CN106700515A - 一种3d打印用pa-12/碳纤维复合材料的制备方法 - Google Patents
一种3d打印用pa-12/碳纤维复合材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于3D打印的PA-12复合材料及其制备方法,该3D打印材料是由PA-12和加工助剂组成,其重量份组成如下:PA-12为600~900份,碳纤维100~400份,增韧剂20~35份,偶联剂1~5份,分散剂10~30份,抗氧剂2~10份,润滑剂5~10。本发明的制备方法在于利用工艺添加碳纤维制备PA-12颗粒。将纯PA-12颗粒和碳纤维按质量比9:1在行星式球磨机中混合1~2h,即得PA-12/碳纤维机械混合复合材料,用双螺杆挤出机挤出、切粒,使之充分混合;用单螺杆挤出机挤出、拉丝、绕盘。本发明制备的3D打印材料具备适合的熔融温度和良好的结合强度,多用于工业生产模型设计及优化,能够缩短设计周期,节约设计成本,为3D打印提供了更为多样的材料。
Description
技术领域
本发明属于3D打印材料制造技术领域,涉及一种用碳纤维与PA-12尼龙材料制备的PA-12复合3D打印材料及制备方法。
背景技术
3D打印又称为快速成型技术,也称为增材制造技术,是一种不需要传统刀具、夹具和机床,而是以数字模型文件为基础,使用金属粉末或塑料等具有粘合性的材料逐层打印来制造任意形状物品的技术。3D打印机可以制造的物品很多,如飞机、手枪,再如食物、人体器官、儿童玩具等。3D打印技术是最近20年来世界制造技术领域的一次重大突破。是机械工程、计算机技术、数控技术、材料科学等多学科技术的集成。3D打印最难最核心的技术是打印材料的开发。因此开发更为多样多功能的3D打印材料成为未来研究与应用的热点与关键。本发明的3D打印材料是一种新材料,兼具金属和塑料的性能,为3D打印提供了更多的材料方面的选择。
熔融挤压堆积成型(FDM)技术是3D打印常用的一种技术,此技术利用热塑性聚合物在熔融状态下,从打印喷头挤出,然后凝固成轮廓薄层,再一层一层的叠加而成。目前,市场上该技术常用的聚合物材料为聚乳酸(PLA,ABS,PA),聚苯砜(PPSF)和聚碳酸酯(PC)等。FDM要求材料具有较低的冷凝收缩率、较陡的粘温曲线和较高的强度、刚度、热稳定性等。目前碳纤维/PA-12尼龙复合材料作为3D打印材料的文献很少。
行星式球磨机是针对粉碎、研磨、分散金属、非金属、有机、中草药等粉体进行设计的,特别适合实验室研究使用,其工作原理是利用磨料与试料在研磨罐内高速翻滚,对物料产生强力剪切、冲击、碾压达到粉碎、研磨、分散、乳化物料的目的。行星式球磨机在同一转盘上装有四个球磨罐,当转盘转动时,球磨罐在绕转盘轴公转的同时又围绕自身轴心自转,作行星式运动。罐中磨球在高速运动中相互碰撞,研磨和混合样品。该产品能用干、湿两种方法研磨和混合粒度不同、材料各异的产品,研磨产品最小粒度可至0.1微米。能很好的实现各种工艺参数要求,同时,其具有小批量、低功耗、低价位的优点。
发明内容
目前3D打印材料多使用纯塑料,塑料感强,亲和性差,本发明提出了一种3D打印碳纤维/PA-12尼龙复合材料及其制备方法,使得打印出来的物品具有比纯PA-12更好的力学性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种3D打印碳纤维/PA-12尼龙复合材料,其组分按重量份计为:PA-12材料 600~900份;碳纤维100~400份;偶联剂1~5份;分散剂10~25份;抗氧剂2~10份;润滑剂5~10份;增韧剂20~35份。
其中所述碳纤维选用高性能沥青短切碳纤维;所述聚酰胺塑料选用挤出级PA-12尼龙材料;所述加工助剂中的偶联剂选自γ—氨丙基三乙氧基硅烷、γ—缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ—氨丙基三甲氧基硅烷、γ—(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、正钛酸四异丙酯、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯或双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯中的一种或一种以上;润滑剂选用石蜡、PP蜡、PE蜡、硬脂酸、硬脂酸丁酯、油酰胺、乙撑双硬脂酰胺的一种;分散剂选用EBS;增韧剂选用POE、EDPM、EVA、SBS的一种;抗氧剂选自四[β—(3,5—二叔丁基—4—羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯,β—(3.5—二叔丁基—4—羟基苯基)丙酸十八碳醇脂,N, N’—双—[3—(3,5—二叔丁基—4—羟基苯基)丙酰基]己二胺或三(2,4—二叔丁基苯基)亚磷酸酯中的一种或一种以上。
本发明制备3D打印PA-12尼龙复合材料的具体实施步骤如下,
步骤1:碳纤维选择高性能沥青短切碳纤维,烘干备用;将PA-12原料烘干备用,各原料含水率小于0.02%;
步骤2:按照重量份称量碳纤维为100~400份,PA-12尼龙材料为600~900份,偶联剂1~5份,分散剂10~25份,抗氧剂2~10份;润滑剂5~10份,增韧剂20~35份;
步骤3:将步骤2称量的碳纤维加入行星式球磨机,加入步骤2称重的偶联剂继续混合30分钟,之后加入步骤2称重的分散剂、润滑剂继续混合30分钟,最后加入步骤2称量的PA-12尼龙材料、增韧剂继续混合90分钟,温度保持在120℃;
步骤4:将步骤3中得到的混合料用双螺杆挤出机造粒,双螺杆挤出机螺杆直径为75mm,长径比45:1,挤出机温度依次设定为:一区190~200℃,二区195~205℃,三区195~205℃,四区200~205℃,五区200~210℃,六区200~210℃,七区200~210℃,八区200~215℃,九区210~215℃,机头温度210~215℃;
步骤5:将步骤4得到的粒子用单螺杆挤出机进行挤出加工成直径为1.75±0.05mm的细丝,单螺杆挤出机螺杆直径15mm,长径比48:1,挤出温度依次设定为:一区190~200℃,二区195~205℃,三区195~205℃,四区200~205℃,五区200~210℃,六区200~210℃,七区200~210℃,八区200~215℃,九区210~215℃,机头温度210~215℃;
步骤6:细丝经水冷,风干,绕盘。
本发明的有益效果是:
(1)本发明使用常用的热塑性塑料PA-12尼龙材料,材料新,性能优,拓宽了3D打印材料原料的选择范围;
(2)本发明使用高性能沥青短切碳纤维填充PA-12尼龙材料,制成PA-12尼龙复合材料,使得制品具有合适的熔融温度和良好的结合强度,节约设计成本,为3D打印提供了更为多样的材料;
(3)本发明制成的3D打印PA-12尼龙复合材料具有很好的耐磨性、耐油性、韧性、冲击强度,通过3D打印技术打印出来的产品高质量、高抗冲、高强度。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明,但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实例1:
步骤1:碳纤维选择高性能沥青短切碳纤维,烘干备用;将碳纤维烘干备用,原料含水率小于0.02%;
步骤2:按照重量份称量碳纤维为100份,PA-12尼龙材料为900份,偶联剂2份,分散剂15份,润滑剂8份,抗氧剂10份,增韧剂25份;
步骤3:将步骤2称量的碳纤维加入行星式球磨机,加入步骤2称重的偶联剂继续混合30分钟,之后加入步骤2称重的分散剂、润滑剂、抗氧剂继续混合30分钟,最后加入步骤2称量的PA-12尼龙材料、增韧剂继续混合90分钟,温度保持在120 ℃;
步骤4:将步骤3中得到的混合料用双螺杆挤出机造粒,双螺杆挤出机螺杆直径为75mm,长径比45:1,挤出机温度依次设定为:一区190℃,二区195℃,三区200℃,四区205℃,五区205℃,六区205℃,七区210℃,八区210℃,九区215℃,机头温度215℃;
步骤5:将步骤4得到的粒子用单螺杆挤出机进行挤出加工成直径为1.75±0.05mm的细丝,单螺杆挤出机螺杆直径15mm,长径比48:1,挤出温度依次设定为:一区190℃,二区195℃,三区200℃,四区205℃,五区205℃,六区205℃,七区210℃,八区210℃,九区215℃,机头温度215℃;
步骤6:细丝经水冷,风干,绕盘。
实例2:
步骤1:碳纤维选择高性能沥青短切碳纤维,烘干备用;将碳纤维烘干备用,原料含水率小于0.02%;
步骤2:按照重量份称量碳纤维为200份,PA-12尼龙材料为800份,偶联剂2份,分散剂15份,润滑剂8份,抗氧剂10份,增韧剂25份;
步骤3:将步骤2称量的碳纤维加入行星式球磨机,加入步骤2称重的偶联剂继续混合30分钟,之后加入步骤2称重的分散剂、润滑剂、抗氧剂继续混合30分钟,最后加入步骤2称量的PA-12尼龙材料、增韧剂继续混合90分钟,温度保持在120 ℃;
步骤4:将步骤3中得到的混合料用双螺杆挤出机造粒,双螺杆挤出机螺杆直径为75mm,长径比45:1,挤出机温度依次设定为:一区190℃,二区195℃,三区200℃,四区205℃,五区210℃,六区210℃,七区215℃,八区215℃,九区215℃,机头温度220℃;
步骤5:将步骤4得到的粒子用单螺杆挤出机进行挤出加工成直径为1.75±0.05mm的细丝,单螺杆挤出机螺杆直径15mm,长径比48:1,挤出温度依次设定为:一区190℃,二区195℃,三区200℃,四区205℃,五区210℃,六区210℃,七区215℃,八区215℃,九区215℃,机头温度220℃;
步骤6:细丝经水冷,风干,绕盘。
实例3:
步骤1:碳纤维选择高性能沥青短切碳纤维,烘干备用;将碳纤维烘干备用,原料含水率小于0.02%;
步骤2:按照重量份称量碳纤维为300份,PA-12尼龙材料为700份,偶联剂3份,分散剂15份,润滑剂8份,抗氧剂10份,增韧剂30份;
步骤3:将步骤2称量的碳纤维加入行星式球磨机,加入步骤2称重的偶联剂继续混合30分钟,之后加入步骤2称重的分散剂、润滑剂、抗氧剂继续混合30分钟,最后加入步骤2称量的PA-12尼龙材料、增韧剂继续混合90分钟,温度保持在120 ℃;
步骤4:将步骤3中得到的混合料用双螺杆挤出机造粒,双螺杆挤出机螺杆直径为75mm,长径比45:1,挤出机温度依次设定为:一区190℃,二区195℃,三区200℃,四区210℃,五区210℃,六区215℃,七区215℃,八区215℃,九区215℃,机头温度220℃;
步骤5:将步骤4得到的粒子用单螺杆挤出机进行挤出加工成直径为1.75±0.05mm的细丝,单螺杆挤出机螺杆直径15mm,长径比48:1,挤出温度依次设定为:一区190℃,二区195℃,三区200℃,四区210℃,五区210℃,六区215℃,七区215℃,八区215℃,九区215℃,机头温度220℃;
步骤6:细丝经水冷,风干,绕盘。
将材料进行性能检测,结果符合3D打印用复合材料性能要求。
Claims (10)
1.一种3D打印PA-12复合材料,其特征在于:由PA-12尼龙材料、碳纤维、加工助剂组成,其组分重量份有如下的组成:PA-12材料 600~900份;碳纤维100~400份;偶联剂1~5份;分散剂10~25份;抗氧剂2~10份;润滑剂5~10份;增韧剂20~35份。
2. 根据权利要求1所述3D打印PA-12复合材料,其特征在于:所述碳纤维是热导率大于200W/(mK),拉伸模量大于700GPa的高性能沥青纤维。
3. 根据权利要求1所述3D打印PA-12复合材料,其特征在于:所述PA-12尼龙材料选用挤出级PA-12尼龙材料。
4.根据权利要求1所述3D打印PA-12复合材料,其特征在于:偶联剂选自γ—氨丙基三乙氧基硅烷、γ—缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ—氨丙基三甲氧基硅烷、γ—(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、正钛酸四异丙酯、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯或双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯中的一种或一种以上。
5.根据权利要求1所述3D打印PA-12复合材料,其特征在于:抗氧剂选自四[β—(3,5—二叔丁基—4—羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯,β—(3.5—二叔丁基—4—羟基苯基)丙酸十八碳醇脂,N, N’—双—[3—(3,5—二叔丁基—4—羟基苯基)丙酰基]己二胺或三(2,4—二叔丁基苯基)亚磷酸酯中的一种或一种以上。
6.根据权利要求1所述3D打印PA-12复合材料,其特征在于:所述润滑剂选用石蜡、PP蜡、PE蜡、硬脂酸、硬脂酸丁酯、油酰胺、乙撑双硬脂酰胺中的一种。
7.根据权利要求1所述3D打印PA-12复合材料,其特征在于:所述分散剂选用EBS;所述增韧剂选用POE、EVA、SBS、EDPM中的一种。
8.一种如权利要求1所述的3D打印PA-12复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将原料碳纤维和PA-12树脂充分干燥;
(2)按照配比称取各组分原料;
(3)将各组分原料在行星式球磨机中混合;
(4)将步骤(3)所得混合物料加入双螺杆挤出机料斗挤出造粒;
(5)将步骤(4)所得复合材料颗粒加入单螺杆挤出机料斗挤出、拉丝、绕盘。
9.根据权利要求8所述的3D打印PA-12复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述干燥的条件是在80—140℃下鼓风干燥4—6小时,加工前的含水量必须小于0.02wt %。
10.根据权利要求8所述的3D打印PA-12复合材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤(4)、(5)中所述挤出机自喂料口至挤出机模头的温区温度设定分别为:一区190~200℃,二区195~205℃,三区195~205℃,四区200~205℃,五区200~210℃,六区200~210℃,七区200~210℃,八区200~215℃,九区210~215℃,机头温度210~215℃。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170524 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |