CN106433126B - 一种激光烧结成型3d打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的制备方法，包括以下步骤：(1)干燥：将碳纳米管粉末放入高速混合机中，在100℃条件下干燥3h；(2)共混：按质量比加入聚酰亚胺和步骤(1)中干燥后的碳纳米管粉末于高速混合机中，在50℃条件下，低速间歇混合30min，然后高速混合30min；(3)研磨：将步骤(2)中共混粉末加入研磨机中，在320r/min条件下，研磨1.5h；(4)干燥：将步骤(3)中共混粉末在90℃条件下干燥2h，得到激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末；其中，所述聚酰亚胺与碳纳米管粉末的质量比为(1～3)：1。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于激光烧结快速成型粉末材料的制备方法，属于快速成型的材料领域，更具体地，本发明涉及一种激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的制备方法。
背景技术
3D打印(3D printing)，是一种以数字模型文件为基础，运用流体状、粉末状、丝(棒)状等可固化、粘合、熔合材料，通过逐层固化、粘合、熔合的方式来构造物体的技术。3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术。传统制造业一般需要对原材料进行切割或钻孔，即减材制造，可大规模生产；3D打印是将材料一层层堆叠粘合、熔合，即增材制造；可实现快速个性化制造，可制造出传统制造业无法完成的形状。
选择性激光烧结(SLS)，属于3D打印技术的一种方法，采用可控激光束熔融粉末状材料进行层层累积烧结出复杂的立体模型。在发展选择性激光烧结这类3D打印技术产业化的进程中，制造设备和材料基础研究是两大关键技术。选择性激光烧结对原材料要求较为苛刻，材料需要以粉末状提供；烧结过程中，材料在快速融化和凝固等物态变化之后，仍须具有良好的物理、化学性质。目前，常用于选择性激光烧结研究的材料，有金属材料、陶瓷材料、聚合物材料以及它们之间的复合材料，但是应用于选择性激光烧结成型的材料不仅种类少、成本昂贵，而且加工工艺也比较复杂，因而难以实现产业化。
碳纳米管粉末来源广泛且价格低廉；聚酰亚胺(polyimide，PI)是主链上含有酰亚胺环的具有优良耐热性、耐化学稳定性、力学性能和电性能的一类高分子材料，不仅可以在传统的航空、航天及国防科技工业中用作结构性树脂基复合材料和特种材料、在电子工业中用作绝缘材料、在一些通用技术中用做吸热及吸声材料、结构粘接剂和保护涂层，而且逐步开始在集成电路、液晶显示、发光器件、燃料电池、光纤通讯、气体分离等高科技领域中得到广泛的应用。但是由于其特殊的分子结构而受到了很大的限制，主加工较为困难。
因此，本发明通过聚酰亚胺结构的调整，合成出3D打印技术的耐高温聚酰亚胺，用于制备选择性激光烧结3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末的复合材料，可以方便快捷地成形精密、异型、复杂、耐高温、机械强度高、尺寸稳定性好的部件。
发明内容
本发明提供激光烧结成形3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)干燥：将碳纳米管粉末放入高速混合机中，在100℃条件下干燥3h；
(2)共混：按质量比加入聚酰亚胺和步骤(1)中干燥后的碳纳米管粉末于高速混合机中，在50℃条件下，低速间歇混合30min,然后高速混合30min；
(3)研磨：将步骤(2)中共混粉末加入研磨机中，在320r/min条件下，研磨1.5h；
(4)干燥：将步骤(3)中共混粉末在90℃条件下干燥2h，得到激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末；
其中，所述聚酰亚胺与碳纳米管粉末的质量比为100：(0.1-5)。
在一种实施方式中，所述聚酰亚胺的制备单体包括二酐单体、二胺单体；所述二胺单体包括芳香二胺、咪唑二胺。
在一种实施方式中，所述二酐单体选自3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)、4,4’-氧双邻苯二甲酸酐、5,5’-氧代(4,1-苯氧基)]双邻苯二甲酸酐中一种或多种。
在一种实施方式中，所述芳香二胺、咪唑二胺的摩尔比为1：(2～4)。
在一种实施方式中，所述芳香二胺选自对苯二胺、1,4,-双(4-氨基苯氧基)苯、1,4,-双(3-氨基苯氧基)苯、1,3,-双(4-氨基苯氧基)苯、1,4-二氨基苯中一种或多种；所述咪唑二胺选自2-(4-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑、2-(3-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑、2,2’-双(4-氨基苯基)-5,5’-联苯并咪唑、2,2’-双(4-氨基苯基)苯并咪唑、2,2’-双(3-氨基苯基)苯并咪唑中一种或多种。
在一种实施方式中，所述聚酰亚胺树脂的粒径为50～800μm。
在一种实施方式中，所述聚酰亚胺树脂的粒径为50～100μm。
在一种实施方式中，所述碳纳米管的管径为10～400nm。
在一种实施方式中，所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的预热温度为70～80℃；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的输入能量密度为0.1～0.4J/mm3；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的激光功率为5～40W。
在一种实施方式中，所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的扫描速率为1500～2000mm/s；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的烧结间距为0.1～0.2mm；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的单层厚度为0.1～0.2mm；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的加工温度为110～150℃。
参考以下详细说明更易于理解本申请的上述以及其他特征、方面和优点。
具体实施方式
参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。
如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由…组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由…组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
单数形式包括复数讨论对象，除非上下文中另外清楚地指明。“任选的”或者“任意一种”是指其后描述的事项或事件可以发生或不发生，而且该描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。
说明书和权利要求书中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的而不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应的，用“大约”、“约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。
此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。
“聚合物”意指通过聚合相同或不同类型的单体所制备的聚合化合物。通用术语“聚合物”包含术语“均聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”与“共聚体”。
“共聚体”意指通过聚合至少两种不同单体制备的聚合物。通用术语“共聚体”包括术语“共聚物”(其一般用以指由两种不同单体制备的聚合物)与术语“三元共聚物”(其一般用以指由三种不同单体制备的聚合物)。其亦包含通过聚合更多种单体而制造的聚合物。“共混物”意指两种或两种以上聚合物通过物理的或化学的方法共同混合而形成的聚合物。
本发明提供一种激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)干燥：将碳纳米管粉末放入高速混合机中，在100℃条件下干燥3h；
(2)共混：按质量比加入聚酰亚胺和步骤(1)中干燥后的碳纳米管粉末于高速混合机中，在50℃条件下，低速间歇混合30min,然后高速混合30min；
(3)研磨：将步骤(2)中共混粉末加入研磨机中，在320r/min条件下，研磨1.5h；
(4)干燥：将步骤(3)中共混粉末在90℃条件下干燥2h，得到激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末；
其中，所述聚酰亚胺与碳纳米管粉末的质量比为100：(0.1-5)。
聚酰亚胺树脂
聚酰亚胺(polyimide，PI)是主链上含有酰亚胺环的具有优良耐热性、耐化学稳定性、力学性能和电性能的一类高分子材料。
碳纳米管粉末
碳纳米管可以看作是由石墨片卷绕而成的无缝中空管状。单壁碳纳米管仅由一层石墨片卷曲层，直径在0.8-2nm之间；多壁碳纳米管则由两层以上的石墨片卷曲层，直径一般为5-20nm，有些甚至超过100nm，管壁间距为0.34-0.4nm，二者长度可从几十纳米到几十厘米，长径比很高。碳纳米管作为重要代表性的一维纳米材料，具有多方面优异的性能，使其在很多领域取得较好的应用前景和现状。比如在储能(燃料电池和锂电池)、复合材料、化学与生物分离、纯化和催化等材料领域，碳纳米管已经有了实际的应用；在探针、传感器和制动器、晶体管、存储器、逻辑器件和场发射器件等器件领域已取得了巨大的研究进展，有些已经进入实用性阶段。
作为本发明的一种实施方式，所述碳纳米管的管径为10～400nm。
在一种实施方式中，所述聚酰亚胺的制备单体包括二酐单体、二胺单体；所述二胺单体包括芳香二胺、咪唑二胺。
在一种实施方式中，所述二酐单体选自3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)、4,4’-氧双邻苯二甲酸酐、5,5’-氧代(4,1-苯氧基)]双邻苯二甲酸酐中一种或多种；优选地，所述二酐单体选自3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)。
在一种实施方式中，所述芳香二胺、咪唑二胺的摩尔比为1：(2～4)；优选地，所述芳香二胺、咪唑二胺的摩尔比为1：3。
在一种实施方式中，所述芳香二胺选自对苯二胺、1,4,-双(4-氨基苯氧基)苯、1,4,-双(3-氨基苯氧基)苯、1,3,-双(4-氨基苯氧基)苯、1,4-二氨基苯中一种或多种；所述咪唑二胺选自2-(4-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑、2-(3-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑、2,2’-双(4-氨基苯基)-5,5’-联苯并咪唑、2,2’-双(4-氨基苯基)苯并咪唑、2,2’-双(3-氨基苯基)苯并咪唑中一种或多种；优选地，所述芳香二胺选自1,4-二氨基苯；所述咪唑二胺选自2-(3-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑。
在一种实施方式中，所述聚酰亚胺树脂的粒径为50～800μm；优选地，所述聚酰亚胺树脂的粒径为50～100μm。
在一种实施方式中，所述3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)的制备方法，包括以下步骤：
(1)将3-氯代邻苯二甲酸酐溶于乙酸酐中，至完全溶解，再加入甲胺水溶液，加热反应3.5-5h后，冷却至室温，并用冰水冷却至10℃以下，过滤、干燥，即得产物A；
(2)将步骤(1)中的产物A与间苯二酚溶于二甲基亚砜，至完全溶解，再加入催化剂并加热回流反应，反应过程中TLC追踪间苯二酚，至体系中无间苯二酚后，继续回流反应0.5-2h，随后抽滤、冷却、水洗、离心、干燥，即得产物B；
(3)将步骤(2)中的产物B与氢氧化钠溶液进行混合，加热至沸腾，待固体溶解后反应0.5-2h，随后加入浓盐酸调节pH为7-8，继续煮沸5-15min，过滤除去不溶固体，将滤液加热至沸腾，并用浓盐酸调节pH为1-2，冷却，即得产物C；
(4)将步骤(3)中的产物C与脱水剂进行混合，搅拌加热，脱水过滤、洗涤、干燥，即得3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)。
在一种实施方式中，所述聚酰亚胺的制备方法包括以下步骤：
(1)在室温把称好的二酐粉末在搅拌下加入到二胺的DMAc溶液中，搅拌6h左右得到固含量为10％左右的聚酰胺酸溶液；
(2)向步骤(1)中加入封端剂苯酐，继续搅拌20h得到苯酐封端的聚酰胺酸溶液；
(3)向步骤(2)中加入一定量的酸酐及三乙胺进行化学亚胺化，反应20h后在乙醇中沉淀，所沉淀出的聚酰亚胺粉末用乙醇在索氏提取器中萃取后真空200℃热处理1h，得到聚酰亚胺样品。
在一种实施方式中，所述碳纳米管的管径为10～400nm；优选地，所述碳纳米管的管径为10～200nm；更优选地，所述碳纳米管的管径为50～100nm。
本发明中碳纳米管粉末具有吸光性和还原性，在成型过程中材料对激光的吸收效率提高，也不产生喷溅。
选择性激光烧结技术
选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering)是快速成型技术中重要的一个分支,它集成了机械制造基础、激光技术、材料科学、现代控制工程、计算机技术、现代测试技术及CAD/CAM理论基础及应用等技术。该技术能够在较短的时间内生产制造出零件原型和模具，广泛的应用于机械制造的各个领域。该技术基于分层-叠加原理，利用计算机控制高能激光束的运动轨迹，利用激光束的高能量熔化金属粉末，待激光光斑移开之后，金属液又快速凝固。整个过程就是激光光斑运动的由点到面，再由面到体的过程，每个零件都是由成形面层层叠加而成。SLS加工过程的技术路线是，首先针对零件建立相应的CAD模型，将模型导入成型系统进行逐层切片，得到的每一层切片包含截面的几何信息，生成STL格式文件。然后高能激光束在计算机的控制下沿着每一层切片的轨迹进行扫描，熔化该区域内的金属粉末。待一层结束后再铺下一层粉末，重复以上过程直至零件成形。
在一种实施方式中，所述激光烧结3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材在3D打印机上成型的应用，特点为：将激光烧结3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材加入到选择性激光烧结成型机的供粉缸中，铺粉滚轮将粉末材料均匀地铺在加工平面上并被加热至加工温度，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层形状进行扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件，其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描。
在一种实施方式中，所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的预热温度为70～80℃；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的输入能量密度为0.1～0.4J/mm3；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的激光功率为5～40W；优选地，所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的预热温度为70～75℃；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的输入能量密度为0.12～0.32J/mm3；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的激光功率为5～30W。
在一种实施方式中，所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的扫描速率为1500～2000mm/s；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的烧结间距为0.1～0.2mm；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的单层厚度为0.1～0.2mm；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的加工温度为110～150℃；优选地，所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的扫描速率为1900mm/s；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的烧结间距为0.15mm；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的单层厚度为0.15mm；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的加工温度为120～140℃。
本发明第一方面通过制备一种玻璃化温度高，熔融温度较低的适合于3D打印制作使用温度较高的“工件”的聚酰亚胺，第二方面通过优化聚酰亚胺和碳纳米管粉末的成分比例、各种粉末质量的均匀性，克服了碳纳米管粉末与聚酰亚胺树脂的相容性，并通过激光烧结原理是在几乎无外力施加条件下加工材料使得烧结出的成形件具有很强的物理性能和化学性能，并且提出的设计实验材料的方案简便快速，极大的缩减时间和节约资源。
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
另外，如果没有其它说明，所用原料都是市售的，购于国药化学试剂。
实施例1
激光烧结成形3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的制备方法，包括以下步骤：
(1)干燥：将碳纳米管放入高速混合机中，在100℃条件下干燥3h；所述碳纳米管的管径为400nm；
(2)共混：按质量比加入聚酰亚胺和步骤(1)中干燥后的碳纳米管粉末于高速混合机中，在50℃条件下，低速间歇混合30min，然后高速混合30min；所述聚酰亚胺与碳纳米管粉末的质量比为100：0.1；所述聚酰亚胺树脂的粒径为100μm；
(3)研磨：将步骤(2)中共混粉末加入研磨机中，在320r/min条件下，研磨1.5h；
(4)干燥：将步骤(3)中共混粉末在90℃条件下干燥2h，得到激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末。
所述激光烧结3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材在3D打印机上成型的应用
将激光烧结3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材加入到选择性激光烧结成型机的供粉缸中，铺粉滚轮将粉末材料均匀地铺在加工平面上并被加热至加工温度，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层形状进行扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件，其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的预热温度为80℃；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的输入能量密度为0.24J/mm3；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的激光功率为10W；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的扫描速率为1900mm/s；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的烧结间距为0.2mm；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的单层厚度为0.2mm；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的加工温度为150℃。
所述聚酰亚胺的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.05mol的3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)加入到0.025mol的对苯二胺和0.025mol的2-(4-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑的DMAc溶液中加入三口烧瓶中，加入230mLDMAc，放入低温浴中(-5℃)，快速搅拌，反应6h后；
(2)向步骤(1)中加入苯酐封端剂，期间加入DMAc对溶液逐步稀释，继续搅拌20h左右得到质量浓度10％苯酐封端的PAA溶液；
(3)向步骤(2)中加入0.3mol乙酸酐、0.015mol三乙胺及0.035mol吡啶进行化学亚胺化，60℃下大约反应20h后在水中沉淀，所沉淀出来的聚酰亚胺粉末用乙醇在索氏提取器中萃取后真空200℃热处理1h，得到聚酰亚胺。
所述3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)的合成方法，包括以下步骤：
(1)将3-氯代邻苯二甲酸酐置于反应容器中，将3-氯代邻苯二甲酸酐与乙酸酐按照13g：45ml的配比，加入乙酸酐，在50℃下搅拌30min，至3-氯代邻苯二甲酸酐完全溶解，将3-氯代邻苯二甲酸酐与甲胺水溶液按照13g：9ml的配比，再加入质量分数30％的甲胺水溶液，加热回流，甲苯带水反应5h后，冷却至室温，并用冰水冷却至5℃以下，过滤、干燥，即得产物A；
(2)将按照1.5：1的质量配比称取步骤(1)中的产物A与间苯二酚于反应容器中，并加入100ml的二甲基亚砜，搅拌使原料完全溶解，再加入质量分数为总原料的2％的碳酸钾并加热回流，回流反应3h，热过滤，滤液冷却至室温，倾倒入水中并不断搅拌，析出的沉淀经离心机离心得到固体，得到固体经盐酸酸化、水洗、干燥后，以无水乙醇作为溶剂并用索式提取器除去过滤的间二苯酚，再用氯仿洗涤，直至TLC检测不出间苯二酚，即得产物B；
(3)将步骤(2)中的产物B与质量分数为22％的氢氧化钠溶液按照4g：26ml配比进行混合，加热至沸腾，待固体溶解后反应2h，随后加入质量分数为38％的浓盐酸调节pH为7-8，继续煮沸10min，过滤除去不溶固体，将滤液加热至沸腾，并用质量分数为38％的浓盐酸调节pH为1-2，冷却，即得产物C；
(4)将步骤(3)中的产物C与乙酸酐进行混合，搅拌加热至120℃，脱水过滤、洗涤、干燥，即得3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)，产率为99％。
实施例2
所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的制备方法，同实施例1，区别在于所述碳纳米管粉末的管径为200nm；所述聚酰亚胺与碳纳米管粉末的质量比为100：5；所述聚酰亚胺树脂的粒径为80μm。
所述激光烧结3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材在3D打印机上成型的应用同实施例1，区别在于所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的烧结间距为0.15mm；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的单层厚度为0.15mm；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的加工温度为140℃。
所述聚酰亚胺的制备方法同实施例1，区别在于所述二胺单体为对苯二胺和2-(4-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑的混合物，且对苯二胺和2-(4-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑的摩尔比为1：2。
所述3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)的合成方法同实施例1。
实施例3
所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的制备方法，同实施例1，区别在于所述碳纳米管粉末的粒径为150nm，所述聚酰亚胺与碳纳米管粉末的质量比为100：2；所述聚酰亚胺树脂的粒径为80μm。
所述激光烧结3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材在3D打印机上成型的应用同实施例1，所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的加工温度为110℃。
所述聚酰亚胺的制备方法同实施例1，区别在于所述二胺单体为对苯二胺和2-(4-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑的混合物，且对苯二胺和2-(4-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑的摩尔比为1：4。
所述3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)的合成方法同实施例1。
实施例4
所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的制备方法，同实施例1，区别在于所述碳纳米管粉末的粒径为60nm；所述碳纳米管粉末的振实密度为0.15kg/cm2；所述聚酰亚胺与碳纳米管粉末的质量比为100：1.8；所述聚酰亚胺树脂的粒径为50μm。
所述激光烧结3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材在3D打印机上成型的应用同实施例1，所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的加工温度为140℃。
所述聚酰亚胺的制备方法同实施例1，区别在于所述二胺单体为对苯二胺和2-(4-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑的混合物，且对苯二胺和2-(4-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑的摩尔比为1：3。
所述3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)的合成方法同实施例1。
性能测试
拉伸性能：在CMT5504型电子万能力学试验机上进行抗拉强度试验，按GB/T1040-1992标准制成标准样条，拉伸速度为5mm/s。
弯曲性能：在CMT5504型电子万能力学试验机上进行弯曲性能试验，按GB/T9341-2008标准制成标准样条，试验速度为2mm/min。
无缺口试样简支梁冲击强度：在XJC-25Z型机械组合摆锤冲击试验机上进行冲击试验，按GB/T 1043-1993制成标准样条，冲击能量为2J。
表1性能测试结果
| 拉伸强度(MPa) | 弯曲强度(MPa) | 冲击强度(MPa) | |
| 实施例1 | 110 | 99 | 61.71 |
| 实施例2 | 116 | 101 | 65.76 |
| 实施例3 | 119 | 105 | 68.80 |
| 实施例4 | 122 | 110 | 70.92 |
从上述性能测试结果中可以看出，与所述二胺单体为对苯二胺制备的聚酰亚胺得到的激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材、所述二胺单体为2-(4-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑制备的聚酰亚胺得到的激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材相比，本发明不仅克服了碳纳米管粉末与聚酰亚胺树脂的相容性，并通过激光烧结原理是在几乎无外力施加条件下加工材料使得烧结出的成形件具有很强的物理性能和化学性能，还具有耐高温、且应用领域广。
前述的实例仅是说明性的，用于解释本发明所述方法的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。在权利要求中所用的一些数值范围也包括了在其之内的子范围，这些范围中的变化也应在可能的情况下解释为被所附的权利要求覆盖。
Claims (1)
1.激光烧结成形3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)干燥：将碳纳米管粉末放入高速混合机中，在100℃条件下干燥3h；所述碳纳米管的管径为60nm；
(2)共混：按质量比加入聚酰亚胺和步骤(1)中干燥后的碳纳米管粉末于高速混合机中，在50℃条件下，低速间歇混合30min，然后高速混合30min；所述聚酰亚胺与碳纳米管粉末的质量比为100：1.8；所述聚酰亚胺树脂的粒径为50μm；
(3)研磨：将步骤(2)中共混粉末加入研磨机中，在320r/min条件下，研磨1.5h；
(4)干燥：将步骤(3)中共混粉末在90℃条件下干燥2h，得到激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末；
所述聚酰亚胺的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.05mol的3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)加入到0.025mol的对苯二胺和0.075mol的2-(4-氨基苯基)-5氨基苯基苯并咪唑的DMAc溶液中加入三口烧瓶中，加入230mL DMAc，放入低温浴中，快速搅拌，反应6h后；
(2)向步骤(1)中加入苯酐封端剂，期间加入DMAc对溶液逐步稀释，继续搅拌20h得到质量浓度10％苯酐封端的PAA溶液；
(3)向步骤(2)中加入0.3mol乙酸酐、0.015mol三乙胺及0.035mol吡啶进行化学亚胺化，60℃下反应20h后在水中沉淀，所沉淀出来的聚酰亚胺粉末用乙醇在索氏提取器中萃取后真空200℃热处理1h，得到聚酰亚胺；
所述3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)的合成方法，包括以下步骤：
S01将3-氯代邻苯二甲酸酐置于反应容器中，将3-氯代邻苯二甲酸酐与乙酸酐按照13g：45ml的配比，加入乙酸酐，在50℃下搅拌30min，至3-氯代邻苯二甲酸酐完全溶解，将3-氯代邻苯二甲酸酐与甲胺水溶液按照13g：9ml的配比，再加入质量分数30％的甲胺水溶液，加热回流，甲苯带水反应5h后，冷却至室温，并用冰水冷却至5℃以下，过滤、干燥，即得产物A；
S02将按照1.5：1的质量配比称取步骤S01中的产物A与间苯二酚于反应容器中，并加入100ml的二甲基亚砜，搅拌使原料完全溶解，再加入质量分数为总原料的2％的碳酸钾并加热回流，回流反应3h，热过滤，滤液冷却至室温，倾倒入水中并不断搅拌，析出的沉淀经离心机离心得到固体，得到固体经盐酸酸化、水洗、干燥后，以无水乙醇作为溶剂并用索式提取器除去过滤的间二苯酚，再用氯仿洗涤，直至TLC检测不出间苯二酚，即得产物B；
S03将步骤S02中的产物B与质量分数为22％的氢氧化钠溶液按照4g：26ml配比进行混合，加热至沸腾，待固体溶解后反应2h，随后加入质量分数为38％的浓盐酸调节pH为7-8，继续煮沸10min，过滤除去不溶固体，将滤液加热至沸腾，并用质量分数为38％的浓盐酸调节pH为1-2，冷却，即得产物C；
S04将步骤S03中的产物C与乙酸酐进行混合，搅拌加热至120℃，脱水过滤、洗涤、干燥，即得3,3′-(间苯二氧基)双(邻苯二甲酸酐)；
所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的预热温度为70～80℃；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的输入能量密度为0.1～0.4J/mm3；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的激光功率为5～40W；
所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的扫描速率为1500～2000mm/s；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的烧结间距为0.1～0.2mm；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺碳纳米管粉末耗材的单层厚度为0.1～0.2mm；所述激光烧结成型3D打印聚酰亚胺/碳纳米管粉末耗材的加工温度为110～150℃。
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