CN106832168B - 基于石墨烯呋喃树脂的3d打印材料及其制备方法、用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料，包括以下重量份原料组分：呋喃甲醇80份、呋喃甲醛20份、浓度20‑25mg/ml的石墨烯溶液30‑40份、三聚氰胺0.5‑1.0份、丙三醇5‑7份、碳酸钠2‑4份、多元酸4‑6份、硅烷偶联剂2‑3份。采用本发明的技术方案，获得的基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料，综合了石墨烯和呋喃树脂的优势，属于新型、环保、可降解的高分子材料，具有极其优异的性能。此外，本发明的3D打印材料，制备工艺简单，成本低廉，用途广泛，可用于制作各种电池极板，具有广泛的应用前景，对3D打印技术的发展具有积极作用。

Description

基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料及其制备方法、用途
技术领域
本发明涉及3D打印材料技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料，同时，还涉及该材料的制备方法及其用途。
背景技术
3D打印，属快速成型技术的一种，是以数字模型文件为基础，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来构造物体的技术，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，随着3D打印技术的迅速发展，更多更广泛的领域如汽车、航空航天、家电等行业，及一些产品的直接制造方面均得到应用，使国内外3D打印市场连续快速增长。
在3D打印技术中，打印材料是3D打印发展的关键，占据3D打印产值的45％以上份额，在未来发展中具有巨大生命力。目前3D打印材料已达数百种，常用材料有尼龙玻纤、聚乳酸、ABS树脂、耐用性尼龙材料、石膏材料、陶瓷材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料等，但与传统制造业比较，远远不足，在3D打印材料方面我国缺乏核心技术，得到的材料品质尚不够稳定，致使打印出的物体光滑度不尽人意，同时成本居高不下，严重影响了我国3D打印产业的健康发展，而且部分尼龙材料、陶瓷材料、光敏树脂材料和钛合金等冶金粉末材料，我国基本需依赖进口。因此，关键性材料的发展成为我国3D打印技术及产业发展的一大障碍，急需进一步研究拓展。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料，以高性能、生物质材料石墨烯、呋喃树脂为原料，获得性能优异的3D打印材料，能够显著提高3D打印产品的品质。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料，包括以下重量份原料组分：呋喃甲醇80份、呋喃甲醛20份、浓度20-25mg/ml的石墨烯溶液30-40份、三聚氰胺0.5-1.0份、丙三醇5-7份、碳酸钠2-4份、多元酸4-6份、硅烷偶联剂2-3份。
本发明的3D打印材料，以高性能、生物质材料呋喃甲醇、呋喃甲醛和石墨烯为主要原料，配以三聚氰胺、丙三醇、碳酸钠进行缩合反应，再与多元酸进行缩聚反应，最后辅以硅烷偶联剂的作用，得到可综合石墨烯和呋喃树脂优异性能的3D打印材料。该3D打印材料属于新型、环保、可降解的高分子材料，不仅原料成本低廉，而且性能极其优异，较传统3D打印材料如尼龙材料、陶瓷材料、光敏树脂材料等，具有粘结强度高、耐热性好、能抵抗所有化学品腐蚀的优势，制成的产品可作为耐各种酸碱、耐高温的理想型粘结剂，在环氧、酚醛、不饱和聚脂等树脂不能胜任的特殊场合适用；还具有韧性高、收缩率低、不翘边、不开裂、冷却快、能快速打印的优势。由该材料经3D打印获得的各种零部件比传统材料3D打印的零部件，表面光滑、坚硬、外观更美观，且性能独特，具有高强度、耐高温和防水防腐性，因此本发明的3D打印材料具有广泛的应用前景，对3D打印技术的发展具有积极作用。
作为对上述技术方案的限定，所述多元酸为癸二酸、草酸或油酸中的至少一种。
作为对上述技术方案的限定，所述硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷或N-β-氨乙基-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的至少一种。
进一步限定辅料多元酸和硅烷偶联剂的物质种类，以获得性能更优异、更稳定的3D打印材料。
同时，本发明还提供了一种如上所述的基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料的制备方法，包括以下步骤：
取原料呋喃甲醇，依次加入原料呋喃甲醛、石墨烯溶液、三聚氰胺、丙三醇、碳酸钠，边搅拌边升温，升温至40-45℃持续搅拌15-25分钟，然后加入多元酸，升温至90-105℃进行缩聚反应，待反应完全降温至30-40℃，再加入硅烷偶联剂，持续搅拌25-30分钟，调pH值至中性，过滤得到基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料产品。
本发明的3D打印材料，制备工艺简单，在制备过程中，通过限定原料的混合顺序、阶段控温温度及时间、缩聚反应温度、偶联剂的加入温度及搅拌时间，以促使材料的制备反应快速、完全，避免副反应的发生及减少副产物的生成，提高产品收率和产品质量。
作为对上述技术方案的限定，所述缩聚反应时间为1-2h。
作为对上述技术方案的限定，所述石墨烯溶液由石墨烯微粉末加入到乙醇溶液中并搅拌均匀制得，所述乙醇溶液为无水乙醇与去离子水按体积比1:(4-7)配制。
进一步限定制备过程中缩聚反应时间和石墨烯溶液的制备，以更好地控制材料制备过程，控制产品质量。
同时，本发明还提供了一种基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料的用途，由如上所述的基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料制作的3D产品用作电池极板，或汽车、船舶、航空航天、家用电器、建筑工程、医疗、教育、军工、化工领域的产品或零部件。
本发明获得的3D打印材料，因其优异的材料性能，不仅能满足3D打印的高标准要求，得到高性能的3D打印产品，而且获得的3D产品还具有广泛的用途，可用作汽车、船舶、航空航天、家用电器、建筑工程、医疗、教育、军工、化工等各领域的产品及零部件；此外还可制作各种电池极板，获得的电池极板属于一种超级电容器，用于锂电池、铅碳电池、碳锌电池，可容纳更大的电荷能量，并在几分钟内完成快速充电，具有充放电次数多、抗久性好、使用寿命长的优势。
综上所述，采用本发明的技术方案，获得的基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料，是以高性能、生物质材料呋喃甲醇、呋喃甲醛和石墨烯为主要原料，综合了石墨烯和呋喃树脂的优异性能，属于新型、环保、可降解的高分子材料。该材料具有粘结强度高、耐热性好、能抵抗所有化学品腐蚀的优异性能，和韧性高、收缩率低、不翘边、不开裂、冷却快、能快速打印的优势。由该材料经3D打印得到的各种零部件表面光滑、坚硬、外观美观、性能独特，并具有高强度、耐高温和防水防腐性。本发明的3D打印材料，制备工艺简单，成本低廉，用途广泛，可制作各种电池极板，具有广泛的应用前景，对3D打印技术的发展具有积极作用。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例涉及一种基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料及其制备方法和用途。
制备基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料，需要以下原料组分：呋喃甲醇、呋喃甲醛、浓度20-25mg/ml的石墨烯溶液、三聚氰胺、丙三醇、碳酸钠、多元酸、硅烷偶联剂；所述石墨烯溶液由石墨烯微粉末加入到乙醇溶液中并搅拌均匀制得，使用的石墨烯微粉末最佳粒度为(0.2-10)μm，乙醇溶液为无水乙醇与去离子水按体积比1:5或1:6或1:7配制得到；所述多元酸为癸二酸、草酸或油酸中的一种或几种混合；所述硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷(即硅烷偶联剂KH-550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(即硅烷偶联剂KH-560)、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(即硅烷偶联剂KH-570)或N-β-氨乙基-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷(即硅烷偶联剂KH-602)中的一种或几种混合；
制备方法包括以下步骤：取原料呋喃甲醇加入到反应釜中，开启搅拌，控制搅拌转速为每钟120-150转，然后依次加入原料呋喃甲醛、石墨烯溶液、三聚氰胺、丙三醇、碳酸钠，升温至40-45℃持续搅拌15-25分钟，然后加入多元酸，升温至90-105℃进行缩聚反应1-2h，待反应完全降温至30-40℃，再加入硅烷偶联剂，持续搅拌25-30分钟，调pH值至中性，过滤得到基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料产品；
各实施例中原料组分的配比如下表所示：
按上表所示获得的基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料，以高性能、生物质材料为主要原料，属于一种新型、环保、可降解的高分子材料。
对获得的3D打印材料进行性能测试，具有极其优异的性能。
该3D打印材料，综合了石墨烯和呋喃树脂的性能优势，较传统3D打印材料如尼龙材料、陶瓷材料、光敏树脂材料等，具有粘结强度高、耐热性好、能抵抗所有化学品腐蚀的优势，对于化学品腐蚀的抵抗如下表所示。由该材料制成的产品可作为耐各种酸碱、耐高温的理想型粘结剂，在常压下可高温450-500℃，真空下可耐高温2100-3800℃，在环氧、酚醛、不饱和聚脂等树脂不能胜任的特殊场合适用。
介质 耐腐蚀程度 介质 耐腐蚀程度
70％硫酸 耐 40-60苛性钠 耐
37％盐酸 耐 甲苯 耐
硫酸钠 耐 甲醇 耐
20％醋酸 耐 氯化铵 耐
10％硝酸 耐 40％硫酸与10％苛性钠交替 耐
5％铬酸 耐 10％双氧水 耐
75％磷酸 耐 10％氢氧化铵 耐
硝酸铵 耐 碳酸钠 耐
氨水 耐 尿素 耐
氢氟酸10％ 耐 水 耐
此外，该3D打印材料还具有韧性高、收缩率低、不翘边、不开裂、冷却快、能快速打印的性能优势，收缩率仅为0.06％，由该材料经3D打印获得的各种零部件比传统材料3D打印的零部件，表面光滑、坚硬、外观更美观，且性能独特，具有高强度、耐高温和防水防腐性。
本发明获得的3D打印材料，因其优异的材料性能，不仅能满足3D打印的高标准要求，得到高性能的3D打印产品，而且获得的3D产品还具有广泛的用途，可用作汽车、船舶、航空航天、家用电器、建筑工程、医疗、教育、军工、化工领域的产品或零部件，如汽车外壳、汽车刹车片、飞机外壳、飞机刹车盘、船舶外壳、电器或手机外壳及零部件、医疗器材、教学实验器具、军工化学武器、枪支等；此外还可制作各种电池极板，获得的电池极板属于一种超级电容器，用于锂电池、铅碳电池、碳锌电池，可容纳更大的电荷能量，并在几分钟内完成快速充电，充放电次数可达1200-1600次，使用寿命长达16-20年，具有充放电次数多、抗久性好、使用寿命长的优势。
综上所述，本发明的基于石墨烯呋喃树脂的3D打印材料，综合了石墨烯和呋喃树脂的性能优势，属于新型、环保、可降解的高分子材料，具有极其优异的性能，其制备工艺简单，成本低廉，用途广泛，可制作各种电池极板，具有广泛的应用前景，对3D打印技术的发展具有积极作用。

Claims (6)

1.一种石墨烯呋喃树脂材料，其特征在于，包括以下重量份原料组分：呋喃甲醇80份、呋喃甲醛20份、浓度20-25mg/ml的石墨烯溶液30-40份、三聚氰胺0.5-1.0份、丙三醇5-7份、碳酸钠2-4份、多元酸4-6份、硅烷偶联剂2-3份；
所述石墨烯呋喃树脂材料经由以下制备方法获得：
取原料呋喃甲醇，依次加入原料呋喃甲醛、石墨烯溶液、三聚氰胺、丙三醇、碳酸钠，边搅拌边升温，升温至40-45℃持续搅拌15-25分钟，然后加入多元酸，升温至90-105℃进行缩聚反应，待反应完全降温至30-40℃，再加入硅烷偶联剂，持续搅拌25-30分钟，调pH值至中性，过滤得到石墨烯呋喃树脂材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯呋喃树脂材料，其特征在于：所述多元酸为癸二酸、草酸或油酸中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的石墨烯呋喃树脂材料，其特征在于：所述硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷或N-β-氨乙基-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的至少一种。
4.一种如权利要求1至3中任一项所述的石墨烯呋喃树脂材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
取原料呋喃甲醇，依次加入原料呋喃甲醛、石墨烯溶液、三聚氰胺、丙三醇、碳酸钠，边搅拌边升温，升温至40-45℃持续搅拌15-25分钟，然后加入多元酸，升温至90-105℃进行缩聚反应，待反应完全降温至30-40℃，再加入硅烷偶联剂，持续搅拌25-30分钟，调pH值至中性，过滤得到石墨烯呋喃树脂材料产品。
5.根据权利要求4所述的石墨烯呋喃树脂材料的制备方法，其特征在于：所述缩聚反应时间为1-2h。
6.根据权利要求4所述的石墨烯呋喃树脂材料的制备方法，其特征在于：所述石墨烯溶液由石墨烯微粉末加入到乙醇溶液中并搅拌均匀制得，所述乙醇溶液为无水乙醇与去离子水按体积比1:(4-7)配制。
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