚碳酸酯等。然而用于3D打印的材料普遍存在强度低、韧性不足、流动性不好等缺点，因此，必须对现有的热塑性聚合物进行改性，以克服聚合物在3D打印材料中的应用缺陷。
中国专利CN102617974B公开一种ABS/埃洛石复合材料及其制备方法，其由ABS、埃洛石、相容剂、润滑剂所制成。但其制备出来的复合材料的力学性能虽有所改善，但力度不够，并且不是针对3D打印材料而制备。
ABS树脂具有以弹性体为主链的接枝共聚物和以树脂为主链的接枝共聚物的两相不均匀系结构，使其兼有丙烯腈的高度化学稳定性、耐油性和表面硬度，丁二烯的韧性和耐寒性，苯乙烯的良好介电性、光泽和加工性等综合性能，但是其强度不高且随着分子量增加，加工性能下降，打印出来的产品很容易出现破碎、开裂等问题，极大阻碍了3D打印技术的发展。
所以，开发强度高、韧性好、流动性好、固化速率快、易加工制得的3D打印复合材料对3D打印成型材料领域具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于3D打印ABS材料的增强增韧剂、其制备方法，及由其制备的ABS材料和制备方法，其制备出来的ABS复合材料具有强度高、韧性好、流动性好、固化速率快、易加工制得等优点。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种用于3D打印ABS材料的增强增韧剂，按重量份数计由以下成分组成：
硅烷偶联剂改性的埃洛石纳米管，所述埃洛石纳米管为30-50份，所述硅烷偶联剂为1-3份；SBS5-15份。
埃洛石纳米管是一种天然的多壁纳米管状材料，由高岭石的片层在天然条件下卷曲而成，其片层由硅氧四面体和铝氧八面体组成，外壁含有一定的硅羟基，结构单元之间以氢键和范德华力等次价键的形式结合，具有纳米管状结构和易于分散的性质，可作为聚合物增强材料，在本发明中主要起到提高材料的综合性能，如强度、韧性、结晶度、光滑性等性能；
SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物的英文缩写，为市售产品；在本发明中主要起到增韧、克服ABS原料的脆性和增加稳定性的作用，使得本发明ABS复合材料的韧性更好；
进一步的，所述偶联剂为KH550。中文名称氨丙基三乙氧基硅烷，市售产品，在本发明中主要是改善埃洛石纳米管的性能，经KH550处理后的埃洛石纳米管可提高复合材料的热稳定性和力学性能。
上述用于3D打印ABS材料的增强增韧剂的制备方法，包括以下步骤：
S1.将埃洛石纳米管与去离子水混合，在室温条件下超声分散使埃洛石纳米管均匀分散，将其真空抽滤后，在100-110℃条件下真空干燥至恒重；
S2.将偶联剂溶于少量丙酮后均匀喷洒于埃洛石纳米管，于80℃条件下真空干燥8小时，得到硅烷偶联剂改性的埃洛石纳米管；
S3.按比例将硅烷偶联剂改性的埃洛石纳米管、SBS混合，在50-60℃条件下分散均匀，得到所述的增强增韧剂。
本发明还提供一种3D打印ABS增强增韧复合材料，其原料含有上述的增强增韧剂。
本发明还提供一种3D打印ABS增强增韧复合材料的配方，该材料按重量计包括以下组分：
ABS63.5-88.4份；
所述的增强增韧剂11.5-36份；
抗氧剂0.1-0.5份。
所述增强增韧剂加入到ABS材料中可提高材料的综合性能，如强度、韧性、结晶度、光滑性等性能。
所述ABS为丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，选用台化121H的ABS,其目的在于使复合材料拥有优良的流动性、高强度、高光洁度和表面硬度，制备出的3D打印耗材的线条均匀；
所述抗氧剂为广东铨盛化工有限公司的S-9229；在本发明中起到抗黄变和抗氧化的作用，还可以使聚合物不脆裂。
同时，本发明还提供一种3D打印ABS增强增韧复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.按一定比例将ABS、制备好的增强增韧剂、抗氧剂送入高速混合机在50-90℃条件下混合均匀1小时，得到预混料；
S2.将上述预混料投置于双螺杆挤出机中，在220±5℃条件下熔融混炼，形成熔体；
S3.将熔体进一步均匀混炼，经过双螺杆挤出机口模挤出，经水槽冷却成型，制备成丝状缠绕成线圈形式的ABS增强增韧复合材料。
所述的ABS增强增韧复合材料具有高强度、高光洁度、高韧性、表面硬度好等优点，可用于3D打印电子电器壳体、精密仪器仪表外壳、汽车内饰、日用品、工艺品等。
本发明相对于现有技术，具有如下有益效果：
1.本发明采用硅烷偶联剂对市售的埃洛石纳米管进行改性，再与SBS增韧剂共混均匀，制备成增强增韧剂，其添加到ABS材料，可使ABS获得优异的强度、韧性和结晶度；拓宽ABS材料的使用领域。
2.本发明的ABS增强增韧复合材料，通过试验优选搭配本发明所制备的增强增韧剂及用量，使得本发明的ABS增强增韧复合材料具有优异的强度、韧性、流动性和结晶度，打印出来的产品强度好、韧性好、固化速率快、表面光泽度高、线条均匀，克服了现有3D打印材料的缺点。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详细描述：
实施例1
本实施例提供一种用于3D打印ABS材料的增强增韧剂，由以下成分按重量份组成：
硅烷偶联剂KH550改性的埃洛石纳米管31份，所述埃洛石纳米管为30份，所述硅烷偶联剂为1份；SBS5份。
本实施例增强增韧剂的制备方法包括以下步骤：
S1.将埃洛石纳米管与去离子水混合，在室温条件下超声分散使埃洛石纳米管均匀分散，将其真空抽滤后，在100℃条件下真空干燥至恒重；
S2.将硅烷偶联剂溶于少量丙酮后均匀喷洒于埃洛石纳米管，于80℃条件下真空干燥8小时，得到硅烷偶联剂KH550改性的埃洛石纳米管；
S3.按比例将硅烷偶联剂改性的埃洛石纳米管、增韧剂混合，在50℃条件下分散均匀，得到所述的增强增韧剂。
实施例2
本实施例提供一种用于3D打印ABS材料的增强增韧剂，由以下成分按重量份组成：
硅烷偶联剂KH550改性的埃洛石纳米管37份，其中埃洛石纳米管36份，KH5501份；
SBS增韧剂8份。
本实施例增强增韧剂的制备方法包括以下步骤：
S1.将埃洛石纳米管与去离子水混合，在室温条件下超声分散使埃洛石纳米管均匀分散，将其真空抽滤后，在105℃条件下真空干燥至恒重；
S2.将偶联剂溶于少量丙酮后均匀喷洒于埃洛石纳米管，于80℃条件下真空干燥8小时，得到硅烷偶联剂KH550改性的埃洛石纳米管；
S3.按比例将硅烷偶联剂改性的埃洛石纳米管、增韧剂混合，在53℃条件下分散均匀，得到所述的增强增韧剂。
实施例3
本实施例提供一种用于3D打印ABS材料的增强增韧剂，由以下成分按重量份组成：
硅烷偶联剂KH550改性的埃洛石纳米管44份，其中埃洛石纳米管42份，KH5502份；
SBS10份。
本实施例增强增韧剂的制备方法包括以下步骤：
S1.将埃洛石纳米管与去离子水混合，在室温条件下超声分散使埃洛石纳米管均匀分散，将其真空抽滤后，在110℃条件下真空干燥至恒重；
S2.将偶联剂溶于少量丙酮后均匀喷洒于埃洛石纳米管，于80℃条件下真空干燥8小时，得到硅烷偶联剂KH550改性的埃洛石纳米管；
S3.按比例将硅烷偶联剂改性的埃洛石纳米管、增韧剂混合，在56℃条件下分散均匀，得到所述的增强增韧剂。
实施例4
本实施例提供一种用于3D打印ABS材料的增强增韧剂，由以下成分按重量份组成：
硅烷偶联剂KH550改性的埃洛石纳米管49份，其中埃洛石纳米管46份，KH5503份；
SBS13份。
本实施例增强增韧剂的制备方法包括以下步骤：
S1.将埃洛石纳米管与去离子水混合，在室温条件下超声分散使埃洛石纳米管均匀分散，将其真空抽滤后，在110℃条件下真空干燥至恒重；
S2.将偶联剂溶于少量丙酮后均匀喷洒于埃洛石纳米管，于80℃条件下真空干燥8小时，得到硅烷偶联剂KH550改性的埃洛石纳米管；
S3.按比例将硅烷偶联剂改性的埃洛石纳米管、增韧剂混合，在58℃条件下分散均匀，得到所述的增强增韧剂。
实施例5
本实施例提供一种用于3D打印ABS材料的增强增韧剂，由以下成分按重量份组成：
硅烷偶联剂KH550改性的埃洛石纳米管53份，其中埃洛石纳米管50份，KH5503份；
SBS15份。
本实施例增强增韧剂的制备方法包括以下步骤：
S1.将埃洛石纳米管与去离子水混合，在室温条件下超声分散使埃洛石纳米管均匀分散，将其真空抽滤后，在110℃条件下真空干燥至恒重；
S2.将偶联剂溶于少量丙酮后均匀喷洒于埃洛石纳米管，于80℃条件下真空干燥8小时，得到硅烷偶联剂KH550改性的埃洛石纳米管；
S3.按比例将改性后的埃洛石纳米管、增韧剂混合，在60℃条件下分散均匀，得到所述的增强增韧剂。
实施例6
本实施例提供一种3D打印ABS增强增韧复合材料，其原料按重量计包括以下组分：
ABS63.5份；
增强增韧剂11.5份；
抗氧剂0.1份；
所述的增强增韧剂为本实施例1所制备的的增强增韧剂；所述ABS为丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，为市售台化121H产品；所述抗氧剂为广东铨盛化工有限公司的S-9229；
同时，本实施例还提供一种3D打印ABS增强增韧复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.按一定比例将ABS、制备好的增强增韧剂、抗氧剂送入高速混合机在50℃条件下混合均匀60分钟，得到预混料；
S2.将上述预混料投置于双螺杆挤出机中，在220±5℃条件下熔融共混，形成熔体；
S3.将熔体进一步均匀混炼，经过双螺杆挤出机口模挤出，经水槽冷却成型，制备成丝状缠绕成线圈形式的ABS增强增韧复合材料。
实施例的产品按ASTM国际标准及相关标准对其进行性能测试其结果如表1所示。
实施例7
一种3D打印ABS增强增韧复合材料，其原料按重量计包括以下组分：
ABS70.5份；
增强增韧剂13.2份；
抗氧剂0.1份；
所述的增强增韧剂为实施例2所制备的增强增韧剂；所述ABS为丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，为台化的121H产品；所述抗氧剂为广东铨盛化工有限公司的S-9229；
同时，本实施例还提供一种3D打印ABS增强增韧复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.按一定比例将ABS、制备好的增强增韧剂、抗氧剂送入高速混合机在65℃条件下混合均匀40分钟，得到预混料；
S2.将上述预混料投置于双螺杆挤出机中，在220±5℃条件下熔融共混，形成熔体；
S3.将熔体进一步均匀混炼，经过双螺杆挤出机口模挤出，经水槽冷却成型，制备成丝状缠绕成线圈形式的ABS增强增韧复合材料。
实施例的产品按ASTM国际标准及相关标准对其进行性能测试其结果如表1所示。
实施例8
一种3D打印ABS增强增韧复合材料，其原料按重量计包括以下组分：
ABS68.3份；
增强增韧剂16.5份；
抗氧剂0.2份；
所述的增强增韧剂为实施例3所制备的增强增韧剂；所述ABS为丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，为台化的121H产品；所述抗氧剂为广东铨盛化工有限公司的S-9229；
同时，本实施例还提供一种3D打印ABS增强增韧复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.按一定比例将ABS、制备好的增强增韧剂、抗氧剂送入高速混合机在70℃条件下混合均匀60分钟，得到预混料；
S2.将上述预混料投置于双螺杆挤出机中，在220±5℃条件下熔融共混，形成熔体；
S3.将熔体进一步均匀混炼，经过双螺杆挤出机口模挤出，经水槽冷却成型，制备成丝状缠绕成线圈形式的ABS增强增韧复合材料。
实施例的产品按ASTM国际标准及相关标准对其进行性能测试其结果如表1所示。
实施例9
一种3D打印ABS增强增韧复合材料，其原料按重量计包括以下组分：
ABS75.6份；
增强增韧剂20.4份；
抗氧剂0.3份；
所述的增强增韧剂为实施例4所制备的增强增韧剂；所述ABS为丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，为台化的121H产品；所述抗氧剂为广东铨盛化工有限公司的S-9229；
同时，本实施例还提供一种3D打印ABS增强增韧复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.按一定比例将ABS、制备好的增强增韧剂、抗氧剂送入高速混合机在75℃条件下混合均匀50分钟，得到预混料；
S2.将上述预混料投置于双螺杆挤出机中，在220±5℃条件下熔融共混，形成熔体；
S3.将熔体进一步均匀混炼，经过双螺杆挤出机口模挤出，经水槽冷却成型，制备成丝状缠绕成线圈形式的ABS增强增韧复合材料。
实施例的产品按ASTM国际标准及相关标准对其进行性能测试其结果如表1所示。
实施例10
一种3D打印ABS增强增韧复合材料，其原料按重量计包括以下组分：
ABS88.4份；
增强增韧剂35份；
抗氧剂0.5份；
所述的增强增韧剂为实施例5所制备的增强增韧剂；所述ABS为丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，为台化的121H产品；所述抗氧剂为广东铨盛化工有限公司的S-9229；
同时，本实施例还提供一种3D打印ABS增强增韧复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.按一定比例将ABS、制备好的增强增韧剂、抗氧剂送入高速混合机在90℃条件下混合均匀70分钟，得到预混料；
S2.将上述预混料投置于双螺杆挤出机中，在220±5℃条件下熔融共混，形成熔体；
S3.将熔体进一步均匀混炼，经过双螺杆挤出机口模挤出，经水槽冷却成型，制备成丝状缠绕成线圈形式的ABS增强增韧复合材料。
实施例的产品按ASTM国际标准及相关标准对其进行性能测试其结果如表1所示。
表1各实施例的性能测试结果
| 性质 | 方法 | 单位 | 实施例6 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | 实施例10 |
| 比重 | ASTMD792 | — | 1.18 | 1.18 | 1.18 | 1.18 | 1.18 |
| 模收缩 | ASTMD955 | % | 0.35-0.6 | 0.35-0.6 | 0.35-0.6 | 0.35-0.6 | 0.35-0.6 |
| 延伸率 | ASTMD638 | % | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 拉伸强度 | ASTMD638 | Mpa | 68 | 70 | 72 | 71 | 66 |
| 弯曲强度 | ASTMD790 | Mpa | 105 | 110 | 112 | 110 | 102 |
| 弯曲模数 | ASTMD790 | Mpa | 4355 | 4500 | 4550 | 4480 | 4280 |
| 缺口冲击强度(1/8") | ASTMD256 | KJ/M2 | 11 | 12 | 13 | 11 | 10 |
| 热变形温度（1.8Mpa） | ASTMD648 | ℃ | 90 | 92 | 88 | 91 | 86 |
| 热变形温度（0.45Mpa） | ASTMD648 | ℃ | 100 | 102 | 98 | 101 | 96 |
| 耐燃性 | UL94 | (1/16") | HB | HB | HB | HB | HB |
| 干燥时间 | - | HR | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 熔融温度 | - | ℃ | 220±5 | 220±5 | 220±5 | 220±5 | 220±5 |
以上为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于3D打印ABS材料的增强增韧剂，其特征在于：按重量份数计由以下成分组成：
硅烷偶联剂改性的埃洛石纳米管，所述埃洛石纳米管为30-50份，所述硅烷偶联剂为1-3份；SBS5-15份。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印ABS材料的增强增韧剂，其特征在于：所述硅烷偶联剂为KH550。
3.一种权利要求1或2所述用于3D打印ABS材料的增强增韧剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.将埃洛石纳米管与去离子水混合，在室温条件下超声分散使埃洛石纳米管均匀分散，将其真空抽滤后，在100-110℃条件下真空干燥至恒重；
S2.将硅烷偶联剂溶于少量丙酮后均匀喷洒于埃洛石纳米管，于80℃条件下真空干燥8小时，得到硅烷偶联剂改性的埃洛石纳米管；
S3.按比例将硅烷偶联剂改性的埃洛石纳米管、SBS混合，在50-60℃条件下分散均匀，得到所述的增强增韧剂。
4.一种3D打印ABS增强增韧复合材料，其特征在于：其原料含有如权利要求1所述的增强增韧剂。
5.根据权利要求4所述的3D打印ABS增强增韧复合材料，其特征在于：其原料按重量计包括以下组分：
ABS63.5-88.4份；
增强增韧剂11.5-36份；
抗氧剂0.1-0.5份。
6.根据权利要求5所述的3D打印ABS增强增韧复合材料，其特征在于：所述抗氧剂为广东铨盛化工有限公司的S-9229；所述ABS材料选用台化产品121H。
7.一种权利要求4~6任意一项所述的3D打印ABS增强增韧复合材料的制备方法，其特征在于由以下步骤组成：
S1.按一定比例将ABS、制备好的增强增韧剂、抗氧剂送入高速混合机在50-90℃条件下混合均匀1小时，得到预混料；
S2.将上述预混料投置于双螺杆挤出机中，在220±5℃条件下熔融混炼，形成熔体；
S3.将熔体进一步均匀混炼，经过双螺杆挤出机口模挤出，经水槽冷却成型，制备成丝条缠绕成线圈形式的ABS增强增韧复合材料。
8.权利要求4~6所述的3D打印ABS增强增韧复合材料在电子电器壳体、精密仪器仪表外壳、汽车内饰、日用品、工艺品3D打印制造中的应用。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20160413 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |