CN108102120A - 一种用于fdm 3d打印的连续碳纤维增强热塑性塑料细丝的制备方法 - Google Patents

一种用于fdm 3d打印的连续碳纤维增强热塑性塑料细丝的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种应用于FDM 3D打印机的热塑性树脂基连续碳纤维细丝制备方法。该制备方法为：采用小丝束连续碳纤维，通过对碳纤维进行张力解束膨松、采用热塑性树脂5‑15wt％稀溶液对碳纤维进行初浸润、预干燥、采用热塑性树脂20‑50wt％浓溶液对碳纤维进行再浸润、第二次干燥使溶剂挥发达到70‑80％的固含量、通过圆柱形模具对复合材料进行集束成型、再干燥达到溶剂的完全脱除、经冷却和收卷等工序形成直径为1‑3mm的连续碳纤维增强热塑性3D打印细丝产品。该细丝力学性能优异，可采用FDM 3D打印机打印形成高性能的复合材料制品。

Description

一种用于FDM 3D打印的连续碳纤维增强热塑性塑料细丝的制 备方法
(一)技术领域
本发明属于3D打印热塑性复合材料领域，具体涉及一种应用于熔融沉积造型技术(FDM)的连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料及其制备方法。
(二)背景技术
3D打印技术是一种通过逐层打印的方式来构造三维物体的快速成型技术，具有快速性、设计制造一体化、自由成型制造、技术高度集成性等优势。熔融沉积造型技术(FDM)作为应用最广的3D打印技术，主要是以热塑性树脂制成的线材作为与其匹配的打印耗材。目前，市面上应用于FDM打印机的热塑性耗材主要为PLA、ABS等。尽管其打印工艺性能良好，但是打印制品的强度相对较低，也容易发生翘曲变形，无法满足工程领域对打印制品的要求。因此，许多研究试图利用高模高强的碳纤维为增强材料，开发高强度的3D打印复合材料。
目前，已有一些专利涉及短碳纤增强聚乳酸复合材料。如公开号为CN 106893281A的中国专利公开了一种生物可降解打印增强材料及制备方法，材料由下述重量份的组分组成：聚乳酸75-80份，碳纤维25-20份，增韧剂4-8份，相容剂0.2-0.5份，助剂0.1-0.2份，所述增韧剂为聚烯烃弹性体。上述共混物经过熔融挤出造粒即得到碳纤维增强复合材料。但是由于熔融挤出过程中短切碳纤经螺杆剪切作用后，其长度大幅度下降，导致实际增强效果并不明显，而且短碳纤加入到基体后会严重削弱共混物的流动性，导致加工困难。
因此有学者便着眼于利用连续碳纤维来增强热塑性树脂来制备高性能复合材料。如公开号CN 105599302 A的中国专利公开了一种连续纤维熔融沉积打印方法及应用，其将连续纤维与聚合物共挤出制成连续纤维增强的打印线材，所述连续纤维平行于打印线材的轴线。但是该方法存在诸多问题，如树脂熔体的粘度大，对纤维的浸渍效果并不理想，复合线材中碳纤维的含量低，打印制品性能不高，没有完全发挥出连续纤维的优异性能，且热塑性树脂长时间处于高温熔融的环境下极易氧化降解从而影响复合材料性能。目前为止，并没有采用溶液浸润法直接来制备连续碳纤维增强热塑性树脂打印材料的相关报道。
(三)发明内容
本发明提出了一种应用于FDM 3D打印机的热塑性树脂连续碳纤维细丝的制备方法，用于解决现有短纤维增强热塑性树脂打印材料提升力学性能效果有限以及连续纤维经熔融挤出后浸润效果差导致力学性能不佳等缺陷。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种热塑性树脂基连续碳纤维3D打印细丝的制备方法，其特征在于，所述的方法具体按照以下步骤进行制备：
将连续碳纤维集束进行张力解束膨松，然后置于5-15wt％的热塑性树脂中初浸润、在烘道中预干燥，之后置于20-50wt％的热塑性树脂浓溶液中再浸润，然后在烘道中进行第二次干燥，所得产物在圆柱形口模中成型为截面为圆形的细丝，所得细丝在烘道中完全脱除溶剂，经冷却、收卷得到热塑性树脂基连续碳纤维3D打印细丝。
进一步，所述的碳纤维集束中的碳纤维是以聚丙烯腈为前驱体制备所得碳纤维。
再进一步，碳纤维集束由若干股碳纤维集束丝组成，所述的碳纤维集束丝中碳纤维单丝的直径为7μm，单股碳纤维集束丝为1K-12K。
进一步，所述的热塑性树脂包括聚乳酸、聚苯乙烯-丁二烯-丙烯腈、聚酰胺6、聚酰胺66、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、热塑性聚氨酯、聚苯硫醚的一种或各自对应的改性料。
进一步，所述的第二次干燥直至所得产物的热塑性树脂的固含量为70-80％。
再进一步，所述的热塑性树脂基连续碳纤维3D打印细丝的直径为1-3mm。
本发明方法制备的热塑性树脂基连续碳纤维3D打印细丝中碳纤维含量为10-50％。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)采用二次溶液浸润的方式，使得热塑性树脂浸润碳纤维的效果显著提升，可以制备高碳纤维含量的打印细丝。
(2)该细丝充分发挥了碳纤维高强度、高模量的特性，显著提高热塑性树脂打印耗材的力学性能。
(3)本发明所述的打印耗材制备方法简单，可实现大规模工业化生产，低碳环保，具有很高的经济价值和广阔的市场前景。
(四)具体实施方法
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
一种连续碳纤维增强热塑性树脂打印细丝，其原料如下：碳纤维为日本东丽公司T700，集束为3K，热塑性树脂选为聚苯乙烯-丁二烯-丙烯腈(ABS)，溶剂选为丙酮。
ABS浸渍液的制备为：称取一定量的ABS粒料缓慢加入内有丙酮溶液的密闭反应釜中，在30-50℃下搅拌溶解2-4h，分别配成10％的ABS稀溶液和30％的ABS浓溶液，溶解完成后冷却静置待用。
所述高性能连续碳纤维增强ABS打印细丝的制备工艺为：将3股3K的连续碳纤维集束丝经张力解束蓬松后，在10％的ABS稀溶液中浸润并在烘道中预干燥，然后在30％的ABS浓溶液中浸润，并在烘道中进行第二次干燥，使溶剂挥发达到70-80％的固含量，经过圆形口模成型，最后在烘道中完全脱除溶剂干燥固化，冷却收卷为直径为1.75mm打印细丝，细丝中碳纤维含量约为15％。
实施例2
一种连续碳纤维增强热塑性树脂打印细丝，其选用原料为：碳纤维为日本东丽公司T700，集束为6K，热塑性树脂选为聚乳酸(PLA)，溶剂选为氯仿。
PLA浸渍液的制备为：称取一定量的PLA粒料缓慢加入内有氯仿溶液的密闭反应釜中,在50-70℃下搅拌加热回流3-4h，分别配成12％的稀溶液和25％的浓溶液，溶解完成后冷却静置待用。
所述高性能连续碳纤维增强PLA打印细丝的制备工艺为：2股6K的连续碳纤维集束丝经张力解束蓬松后，在12％的PLA稀溶液中浸润并在烘道中预干燥，然后在25％的PLA浓溶液中浸润，并在烘道中第二次干燥，使溶剂挥发达到70-80％的固含量，经过圆形口模成型，最后在烘道中完全脱除溶剂干燥固化，冷却收卷为直径为1.75mm打印细丝，细丝中碳纤维含量约为20％。
实施例3
一种连续碳纤维增强热塑性树脂打印细丝，其选用原料为：碳纤维为日本东丽公司T700，集束为6K，热塑性树脂选为聚酰胺6(PA6)，溶剂为甲酸和乙酸混合溶液，其中甲酸:乙酸＝80:20(质量比)。
PA6浸渍液的制备为：称取一定量的PA6粒料缓慢加入内有甲酸/乙酸的混合溶液的密闭反应釜中,在80-95℃下搅拌加热5-8h，分别配成15％PA6的稀溶液和35％PA6的浓溶液，溶解完成后冷却静置待用。
所述高性能连续碳纤维增强PA6打印细丝的制备工艺为：3股6K的连续碳纤维集束丝经张力解束蓬松后，在15％的PA6稀溶液中浸润并在烘道中预干燥，然后在35％的PA6浓溶液中浸润，并在烘道中第二次干燥，使溶剂挥发达到70-80％的固含量，经过圆形口模成型，最后在烘道中完全脱除溶剂干燥固化，冷却收卷为直径为1.75mm打印细丝，细丝中碳纤维含量约为30％。
实施例4
一种连续碳纤维增强热塑性树脂打印细丝，其选用原料为：碳纤维为日本东丽公司T700，集束为12K，热塑性树脂选为聚碳酸酯(PC)，溶剂选为四氢呋喃。
PC浸渍液的制备为：称取一定量的PC粒料缓慢加入内有四氢呋喃溶液的密闭反应釜中,在60-80℃下搅拌加热回流3-4h，分别配成15％的稀溶液和25％的浓溶液，溶解完成后冷却静置待用。
所述高性能连续碳纤维增强PC打印细丝的制备工艺为：1股12K的连续碳纤维集束丝经张力解束蓬松后，在15％的PC稀溶液中浸润并在烘道中预干燥，然后在25％的PC浓溶液中浸润，并在烘道中第二次干燥，使溶剂挥发达到70-80％的固含量，经过圆形口模成型，最后在烘道中完全脱除溶剂干燥固化，冷却收卷为直径为1.75mm打印细丝，细丝中碳纤维含量约为20％。

Claims (6)

1.一种热塑性树脂基连续碳纤维3D打印细丝的制备方法，其特征在于，所述的方法具体按照以下步骤进行制备：
将连续碳纤维集束进行张力解束膨松，然后置于5-15wt％的热塑性树脂中初浸润、在烘道中预干燥，之后置于20-50wt％的热塑性树脂浓溶液中再浸润，然后在烘道中进行第二次干燥，所得产物在圆柱形口模中成型为截面为圆形的细丝，所得细丝在烘道中完全脱除溶剂，经冷却、收卷得到热塑性树脂基连续碳纤维3D打印细丝。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳纤维集束中的碳纤维是以聚丙烯腈为前驱体制备所得碳纤维。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，碳纤维集束由若干股碳纤维集束丝组成，所述的碳纤维集束丝中碳纤维单丝的直径为7μm，单股碳纤维集束丝为1K-12K。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的热塑性树脂包括聚乳酸、聚苯乙烯-丁二烯-丙烯腈、聚酰胺6、聚酰胺66、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、热塑性聚氨酯、聚苯硫醚的一种或各自对应的改性料。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第二次干燥直至产物的热塑性树脂的固含量为70-80％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的热塑性树脂基连续碳纤维3D打印细丝的直径控制在1-3mm。
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