CN105542377B - 一种利用双螺杆挤出机制备导电3d打印耗材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用双螺杆挤出机制备导电3D打印耗材的方法。将多壁碳纳米管分散于丙酮中，混合均匀成油墨状。将热塑性树脂颗粒加入搅拌罐中，在搅拌过程中将多壁碳纳米管丙酮分散液均匀地喷洒在树脂颗粒表面后，再继续搅拌。将涂有多壁碳纳米管分散液的热塑性树脂颗粒取出，放入恒温干燥箱。干燥温度为60~80℃、干燥时间为2~6 h。干燥后的多壁碳纳米管/树脂复合颗粒直接加入双螺杆挤出机的料仓，连续均匀挤出，并通过调整牵引力和牵引速度将挤出物直径控制在1.75 mm或3.0 mm，最终制得导电3D打印耗材。本发明方法操作简单，且所得导电3D打印耗材兼具良好的导电和力学性能。

Description

一种利用双螺杆挤出机制备导电3D打印耗材的方法
技术领域
本发明属于3D打印耗材技术领域，特别涉及一种利用双螺杆挤出机制备导电3D打印耗材的方法。
背景技术
与传统材料加工方法不同，增材制造主要基于三维CAD模型数据，通过增加材料、逐层制造方式，直接制造出与相应数学模型完全一致的三维物理实体，俗称“三维打印”或者“3D打印”。由于可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段，3D打印在电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息及艺术设计等领域被广泛应用，可制造传统方法难加工（如自由曲面叶片、复杂内流道等）、甚至是无法加工（如内部镂空结构)的零部件等。但是，3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间仍面临着诸多挑战，除了打印成本、精度、速度和效率以及产业环境等方面的问题外，打印材料方面的问题被认为是其进一步普及应用的瓶颈。
3D打印的材料成型方法一般包括粘结剂喷射成型、光敏聚合物固化成型、材料挤出成型（又称熔融沉积制造，FDM）、激光粉末烧结成型、定向能沉积成型等。FDM是3D打印消费市场最常用的打印方法，其设备结构简单，价格低廉，是最为常见的3D打印设备。常用的3D打印成型材料多采用聚合物，包括ABS、PLA、PC、PVA、尼龙等。由于化学聚合物的物理特性所限，塑料3D打印件常常无法直接作为机械零件或者功能性器件。纳米复合技术能够有效地提高3D打印材料的性能，不仅能够有效地提高塑料的力学性能、热稳定性和阻燃安全性能，使之可直接用于机械零件，同时还能赋予其一定的功能性，如导热、防渗、防静电、导电、电磁屏蔽、电磁波吸收等。
添加纳米导电材料，如超细碳粉、纳米金属粉、碳纳米管及石墨烯等，可以显著改变热塑性树脂的导电性。美国3D打印技术公司Graphene3DLab报道了一种石墨烯/PLA导电耗材，其体积电阻率为1Ω·cm，直径1.75 mm。又如，美国的Functionalize公司制造了一种碳纳米管/PLA导电耗材，其体积电阻率为0.75Ω·cm，直径有1.75 mm和3.0 mm两种。America Instrument公司也提供一种导电ABS耗材，直径分为1.75 mm和3.0 mm两种。国内目前尚未见导电耗材产品。比较可知，具有大长径比的碳纳米管比二维片状的石墨烯对PLA导电性改善的效果更好。
但是，制备导电打印耗材所需纳米导电剂的添加量往往较大，会使材料变脆，延展性变差。此外，纳米导电材料本身价格较高，因此也增加了打印耗材的制造成本。目前，尚未见能够兼顾复合材料导电特性和力学性能解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用双螺杆挤出机制备导电3D打印耗材的方法。
具体步骤为：
(1)将多壁碳纳米管分散于丙酮中，混合均匀成油墨状，制得多壁碳纳米管丙酮分散液，其浓度通过碳纳米管与丙酮的添加比例控制。
(2)将热塑性树脂颗粒加入密闭的搅拌罐中，在搅拌过程中将步骤(1)制得的多壁碳纳米管丙酮分散液均匀地喷洒在热塑性树脂颗粒表面，分散液喷洒完毕后，再继续搅拌10 min，由于丙酮能够溶胀热塑性树脂，使热塑性树脂颗粒表面变粘，搅拌后多壁碳纳米管均匀地粘附于热塑性树脂颗粒的表面，制得涂有多壁碳纳米管分散液的热塑性树脂颗粒。
(3)将步骤(2)制得的涂有多壁碳纳米管分散液的热塑性树脂颗粒，放入恒温干燥箱于60~80℃下干燥2~6 h，然后直接加入双螺杆挤出机的料仓，开启双螺杆挤出机，根据热塑性树脂的成分控制加热温度、双螺杆速度和进/出料口压力，以便连续均匀挤出复合物，挤出的复合物经冷却后，由缠绕机收集，通过调整牵引力和牵引速度将挤出物直径控制在1.75mm或3.0mm，所得的挤出物即为导电3D打印耗材。
所述热塑性树脂为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、PE-聚乙烯、PVC-聚氯乙烯、PS-聚苯乙烯、PA-聚酰胺、POM-聚甲醛、PC-聚碳酸酯、聚苯醚或聚砜。
本发明方法操作简单，通过制备多壁碳纳米管/热塑性树脂核壳复合物颗粒，能够有效降低导电热塑性树脂所需碳纳米管用量，防止树脂变脆，降低材料成本，且所制得的导电3D打印耗材兼具良好的导电性和力学性能。
具体实施方式
实施例：
(1)称取4g多壁碳纳米管置于100 ml烧杯中，添加50 ml丙酮，边添加边搅拌，混合均匀成油墨状，制得多壁碳纳米管丙酮分散液。
(2)称取96g丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)颗粒加入密闭的搅拌罐中，在搅拌过程中将步骤(1)制得的多壁碳纳米管丙酮分散液均匀地喷洒在ABS颗粒表面，分散液喷洒完毕后，再继续搅拌10 min，制得涂有多壁碳纳米管分散液的ABS颗粒。
(3)将步骤(2)制得的涂有多壁碳纳米管分散液的ABS颗粒，放入恒温干燥箱于80℃下干燥5 h，然后直接加入双螺杆挤出机的料仓，开启双螺杆挤出机，控制加热温度入口段190oC，出口处225oC，双螺杆速度20 r/min，进料口压力：40~60 MPa,出料口压力20~55MPa，挤出的复合物经冷却后，由缠绕机收集，通过调整牵引力和牵引速度将挤出物直径控制在1.75mm，所得的挤出物即为导电3D打印耗材。
将本实施例制得的导电3D打印耗材采用四电极法进行测量，其电阻率为9.12Ω·cm，且仍保持较好柔韧性，力学性能较原料ABS挤出丝无明显变化。

Claims (1)

1.一种利用双螺杆挤出机制备导电3D打印耗材的方法，其特征在于具体步骤为：
(1)将多壁碳纳米管分散于丙酮中，混合均匀成油墨状，制得多壁碳纳米管丙酮分散液，其浓度通过碳纳米管与丙酮的添加比例控制；
(2)将热塑性树脂颗粒加入密闭的搅拌罐中，在搅拌过程中将步骤(1)制得的多壁碳纳米管丙酮分散液均匀地喷洒在热塑性树脂颗粒表面，分散液喷洒完毕后，再继续搅拌10min，由于丙酮能够溶胀热塑性树脂，使热塑性树脂颗粒表面变粘，搅拌后多壁碳纳米管均匀地粘附于热塑性树脂颗粒的表面，制得涂有多壁碳纳米管分散液的热塑性树脂颗粒；
(3)将步骤(2)制得的涂有多壁碳纳米管分散液的热塑性树脂颗粒，放入恒温干燥箱于60~80℃下干燥2~6 h，然后直接加入双螺杆挤出机的料仓，开启双螺杆挤出机，根据热塑性树脂的成分控制加热温度、双螺杆速度以及进料口和出料口的压力，以便连续均匀挤出复合物，挤出的复合物经冷却后，由缠绕机收集，通过调整牵引力和牵引速度将挤出物直径控制在1.75mm或3.0mm，所得的挤出物即为导电3D打印耗材；
所述热塑性树脂为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、PE-聚乙烯、PVC-聚氯乙烯、PS-聚苯乙烯、PA-聚酰胺、POM-聚甲醛、PC-聚碳酸酯、聚苯醚或聚砜。
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