CN106433057A - 一种3d打印导电线材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印导电线材的制备方法，包括如下步骤：(1)将聚乳酸原料粉碎，得到粒径为0.5mm以下的聚乳酸粉末；(2)在搅拌下，将炭黑与聚乳酸粉末混合均匀，加入无水乙醇，超声分散；(3)称取聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌下，加入到步骤(2)获得的混合液中，超声分散；在水浴温度为60‑80℃的条件下，水浴加热并不断搅拌，直到混合液中液体挥发，得到干燥的混合粉末；(4)将干燥的混合粉末加入拉丝机中进行拉丝，得到3D打印导电线材。本发明生产工艺简单、工序少、生产效率高、所需设备少、成本低，适合小规模或大规模生产。

Description

一种3D打印导电线材的制备方法

技术领域

本发明主要涉及一种3D打印导电线材的制备方法，属于3D打印(增材制造)领域。

背景技术

3D打印(3D printing，又称三维打印)是一种快速成形技术，它以数字化模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体。由于其在制造工艺方面的创新，被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”。在学术上，3D打印技术又被称为“添加制造”(additive manufacturing)技术，也被称为增材制造或增量制造。3D打印技术具有数字制造、降维制造(分成制造)、堆积制造、直接制造和快速制造等特点，决定了这项技术拥有可设计性、柔化制造过程、制造更灵活、简单、快速、高效等优势。

在3D打印技术中，熔融沉积成形(Fused Deposition Modeling，FDM技术)最简单，容易设计，且制造和维护的成本也最低，是目前使用最广泛的3D打印技术之一，熔融沉积技术是指对丝状材料(这里主要指的是工程塑料)进行熔融后由喷头逐层挤出堆积成形的一种快速成形方法，这种工艺不用激光，刻刀，而是使用喷头。目前市场上的成熟3d打印机基本都是这种成形技术，成形材料有ABS,PLA,PC,尼龙，人造橡皮，石蜡等，其中主要以PLA、ABS为主。FDM3D打印技术可用于制作模型和一些实际承载能力要求较低的零件，可变化性很强，应用范围较广。

聚乳酸(PLA)是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸，再通过化学合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。

炭黑(carbon black)，是一种无定形碳，一般是指碳单质微粒，一般是由于有机物燃烧不充分，其中的氢元素和氧元素转化为水，而碳元素燃烧不充分，就会脱离分子，形成炭黑。导电粒子接触的几何学研究认为，炭黑填充量越大，处于分散状态的炭黑粒子或炭黑粒子集合体的密度也越大，粒子间的平均距离越小，相互接触的几率越高，炭黑粒子或炭黑粒子集合体形成的导电通路也越多。在多组分基体树脂与炭黑组成的共混体系中，由于不同基体的极性不同，填充炭黑会产生偏析现象，这时导电性能取决于炭黑粒子在偏析相中的浓度和分布状态，还取决于偏析相高聚物所占比例。炭黑容易获得且价格低廉，可以很好地满足轻工业的需求。

聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为一种合成水溶性高分子化合物，具有水溶性高分子化合物的一般性质，胶体保护作用、成膜性、粘结性、吸湿性、增溶或凝聚作用，同时具有一定的分散作用，且最具特色的是其优异的溶解性能及生理相容性，因而受到人们的重视。在合成高分子中像PVP这样既溶于水，又溶于大部分有机溶剂、毒性很低、生理相溶性好的并不多见，特别是在医药、食品、化妆品这些与人们健康密切相关的领域中，随着其原料丁内酯价格的降低，必将展示其发展的良好前景。

目前，3D塑料线条耗材生产厂生产的产品功能有限，无法满足一些需要具有如一定导电性能的特殊功能的零部件产品，而专业实验室生产的3D导电打印线材价格比较高昂，无法实现产业化，因此需要一种简单、导电性能优良且价格较为低廉的3D导电打印线材的生产方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种3D打印导电线材的制备方法。

本发明的技术方案概述如下：

一种3D打印导电线材的制备方法，包括如下步骤：

(1)将聚乳酸原料粉碎，得到粒径为0.5mm以下的聚乳酸粉末；

(2)在搅拌下，按质量比为1:2～5的比例，将炭黑与聚乳酸粉末混合均匀，加入相当于炭黑与聚乳酸粉末总质量3-5倍的无水乙醇，超声分散10-20min；

(3)称取炭黑与聚乳酸粉末总质量的5％～15％的聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌下，加入到步骤(2)获得的混合液中，超声分散30-45min；在水浴温度为60-80℃的条件下，水浴加热并不断搅拌，直到混合液中液体挥发，得到干燥的混合粉末；

(4)将干燥的混合粉末加入拉丝机中进行拉丝，得到3D打印导电线材。

步骤(4)所述3D打印导电线材的直径为1.75mm和3mm。

本发明的优点是：

1.本发明开发出一种安全、环保、导电性能良好的3D打印导电线材，生产工艺简单、工序少、生产效率高、所需设备少、成本低，适合小规模或大规模生产，具有广阔的应用前景；

2.本发明获得的3D打印导电线材，直径优选为1.75mm和3mm，也可根据需要来定制其他直径大小的线材。

3.本发明获得的3D打印导电线材通过3D打印方法所获得的产品，产品具有功能多、力学性能多变等特点，可以应用于导电、防腐、耐磨等一种或多种工况。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但这些实施例仅用于说明本发明，但不限制其发明的范围，本领域其他技术人员对本发明的各种等价形式的修改均属于本申请所附权利要求限定的范围。

实施例1

一种3D打印导电线材的制备方法，包括如下步骤：

(1)将聚乳酸80000原料粉碎，得到粒径为0.5mm以下的聚乳酸粉末；

(2)在搅拌下，按质量比为1:4的比例，将炭黑与聚乳酸粉末混合均匀，加入相当于炭黑与聚乳酸粉末总质量3倍的无水乙醇，超声分散15min；

(3)称取炭黑与聚乳酸粉末总质量的10％的聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌下，加入到步骤(2)获得的混合液中，超声分散30min；在水浴温度为60℃的条件下，水浴加热并不断搅拌，直到混合液中液体挥发，得到干燥的混合粉末；

(4)将干燥的混合粉末加入拉丝机中进行拉丝，拉丝机温度控制在210～220℃范围内,得到直径为3mm的3D打印导电线材。

为测试其力学、电学和热力学性能，打印了若干测试试样，将普通PLA线材3D打印的试样，与本实施例的3D打印导电线材3D打印得到的试样进行力学、电学和热力学性能的对比测试(测试结果取平均值)，见表1。

表1

实施例2

一种3D打印导电线材的制备方法，包括如下步骤：

(1)将聚乳酸80000原料粉碎，得到粒径为0.5mm以下的聚乳酸粉末；

(2)在搅拌下，按质量比为1:2的比例，将炭黑与聚乳酸粉末混合均匀，加入相当于炭黑与聚乳酸粉末总质量4倍的无水乙醇，超声分散10min；

(3)称取炭黑与聚乳酸粉末总质量的5％的聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌下，加入到步骤(2)获得的混合液中，超声分散30min；在水浴温度为70℃的条件下，水浴加热并不断搅拌，直到混合液中液体挥发，得到干燥的混合粉末；

(4)将干燥的混合粉末加入拉丝机中进行拉丝，得到3D打印导电线材。

实施例3

一种3D打印导电线材的制备方法，包括如下步骤：

(1)将聚乳酸80000原料粉碎，得到粒径为0.5mm以下的聚乳酸粉末；

(2)在搅拌下，按质量比为1:5的比例，将炭黑与聚乳酸粉末混合均匀，加入相当于炭黑与聚乳酸粉末总质量5倍的无水乙醇，超声分散20min；

(3)称取炭黑与聚乳酸粉末总质量的5％的聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌下，加入到步骤(2)获得的混合液中，超声分散45min；在水浴温度为80℃的条件下，水浴加热并不断搅拌，直到混合液中液体挥发，得到干燥的混合粉末；

(4)将干燥的混合粉末加入拉丝机中进行拉丝，得到3D打印导电线材。

实验证明，实施例2、3制备的3D打印导电线材进行3D打印，得到的试样抗拉强度与实施例1相似。均导电，导热系数也与实施例1相似。

在添加炭黑与PLA聚乳酸的过程中，为了保证导电性，加入炭黑，但炭黑量多时，可能导致出丝时发生螺杆粘连现象，或线材无法成型，从而降低线材的可塑性；但添加炭黑量不足，又会导致线材导电性差，因此在添加材料过程中需要把握好炭黑与PLA粉末之间的比例，达到线材良好的导电性和可塑性之间的平衡。同时，PVP的添加量也要适度，要保证在起到良好的黏着效果的同时也具有良好的分散效果。

Claims (2)

1.一种3D打印导电线材的制备方法，其特征是包括如下步骤：

(1)将聚乳酸原料粉碎，得到粒径为0.5mm以下的聚乳酸粉末；

(2)在搅拌下，按质量比为1:2～5的比例，将炭黑与聚乳酸粉末混合均匀，加入相当于炭黑与聚乳酸粉末总质量3-5倍的无水乙醇，超声分散10-20min；

(3)称取炭黑与聚乳酸粉末总质量的5％～15％的聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌下，加入到步骤(2)获得的混合液中，超声分散30-45min；在水浴温度为60-80℃的条件下，水浴加热并不断搅拌，直到混合液中液体挥发，得到干燥的混合粉末；

(4)将干燥的混合粉末加入拉丝机中进行拉丝，得到3D打印导电线材。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤(4)所述3D打印导电线材的直径为1.75mm和3mm。