CN107090189A - 一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉及其制备方法 - Google Patents

一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉及其制备方法，它涉及一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉及其制备方法。本发明是要解决现有木塑复合粉的选择性激光烧结制件力学强度较低、无法满足制件直接应用于实际工业产品的零件结构的问题。该木塑复合材料包括松木粉、聚醚砜颗粒、碳纳米管。方法为按比例称取三种原材料，机械混合均匀。采用选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉制备的制件可以广泛应用于制作功能件或各种零部件，进行小批量生产，本发明促进了选择性激光烧结技术在社会生产中的应用，具有良好前景。

Description

一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉及其制备方法。
背景技术
选择性激光烧结(SLS)是一种以激光为热源烧结粉末材料成形的快速成形技术(3D打印技术)，基本原理是：在工作台上均匀铺上一层很薄的加工材料粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，被激光束照射的加工材料粉末融化并在随后的冷却过程中粘结在一起，就完成了一个层面的加工；逐层铺粉，逐层扫描烧结，直到完成最后一层的加工，制造出三维实体模型。该技术彻底颠覆了传统的采用材料去除方式达到零件形状和精度的方法，采用全新的“增材”方式加工零部件，在现代制造业中受到越来越广泛的关注。
目前，可成功进行SLS成型加工的材料有三大类：高分子、金属和无机非金属，但原材料粉末制备成本高一直是SLS技术推广应用的瓶颈之一。近年来新开发以农林废弃粉末如锯末、秸秆或稻壳等植物纤维与高分子材料复合而成的3D打印材料不但更加节能环保，而且成本极低，如粉碎加工后的秸秆和稻壳等粉末每公斤不足2元。有人把这类材料称作“第四种3D打印材料”。
已有的研究表明以木粉和塑料的复合粉末为原材料，采用选择性激光烧结制备的零部件具有硬度较高，刚性好，烧结制件尺寸稳定性好，不易产生裂纹、翘曲，不污染环境、绿色环保等优点，大大降低了材料成本，扩大了3D打印制品的应用范围。CN200910072409.3公开了一种用于选择性激光烧结快速成型的木塑复合粉及其制备方法，该发明中的木塑复合粉由热熔胶粉末、经碱化处理的木质粉末、降粘剂、光稳定剂、偶联剂、引发剂和有机填料制成，用SLS技术所加工出零部件的相对翘曲率和表面粗糙度都得到明显改善。但该发明中复合粉末中木粉、热熔胶粉及其他粉末都属于低导热材料，他们的导热性差，导致激光照射作用在这些粉末上时，融化不充分，木粉和热熔胶粉无法充分地粘接到一起，因此，获得的制件强度不高，力学性能偏低。虽然通过提高粉末床的温度或者提升激光功率的办法能够使热熔胶粉末融化程度升高，但这带来的负面效应是让木粉温度过高产生过热、过烧，因而使烧结后的制件力学性能明显劣化。此外，该发明中降粘剂含有石墨等具有一定的导热性能，但效果不明显仍然需要进一步提升力学性能。
发明内容
本发明是要解决现有木塑复合粉的选择性激光烧结制件力学强度较低、无法满足制件直接应用于实际工业产品的零件结构的问题，而提供一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉及其制备方法。
一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉由干松木粉、热熔胶颗粒和碳纳米管组成；所述干松木粉与热熔胶颗粒的质量比为1:(4～6)；所述碳纳米管的添加量为干松木粉和热熔胶颗粒总质量的0.01％～0.15％；所述热熔胶颗粒的粒径为50～70μm。
一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉的制备方法是按以下步骤完成的：
一、对松木粉进行筛选，得到粒径为45～90μm的松木粉，将粒径为45～90μm的松木粉放入温度为80℃～120℃的烘箱中干燥8h～16h，在干燥过程中每隔2h翻动一次，得到干松木粉；
二、将干松木粉与热熔胶颗粒混合，得到木塑混合粉末，向木塑混合粉末中加入碳纳米管后置于混粉机中，在混粉速度为600r/min～800r/min的条件下混合1～5min后，将混粉速度从600r/min～800r/min提高到1200r/min～1600r/min，在混粉速度为1200r/min～1600r/min的条件混合1～5min后，混粉过程中保持粉末温度不高于50℃，得到选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉；所述热熔胶颗粒的粒径为50～70μm。
本发明优点：
本发明通过添加碳纳米管这种高导热材料，可以有效加速了激光和粉末之间的热传导，使粉末融化程度明显提升，改变了木塑复合材料的选择性激光烧结机理，从而改善了烧结试件易断裂，强度不够等问题，采用选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉制备的试件拉伸强度、弯曲强度和弹性模量分别提高了76％、227％和129％，拓宽了木塑复合材料3D打印制品的应用范围。
说明书附图
图1为实施例一得到的选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉进行激光烧结前的示意图；其中1为热熔胶颗粒，2为碳纳米管，3为干松木粉；
图2为实施例一得到的选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉进行激光烧结后的示意图；其中4为烧结颈。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉由干松木粉、热熔胶颗粒和碳纳米管组成；所述干松木粉与热熔胶颗粒的质量比为1:(4～6)；所述碳纳米管的添加量为干松木粉和热熔胶颗粒总质量的0.01％～0.15％；所述热熔胶颗粒的粒径为50～70μm。
本发明通过研究发现碳纳米管的强度约为钢的100倍，而密度仅为钢的1/6，同时又具有优良的导热性能(900—6000W/(m·K))，且具有巨大的比表面积，只取少量(质量分数0.1％左右)将其分散到木塑复合粉中后，碳纳米管包覆在热熔胶颗粒表面上并以薄层形式存在，在激光照射在木塑复合粉时，激光首先与高导热的碳纳米管发生能量交换，碳纳米管迅速将激光热量传递给导热性差的热熔胶粉末和木粉，这使热熔胶的融化程度大大提高，颗粒和颗粒融化、接触并发生融合，包覆住木粉表面，有效地提升了复合粉颗粒间的结合程度，同时，由于具有超高强度的碳纳米管存在于颗粒和颗粒的结合部分(烧结颈)之中，也起到了直接增强烧结后制件力学性能的作用。因此，将极少量的碳纳米管加入到木塑复合粉中，便可使选择性激光烧结件的力学性能有大幅度的提高。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述热熔胶颗粒为PES颗粒。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述干松木粉与热熔胶颗粒的质量比为1:5。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述碳纳米管的添加量为干松木粉和热熔胶颗粒总质量的0.05％。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述碳纳米管的添加量为干松木粉和热熔胶颗粒总质量的0.1％。其他与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉的制备方法是按以下步骤完成的：
一、对松木粉进行筛选，得到粒径为45～90μm的松木粉，将粒径为45～90μm的松木粉放入温度为80℃～120℃的烘箱中干燥8h～16h，在干燥过程中每隔2h翻动一次，得到干松木粉；
二、将干松木粉与热熔胶颗粒混合，得到木塑混合粉末，向木塑混合粉末中加入碳纳米管后置于混粉机中，在混粉速度为600r/min～800r/min的条件下混合1～5min后，将混粉速度从600r/min～800r/min提高到1200r/min～1600r/min，然后在混粉速度为1200r/min～1600r/min的条件混合1～5min，混粉过程中保持粉末温度不高于50℃，得到选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉；所述热熔胶颗粒的粒径为50～70μm。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤二中所述热熔胶颗粒为PES颗粒。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：步骤二中所述干松木粉与热熔胶颗粒的质量比为1:(4～6)。其他与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：步骤二中所述碳纳米管的添加量为干松木粉和热熔胶颗粒总质量的0.01％～0.15％。其他与具体实施方式六至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：步骤二中在混粉速度为750r/min的条件下混合3min后，将混粉速度从750r/min提高到1500r/min，然后在混粉速度为1500r/min的条件混合2min。其他与具体实施方式六至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉的制备方法是按以下步骤完成的：
一、对松木粉进行筛选，得到粒径为45～90μm的松木粉，将粒径为45～90μm的松木粉放入温度为100℃的烘箱中干燥12h，在干燥过程中每隔2h翻动一次，得到干松木粉；
二、将干松木粉与热熔胶颗粒混合，得到木塑混合粉末，向木塑混合粉末中加入碳纳米管后置于混粉机中，在混粉速度为750r/min的条件下混合3min后，将混粉速度从750r/min提高到1500r/min，然后在混粉速度为1500r/min的条件混合2min，混粉过程中保持粉末温度不高于50℃，得到选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉；所述热熔胶颗粒的粒径为50～70μm；
步骤二中所述干松木粉与热熔胶颗粒的质量比为1:6；
步骤二中所述碳纳米管的添加量为干松木粉和热熔胶颗粒总质量的0.05％。
图1为实施例一得到的选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉进行激光烧结前的示意图；其中1为热熔胶颗粒，2为碳纳米管，3为干松木粉；图2为实施例一得到的选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉进行激光烧结后的示意图；其中4为烧结颈；从图中可以看出碳纳米管包覆在热熔胶颗粒表面上并以薄层形式存在，在激光照射在木塑复合粉时，激光首先与高导热的碳纳米管发生能量交换，碳纳米管迅速将激光热量传递给导热性差的热熔胶粉末和木粉，这使热熔胶的融化程度大大提高，颗粒和颗粒融化、接触并发生融合，包覆住木粉表面，有效地提升了复合粉颗粒间的结合程度，同时，由于具有超高强度的碳纳米管存在于颗粒和颗粒的结合部分(烧结颈)之中，也起到了直接增强烧结后制件力学性能的作用。因此，将极少量的碳纳米管加入到木塑复合粉中，便可使选择性激光烧结件的力学性能有大幅度的提高。
实施例二：本实施例与实施例一不同之处是：步骤二中所述碳纳米管的添加量为干松木粉和热熔胶颗粒总质量的0.1％。步骤四中再将步骤三得到的混合物置于混粉机中混合。其他与实施例一相同。
实施例三：本实施例与实施例一或二不同之处是：步骤二中所述碳纳米管的添加量为干松木粉和热熔胶颗粒总质量的0.15％。其他与实施例一或二相同。
对比实施例：本实施例一种选木塑复合粉的制备方法是按以下步骤完成的：
一、对松木粉进行筛选，得到粒径为45～90μm的松木粉，将粒径为45～90μm的松木粉放入温度为100℃的烘箱中干燥12h，在干燥过程中每隔2h翻动一次，得到干松木粉；
二、将干松木粉与热熔胶颗粒混合，得到木塑混合粉末，将木塑混合粉末置于混粉机中，在混粉速度为750r/min的条件下混合3min后，将混粉速度从750r/min提高到1500r/min，然后在混粉速度为1500r/min的条件混合2min，混粉过程中保持粉末温度不高于50℃，得到木塑复合粉；步骤二中所述干松木粉与热熔胶颗粒的质量比为1:6。
对实施例一、实施例二、实施例三和对比实施例所得产物的弯曲性能按DB/T9341-2008标准进行测试，拉伸强度按GB/T 1040-2006标准进行测试，测试结果如表1所示。
表1实施例一、实施例二、实施例三和对比实施例所得的产物的弯曲性能、拉伸强度对比
项目 单位 实施例一 实施例二 实施例三 对比实施例
弯曲强度 MPa 4.24 7.28 4.00 2.22
弹性模量 MPa 150.02 169.43 109.67 74.10
拉伸强度 MPa 2.39 4.18 3.88 2.37
从表1可以看出本发明通过添加少量0.1％碳纳米管就能够改变木塑复合材料的烧结机理，从而改善了烧结试件易断裂，强度不够等问题，制备的试件弯曲强度、弹性模量和拉伸强度大幅度提高，大大提升了烧结件的力学性能。

Claims (10)

1.一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉，其特征在于选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉由干松木粉、热熔胶颗粒和碳纳米管组成；所述干松木粉与热熔胶颗粒的质量比为1:(4～6)；所述碳纳米管的添加量为干松木粉和热熔胶颗粒总质量的0.01％～0.15％；所述热熔胶颗粒的粒径为50～70μm。
2.根据权利要求1所述的一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉，其特征在于所述热熔胶颗粒为PES颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉，其特征在于所述干松木粉与热熔胶颗粒的质量比为1:5。
4.根据权利要求1所述的一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉，其特征在于所述碳纳米管的添加量为干松木粉和热熔胶颗粒总质量的0.05％。
5.根据权利要求1所述的一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉，其特征在于所述碳纳米管的添加量为干松木粉和热熔胶颗粒总质量的0.1％。
6.如权利要求1所述的一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉的制备方法，其特征在于选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉的制备方法是按以下步骤完成的：
一、对松木粉进行筛选，得到粒径为45～90μm的松木粉，将粒径为45～90μm的松木粉放入温度为80℃～120℃的烘箱中干燥8h～16h，在干燥过程中每隔2h翻动一次，得到干松木粉；
二、将干松木粉与热熔胶颗粒混合，得到木塑混合粉末，向木塑混合粉末中加入碳纳米管后置于混粉机中，在混粉速度为600r/min～800r/min的条件下混合1～5min后，将混粉速度从600r/min～800r/min提高到1200r/min～1600r/min，然后在混粉速度为1200r/min～1600r/min的条件混合1～5min，混粉过程中保持粉末温度不高于50℃，得到选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉；所述热熔胶颗粒的粒径为50～70μm。
7.根据权利要求6所述的一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉的制备方法，其特征在于步骤二中所述热熔胶颗粒为PES颗粒。
8.根据权利要求6所述的一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉的制备方法，其特征在于步骤二中所述干松木粉与热熔胶颗粒的质量比为1:(4～6)。
9.根据权利要求6所述的一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉的制备方法，其特征在于步骤二中所述碳纳米管的添加量为干松木粉和热熔胶颗粒总质量的0.01％～0.15％。
10.根据权利要求6所述的一种选择性激光烧结用碳纳米管/木塑复合粉的制备方法，其特征在于步骤二中在混粉速度为750r/min的条件下混合3min后，将混粉速度从750r/min提高到1500r/min，然后在混粉速度为1500r/min的条件混合2min。
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