CN109233187A - Abs复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种ABS复合材料及其制备方法和应用，该复合材料的原料至少包括以下重量份计的组分：改性碳纤维粉5～25份、改性木粉5～15份、ABS 60～85份、无机纳米材料1～5份、润滑剂1～5份以及相容剂1～3份，改性碳纤维粉是采用氧气低温等离子处理，再采用硅烷偶联剂进行处理得到的，改性木粉是通过碱和过氧化氢处理，再经过二异氰酸酯处理得到的。将碳纤维粉和木粉经过物理和化学方法改性处理，解决碳纤维粉和木粉与ABS基体的相容性问题，采用熔融挤出共混、拉丝成型的方法制备得到力学性能和3D打印性能优良的ABS复合材料。其可用于吉他、小提琴等乐器箱体的3D打印成型。

Description

ABS复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子复合材料领域，具体而言，涉及ABS复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
ABS塑料是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体的三元共聚物，由于材料的冲击强度高、耐化学药品性好、重量轻并且成本低，同时又具有一定的刚性，因而被广泛应用于机械、电气、汽车、造船等工业。
传统乐器延续金属和木材材料制造，因为乐器的音箱和壳体对材质要求十分严格，要保证发音的正确性和准确性，所以，在材质选择上不能有木节、腐朽、虫眼等，甚至有的音箱要求材质直径要一致，年轮距离要一致，不能将朝阳坡和阴坡混材使用等，为满足苛刻的材质要求，造成木材大量过度采伐。另一方面，传统的乐器制作方法通常采用木材经手工和机械加工，加工周期长，对木材的力学性能(特别是弯曲强度和弯曲模量)要求较高，而且对于一些形状独特、个性化的乐器较难制作。因此，在乐器的制作过程中使用可代替木材的高性能ABS复合材料，并在制作工艺上进行创新，是解决当前乐器制作困境的手段之一，但现有的ABS复合材料的性能较差，不利于用于3D打印技术来制备乐器。
发明内容
本发明的目的包括提供一种ABS复合材料及其制备方法和应用，以提高ABS复合材料的力学性能和3D打印性能。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
一方面，本发明提供了一种ABS复合材料，其原料至少包括以下重量份计的组分：改性碳纤维粉5～25份、改性木粉5～15份、ABS 60～85份、无机纳米材料1～5份、润滑剂1～5份以及相容剂1～3份，其中，改性碳纤维粉是通过对碳纤维粉进行氧气低温等离子体处理，再采用硅烷偶联剂进行处理得到的，改性木粉是通过对木粉进行碱和过氧化氢处理，再经过二异氰酸酯处理得到的。
另一方面，本发明还提供了上述ABS复合材料的制备方法，其包括：将所述改性碳纤维粉、所述改性木粉、所述ABS、所述无机纳米材料、所述润滑剂以及所述相容剂的共混料熔融挤出。
又一方面，本发明还提供了上述ABS复合材料在制作乐器中的应用。
通过以改性碳纤维粉为增强材料，并经表面化学改性处理，适用于乐器制作的木粉，以ABS为基材，采用熔融挤出共混、拉丝成型的方法制备可用于3D打印的ABS复合材料，该复合材料在保持ABS优异性能的基础上，提高了其力学性能、机械加工性能和尺寸稳定性，该复合材料有利于用于吉他、小提琴等乐器箱体的3D打印成型。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施方式或实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂除非特别说明，皆为市购常规试剂或原料，实施方式或实施例所使用的试验方法除非特别说明，皆为本领域常规方法。
下面对本发明实施方式的涉及ABS复合材料及其制备方法和应用进行具体说明。
本发明的一些实施方式提供了一种ABS复合材料，其原料至少包括以下重量份计的组分：改性碳纤维粉5～25份、改性木粉5～15份、ABS 60～85份、无机纳米材料1～5份、润滑剂1～5份以及相容剂1～3份，其中，改性碳纤维粉是通过对碳纤维粉进行氧气低温等离子体处理，再采用硅烷偶联剂进行处理得到的，改性木粉是通过对木粉进行碱和过氧化氢处理，再经过二异氰酸酯处理得到的。
ABS即ABS塑料，其为丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体的三元共聚物。其中丙烯腈具有高的硬度和强度、耐热性和耐腐蚀性；丁二烯具有抗冲击性和韧性；苯乙烯具有表面高光泽性、易着色性和易加工性。上述三组分的特性使ABS塑料成为一种“质坚、性韧、刚性大”的综合性能良好的热塑性塑料。碳纤维粉也叫磨碎碳纤维是将高强高模碳纤维长丝经特殊技术表面处理、研磨、显微甄别、筛选、高温烘干后而获得的等长圆柱形微粒，它保留了碳纤维的众多优良性能，并且形状细小、表面纯净、比表面积大，易于被树脂润湿均匀分散，是性能优良的复合材料填料。木粉是将木料粉碎后得到的粉末，木粉作为复合材料中的一种材质有利于增强复合材料制备得到的乐器的声音质感。
发明人发现将碳纤维粉和木粉直接通过润滑剂、相容剂等与ABS进行混合熔融挤出得到的材料并不能对ABS的力学性能进行有效的增强，其也不利于用于进行3D打印。因此，发明人经过大量研究，通过对碳纤维粉进行改性，即将碳纤维粉采用氧气低温等离子体处理后，再采用硅烷偶联剂进行处理，同时对木粉也进行改性，即将木粉通过碱和过氧化氢处理，再经过二异氰酸酯处理，再将改性后的改性碳纤维粉和改性木粉与润滑剂、无机纳米材料、相容剂按照上述比例进行混合后熔融挤出。从而该ABS能够在ABS的基础上大幅度提高材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量等力学性能，同时其3D打印性能也得到提高，其原因可能在于：碳纤维粉和木粉与ABS之间的界面相容性差，导致熔融挤出的材料的力学性能较差，而通过采用氧气低温等离子体处理碳纤维粉，并结合硅烷偶联剂处理，可显著增加其表面的活性基团，达到改善其与ABS基体界面相容性的效果；同时采用碱和过氧化氢混合的混合溶液、二异氰酸酯对木粉进行化学改性处理，可在保持木质纤维素不被破坏的情况下增加木粉表面反应活性基团，进而提高木粉与与ABS基体界面相容性，最终实现上述效果。
具体地，一些优选实施方式中，该ABS复合材料的原料至少包括以下重量份计的组分：改性碳纤维粉8～20份、改性木粉7～12份、ABS 65～80份、无机纳米材料2～5份、润滑剂2～5份以及相容剂2～3份。
另一些优选实施方式中，该ABS复合材料的原料由以下重量份的组分组成：改性碳纤维粉5～25份、改性木粉5～15份、ABS 60～85份、无机纳米材料1～5份、润滑剂1～5份以及相容剂1～3份。
一些实施方式中，ABS的分子量可以为1.0x106～5.0x106。上述分子量范围的ABS能够具备较好的力学性能，也能够更好地与改性碳纤维以及改性木粉进行结合在一起。
进一步地，一些实施方式中，碳纤维粉和木粉的目数均为100～200目。通过该目数的选择能够使得改性碳纤维粉和改性木粉能够更好地与ABS基体进行结合，并且能够达到增强ABS性能的目的，其原因可能在于，碳纤维粉和木粉的粒径过小，会导致生成的ABS复合材料强度不够，而碳纤维粉和木粉的粒径过大会导致原料之间的相容性不好，进而降低生成的ABS复合材料的性能。
优选地，木粉包括云杉木粉、枫木粉、桃花心木粉、玫瑰木粉和相思木粉中的至少一种。例如，木粉为云杉木粉、枫木粉、桃花心木粉、玫瑰木粉和相思木粉中的任意一种或其中两种或三种的组合。
润滑剂是用以降低摩擦副的摩擦阻力、减缓其磨损的润滑介质，在ABS复合材料的原料中添加润滑剂，可以使得混合原料在熔融挤出过程中，各种物质之间能够更好地进行混合，降低原料之间的摩擦阻力，使得挤出效果好。一些实施方式中，润滑剂包括硬脂酸锌、硬脂酸酰胺、亚乙基双硬脂酸酰胺、油酸酰胺、硬脂酸正丁酯、甘油三羟硬脂酸酯和微晶石蜡中的至少一种，优选地，润滑剂为硬脂酸锌。
进一步地，无机纳米材料是纳米结构按一定方式堆积或一定基体中分散形成的宏观无机材料，其能够对ABS复合材料的强度进行增强。一些实施方式中，无机纳米材料可以包括纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、碳纳米管和石墨烯中的至少一种。例如，无机纳米材料可以为纳米二氧化硅，也可以为纳米二氧化钛，或碳纳米管或纳米级的石墨烯。
相容剂又称增容剂，是指借助于分子间的键合力，促使不相容的两种聚合物结合在一体，进而得到稳定的共混物的助剂。其主要作用就是增加两种聚合物的相容性，使之两种聚合物间粘接力增大，形成稳定的结构，使分散相和连续相均匀，即相容化。相容剂之所以能使两种性质不同的聚合物相容化，是因为在其分子中具有分别能与两种聚合物进行物理或化学结合的基团的缘故。一些实施方式中，相容剂为环状酸酐型类反应型相容剂。
优选地，相容剂为马来酸酐接枝相容剂，马来酸酐接枝相容剂通过引入强极性反应性基团，使材料具有高的极性和反应性，是一种高分子界面偶联剂、相容剂、分散促进剂。主要用于无卤阻燃、填充、玻纤增强、增韧，金属粘结、合金相容等，能大大提高复合材料的相容性和填料的分散性，从而提高复合材料机械强度。马来酸酐接枝相容剂可改善无机填料与有机树脂相容性，提高产品的拉伸、冲击强度，实现高填充，减少树脂用量，改善加工流变性，提高表面光洁度。更优选地，相容剂为ABS-g-MAH。
本发明的一些实施方式还提供了一种上述ABS复合材料的制备方法，其包括：
S1、将改性碳纤维粉、改性木粉、ABS、无机纳米材料、润滑剂以及相容剂的共混料熔融挤出。
具体地，一些实施方式中，改性碳纤维粉具体可以通过以下步骤制备得到：
将碳纤维粉置于等离子体发生器中，在功率为100～600W、氧气流速为10～30mL/min，等离子体腔内压力为10～20Pa的条件下，用振荡频率为10～15MHz的等离子体处理碳纤维粉10～20min，处理结束后继续通气1～3min，然后取出碳纤维粉。碳纤维粉可以通过平摊在瓷舟内，在放置于等离子发生器中进行处理，等离子体发生器可以为射频等离子发生器。其中，等离子体可以通过辉光放电或射频放电产生。一些实施方式中，可以将处理后碳纤维粉装入磨口瓶加盖后置于干燥器中备用。
将经过氧气低温等离子体处理后的碳纤维粉与含有4～6wt％的硅烷偶联剂的乙醇溶液中，在20～30℃静置10～20min，然后在80～90℃下经水浴蒸发除去乙醇，在80～90℃下烘干12～24h。优选地，硅烷偶联剂与所述碳纤维粉的质量比为1:99～1:49，优选地，硅烷偶联剂包括γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)、γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH590)中的至少一种。
通过上述制备步骤以及参数的选择，使得能够充分增强碳纤维粉的表面活性基团的数量，达到改善其与ABS之间的界面相容性。
一些实施方式中，改性木粉具体可以通过以下步骤制备得到：
将木粉在碱和过氧化氢的混合溶液中浸泡，洗涤至中性后，再将所述木粉与含有5～10wt％二异氰酸酯的丙酮溶液进行混合后20～30℃静置10～20min，然后在60～80℃下经水浴蒸发除去丙酮；优选地，木粉与碱和过氧化氢的混合溶液的质量比为1:8～1:12；优选地，二异氰酸酯与木粉的质量比为1:99～1:49。其中，碱可以为氢氧化钠，也可以为氢氧化钾。碱和过氧化氢的混合溶液可以是在5～10wt％的NaOH水溶液中加入一定量的过氧化氢，使过氧化氢浓度达到0.4～0.8wt％。在木粉与二异氰酸酯反应后，用与木粉相近目数的滤网过滤并用水洗至中性，置于80～85℃的烘箱中干燥12～24h，取出后用粉碎机粉碎备用。
一些实施方式中，二异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)或异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)。
进一步地，共混料的制备是通过将改性碳纤维粉、改性木粉、ABS、纳米无机材料、润滑剂和相容剂按照比例通过高速混合机进行共混6～10min，得共混料。
具体地，共混料可以通过双螺杆熔融挤出，挤出机1～6段温度依次为210～220℃、215～225℃、220～230℃、225～235℃、230～240℃、230～240℃。通过多段不同温度的设置，使得熔融挤出的效果更好。
根据一些实施方式，ABS复合材料的制备方法还包括以下步骤：
S2、将共混料熔融挤出后切粒，并将得到的粒料通过注塑机注塑，优选地，注塑机料筒三段的温度依次为230～240℃、240～250℃、240～250℃，注射压力80～100Mpa，保压时间10～20s；
或将共混料熔融挤出后切粒，并将得到的粒料通过单螺杆挤出机挤出、牵引、绕线加工成3D打印线材。优选地，单螺杆挤出机的1～4段温度依次为220～230℃、225～235℃、230～240℃、230～240℃，牵引速度为50～60mm/s；所制备3D打印线材直径约为1.75mm或3mm，直径误差在±5％以内。
本发明的一些实施方式还提供了上述ABS复合材料在制作乐器中的应用，优选地，应用于乐器箱体的3D打印成型。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
按照如下步骤制备ABS复合材料：
(1)碳纤维粉的改性处理：将碳纤维粉先经过氧气低温等离子体处理，再经过化学改性剂处理。氧气低温等离子体处理碳纤维粉的具体步骤为：将150目的碳纤维粉样品平摊在瓷舟内，置于射频等离子体发生器中，在功率为300W、氧气流速为20mL/min，等离子体腔内压力约13Pa的条件下，用13.6MHz射频等离子体处理碳纤维粉15min，处理结束后继续通气2min，然后取出碳纤维粉，装入磨口瓶加盖后置于干燥器中备用。经过化学改性剂处理的具体步骤为：将经过氧气低温等离子体处理后的碳纤维粉放入装有5wt％的硅烷偶联剂KH550-乙醇溶液的容器中(硅烷偶联剂与碳纤维粉的质量比为1:49)，于25℃静置15min，然后在85℃下经水浴蒸发除去乙醇，在80℃下烘干24h，备用。
(2)木粉的改性处理：在5wt％的NaOH水溶液中加入一定量的过氧化氢，使过氧化氢浓度达到0.6wt％，倒入150目云杉木粉(云杉木粉与溶液质量比为1:10)，在常温下浸泡同时机械搅拌12h，用与木粉相近目数的滤网过滤并用水洗至中性，置于85℃的烘箱中干燥24h，取出后用粉碎机粉碎备用；将经碱和过氧化氢处理后的木粉放入装有10wt％的MDI-丙酮溶液的容器中(MDI与木粉的质量比为1:99)，于25℃静置15min，然后在70℃下经水浴蒸发除去丙酮，在85℃下烘干24h，取出后用粉碎机粉碎备用。
(3)将步骤(1)制备的改性碳纤维粉、步骤(2)制备的改性云杉木粉、ABS、纳米二氧化硅、润滑剂、相容剂等按一定质量百分比在高速混合机中混合8min后取出，得共混料，其中各组分的质量百分数分别为：改性碳纤维粉15wt％，改性云杉木粉5wt％，ABS为75wt％，纳米二氧化硅2wt％，润滑剂1wt％，相容剂2wt％。润滑剂为硬脂酸锌，相容剂为ABS-g-MAH。
(4)将步骤(3)所得共混料用双螺杆熔融挤出共混并切粒，挤出机1～6段温度分别为215℃、225℃、230℃、235℃、240℃、240℃，得到ABS复合材料粒料。用注塑机将制备的碳纤维增强ABS复合材料粒料注塑成标准测试样条，注塑机料筒温度分别为235℃、245℃、245℃，注射压力90Mpa，保压时间10s。
(5)将步骤(4)所制得的ABS复合材料粒料经单螺杆挤出机挤出、牵引、绕线加工成3D打印线材，单螺杆挤出机的1～4段温度分别为220℃、230℃、240℃、240℃，牵引速度为60mm/s；所制备3D打印线材直径约为1.75mm，直径误差在±5％以内。
实施例2
按照如下步骤制备ABS复合材料：
(1)碳纤维粉的改性处理：将碳纤维粉先经过氧气低温等离子体处理，再经过化学改性剂处理。氧气低温等离子体处理碳纤维粉的具体步骤为：将110目的碳纤维粉样品平摊在瓷舟内，置于射频等离子体发生器中，在功率为120W、氧气流速为11mL/min，等离子体腔内压力约11Pa的条件下，用11MHz射频等离子体处理碳纤维粉20min，处理结束后继续通气3min，然后取出碳纤维粉，装入磨口瓶加盖后置于干燥器中备用。经过化学改性剂处理的具体步骤为：将经过氧气低温等离子体处理后的碳纤维粉放入装有4wt％的硅烷偶联剂KH550-乙醇溶液的容器中(硅烷偶联剂与碳纤维粉的质量比为1:99)，于20℃静置20min，然后在80℃下经水浴蒸发除去乙醇，在90℃下烘干12h，备用。
(2)木粉的改性处理：在10wt％的NaOH水溶液中加入一定量的过氧化氢，使过氧化氢浓度达到0.4wt％，倒入150目云杉木粉(云杉木粉与溶液质量比为1:8)，在常温下浸泡同时机械搅拌24h，用与木粉相近目数的滤网过滤并用水洗至中性，置于80℃的烘箱中干燥24h，取出后用粉碎机粉碎备用；将经碱和过氧化氢处理后的木粉放入装有5wt％的MDI-丙酮溶液的容器中(MDI与木粉的质量比为1:99)，于25℃静置15min，然后在60℃下经水浴蒸发除去丙酮，在60℃下烘干24h，取出后用粉碎机粉碎备用。
(3)将步骤(1)制备的改性碳纤维粉、步骤(2)制备的改性云杉木粉、ABS、纳米二氧化硅、润滑剂、相容剂等按一定质量百分比在高速混合机中混合6min后取出，得共混料，其中各组分的质量百分数分别为：改性碳纤维粉20wt％，改性云杉木粉5wt％，ABS为60wt％，纳米二氧化硅4wt％，润滑剂4wt％，相容剂2wt％。润滑剂为硬脂酸锌，相容剂为ABS-g-MAH。
(4)将步骤(3)所得共混料用双螺杆熔融挤出共混并切粒，挤出机1～6段温度分别为210℃、215℃、220℃、225℃、230℃、230℃，得到ABS复合材料粒料。用注塑机将制备的碳纤维增强ABS复合材料粒料注塑成标准测试样条，注塑机料筒温度分别为230℃、240℃、240℃，注射压力80Mpa，保压时间20s。
(5)将步骤(4)所制得的ABS复合材料粒料经单螺杆挤出机挤出、牵引、绕线加工成3D打印线材，单螺杆挤出机的1～4段温度分别为230℃、235℃、240℃、240℃，牵引速度为50mm/s；所制备3D打印线材直径约为3mm，直径误差在±5％以内。
实施例3
按照如下步骤制备ABS复合材料：
(1)碳纤维粉的改性处理：将碳纤维粉先经过氧气低温等离子体处理，再经过化学改性剂处理。氧气低温等离子体处理碳纤维粉的具体步骤为：将200目的碳纤维粉样品平摊在瓷舟内，置于射频等离子体发生器中，在功率为550W、氧气流速为28mL/min，等离子体腔内压力约19Pa的条件下，用15MHz射频等离子体处理碳纤维粉10min，处理结束后继续通气1min，然后取出碳纤维粉，装入磨口瓶加盖后置于干燥器中备用。经过化学改性剂处理的具体步骤为：将经过氧气低温等离子体处理后的碳纤维粉放入装有6wt％的硅烷偶联剂KH550-乙醇溶液的容器中(硅烷偶联剂与碳纤维粉的质量比为1:90)，于25℃静置15min，然后在88℃下经水浴蒸发除去乙醇，在88℃下烘干12h，备用。
(2)木粉的改性处理：在10wt％的NaOH水溶液中加入一定量的过氧化氢，使过氧化氢浓度达到0.8wt％，倒入100目云杉木粉(云杉木粉与溶液质量比为1:12)，在常温下浸泡同时机械搅拌24h，用与木粉相近目数的滤网过滤并用水洗至中性，置于80℃的烘箱中干燥24h，取出后用粉碎机粉碎备用；将经碱和过氧化氢处理后的木粉放入装有5wt％的MDI-丙酮溶液的容器中(MDI与木粉的质量比为1:60)，于25℃静置20min，然后在65℃下经水浴蒸发除去丙酮，在75℃下烘干24h，取出后用粉碎机粉碎备用。
(3)将步骤(1)制备的改性碳纤维粉、步骤(2)制备的改性云杉木粉、ABS、纳米二氧化硅、润滑剂、相容剂等按一定质量百分比在高速混合机中混合7min后取出，得共混料，其中各组分的质量百分数分别为：改性碳纤维粉10wt％，改性云杉木粉14wt％，ABS为65wt％，纳米二氧化硅4wt％，润滑剂4wt％，相容剂3wt％。润滑剂为硬脂酸锌，相容剂为ABS-g-MAH。
(4)将步骤(3)所得共混料用双螺杆熔融挤出共混并切粒，挤出机1～6段温度分别为220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、240℃，得到ABS复合材料粒料。用注塑机将制备的碳纤维增强ABS复合材料粒料注塑成标准测试样条，注塑机料筒温度分别为240℃、250℃、220℃，注射压力100Mpa，保压时间10s。
(5)将步骤(4)所制得的ABS复合材料粒料经单螺杆挤出机挤出、牵引、绕线加工成3D打印线材，单螺杆挤出机的1～4段温度分别为225℃、230℃、235℃、235℃，牵引速度为100mm/s；所制备3D打印线材直径约为1.75mm，直径误差在±5％以内。
实施例4
本实施例与实施例1不同之处在于碳纤维粉的化学改性剂为硅烷偶联剂KH560；木粉为200目枫木粉，枫木粉的化学改性剂为10％NaOH和0.8％过氧化氢混合溶液(第一步)、10％IPDI-丙酮溶液(第二步)；改性碳纤维粉的含量为10wt％、改性枫木粉为10wt％，纳米二氧化钛2wt％。其余工艺条件与实施例1的步骤(1)～(5)的相同。
实施例5
本实施例与实施例1不同之处在于碳纤维粉的化学改性剂为硅烷偶联剂KH570；木粉为100目桃花心木粉，桃花心木粉的化学改性剂为5％NaOH和0.8％过氧化氢混合溶液(第一步)；改性碳纤维粉的含量为20wt％、改性桃花心木粉为5wt％，ABS为70wt％，碳纳米管为2wt％。其余工艺条件与实施例1的步骤(1)～(5)的相同。
实施例6
本实施例与实施例1不同之处在于碳纤维粉的化学改性剂为硅烷偶联剂KH590；木粉为150目相思木粉，相思木粉的化学改性剂为10％NaOH和0.6％过氧化氢混合溶液(第一步)；改性碳纤维粉的含量为10wt％、改性相思木粉为15wt％，ABS为70wt％，石墨烯为2wt％。其余工艺条件与实施例1的步骤(1)～(5)的相同。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处在于碳纤维粉的含量为0wt％、改性云杉木粉为20wt％，其余工艺条件与实施例1的步骤(2)～(5)的相同。
对比例2
本对比例与实施例1不同之处在于碳纤维粉和云杉木粉均未进行改性处理，其余工艺条件与实施例1的步骤(3)～(5)的相同。
将实施例1～6和对比例1-2中的注塑得到的标准测试样条分别进行力学性能测试，具体方法如下：拉伸试验参照国标GB/T 1040-2006标准执行，拉伸速度为10mm/min。弯曲试验参照国标GB/T 9341-2008标准执行，弯曲速度为5mm/min。缺口冲击试验参照国标GB/T 1043-2008标准执行。其力学性能测试结果如表1所示。
将实施例1～6和对比例1-2中收卷后的3D打印线材分别通过桌面式FDM型3D打印机进行打印测试，打印温度(喷嘴)为230℃，喷嘴直径0.4mm，打印速度80mm/min。根据肉眼观测对3D打印情况的堵塞情况由轻到重，划分为不堵塞，略有堵塞，有堵塞。对打印的3D材料的表面情况进行观测将稳定性划分为稳定性好，稳定性较好，稳定性差；将成型效果划分为成型效果好，成型效果较好，成型效果一般。3D打印性能检测结果如表1所示。
通过表1中的结果可知，木粉和碳纤维粉的改性大大增强了复合材料的整体力学性能和3D打印性能，此外，从实施例1与对比例1的比较可以看出，改性碳纤维在增强复合材料的整体力学性能和3D打印性能上起到重要作用。通过对比实施1和实施4-6可以看出，碳纤维粉的选择的化学改性试剂硅烷偶联剂的种类、木粉选择以及成分配比共同影响了复合材料的力学性能和3D打印效果。
综上所述，本发明的实施方式具有以下优点：
1)采用氧气低温等离子体处理碳纤维粉，并结合硅烷偶联剂处理，可显著增加其表面的活性基团，达到改善其与ABS基体界面相容性的效果。
2)采用碱(例如NaOH)和过氧化氢混合溶液、二异氰酸酯对木粉进行化学改性处理，可在保持木质纤维素不被破坏的情况下增加木粉表面反应活性基团。
3)本发明实施方式的ABS复合材料拉伸强度最高可达68Mpa，拉伸模量达2.36GPa，弯曲强度达到123Mpa，弯曲模量达6.24GPa，其力学性能远高于市面上普通的ABS打印材料，而且经过FDM型3D打印机测试，该3D打印线材适用于FDM快速成型技术。
4)本发明实施方式的ABS复合材料除了用于吉他、小提琴、大提琴等外壳的3D打印成型外，也可用于注塑成型，具有良好的加工性能。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

Claims (10)

1.一种ABS复合材料，其特征在于，其原料至少包括以下重量份计的组分：改性碳纤维粉5～25份、改性木粉5～15份、ABS 60～85份、无机纳米材料1～5份、润滑剂1～5份以及相容剂1～3份，其中，所述改性碳纤维粉是通过对碳纤维粉进行氧气低温等离子体处理，再采用硅烷偶联剂进行处理得到的，所述改性木粉是通过对木粉进行碱和过氧化氢处理，再经过二异氰酸酯处理得到的。
2.根据权利要求1所述的ABS复合材料，其特征在于，所述相容剂为环状酸酐型类反应型相容剂，进一步优选地，所述相容剂为马来酸酐接枝相容剂，更优选地，所述相容剂为ABS-g-MAH。
3.根据权利要求1所述的ABS复合材料，所述木粉包括云杉木粉、枫木粉、桃花心木粉、玫瑰木粉和相思木粉中的至少一种，进一步优选地，所述木粉的粒径大小为100目～200目；
优选地，所述碳纤维粉的目数为100～200目；
优选地，所述ABS的分子量为1.0×106～5.0×106。
4.根据权利要求1所述的ABS复合材料，其特征在于，所述润滑剂包括硬脂酸锌、硬脂酸酰胺、亚乙基双硬脂酸酰胺、油酸酰胺、硬脂酸正丁酯、甘油三羟硬脂酸酯和微晶石蜡中的至少一种，优选地，所述润滑剂为硬脂酸锌；
优选地，所述无机纳米材料包括纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、碳纳米管和石墨烯中的至少一种。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的ABS复合材料的制备方法，其特征在于，其包括：将所述改性碳纤维粉、所述改性木粉、所述ABS、所述无机纳米材料、所述润滑剂以及所述相容剂的共混料熔融挤出。
6.根据权利要求5所述的ABS复合材料的制备方法，其特征在于，所述共混料通过双螺杆熔融挤出，挤出机1～6段温度依次为210～220℃、215～225℃、220～230℃、225～235℃、230～240℃、230～240℃。
7.根据权利要求5所述的ABS复合材料的制备方法，其特征在于，所述ABS复合材料的制备方法还包括：将所述共混料熔融挤出后切粒，并将得到的粒料通过注塑机注塑，优选地，注塑机料筒1～3段的温度依次为230～240℃、240～250℃、240～250℃，注塑压力80～100Mpa，保压时间10～20s。
8.根据权利要求5所述的ABS复合材料的制备方法，其特征在于，所述ABS复合材料的制备方法还包括：将所述共混料熔融挤出后切粒，并将得到的粒料通过单螺杆挤出机挤出、牵引、绕线加工成3D打印线材；
优选地，所述单螺杆挤出机的1～4段温度依次为220～230℃、225～235℃、230～240℃、230～240℃，牵引速度为50～60mm/s；所制备3D打印线材直径约为1.75mm或3mm，直径误差在±5％以内。
9.根据权利要求5所述的ABS复合材料的制备方法，其特征在于，所述改性碳纤维粉通过以下步骤制备得到：
将碳纤维粉置于等离子体发生器中，在功率为100～600W、氧气流速为10～30mL/min，等离子体腔内压力为10～20Pa的条件下，用振荡频率为10～15MHz的等离子体处理所述碳纤维粉10～20min，处理结束后继续通气1～3min，然后取出碳纤维粉；
将经过氧气低温等离子体处理后的碳纤维粉与含有4～6wt％的硅烷偶联剂的乙醇溶液中，在20～30℃静置10～20min，然后在80～90℃下经水浴蒸发除去乙醇，在80～90℃下烘干12～24h；优选地，所述硅烷偶联剂与所述碳纤维粉的质量比为1:99～1:49，优选地，所述硅烷偶联剂包括γ-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、γ-巯丙基三甲氧基硅烷中的至少一种；
优选地，所述改性木粉通过以下步骤制备得到：将木粉在碱和过氧化氢的混合溶液中浸泡，洗涤至中性后，再将所述木粉与含有5～10wt％二异氰酸酯的丙酮溶液进行混合后20～30℃静置10～20min，然后在60～80℃下经水浴蒸发除去丙酮；优选地，所述木粉与碱和过氧化氢的混合溶液的质量比为1:8～1:12；优选地，所述二异氰酸酯与所述木粉的质量比为1:99～1:49。
10.一种如权利要求1～4任一项所述的ABS复合材料或如权利要求5～9任一项所述的ABS复合材料的制备方法制备得到的ABS复合材料在制作乐器中的应用，优选地，应用于乐器箱体的3D打印成型。
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110504435A (zh) * 2019-08-30 2019-11-26 石家庄尚太科技有限公司 一种低温等离子体制备硅碳复合负极材料的方法
CN110712366A (zh) * 2019-10-12 2020-01-21 西安交通大学 一种等离子与激光协同界面处理的复合材料3d打印方法
CN111363299A (zh) * 2020-04-30 2020-07-03 华南理工大学 一种耐候耐磨痕苯乙烯基木塑复合材料及其制备方法与应用
CN113462116A (zh) * 2021-07-02 2021-10-01 广州搜料信息技术有限公司 一种抗冲击高耐候的改性abs树脂聚合物及其制备工艺
CN114045001A (zh) * 2021-11-23 2022-02-15 会通新材料股份有限公司 一种低收缩率abs材料及其制备方法
CN115100943A (zh) * 2022-06-30 2022-09-23 上海芳辉印刷有限公司 一种不干胶标签及其生产工艺
CN115505269A (zh) * 2022-10-10 2022-12-23 广东金戈新材料股份有限公司 一种高导热超软垫片及其制备方法
CN115505227A (zh) * 2022-09-27 2022-12-23 北京航空材料研究院股份有限公司 一种抗风沙冲蚀橡胶保护层材料及制备方法
CN115651351A (zh) * 2022-12-29 2023-01-31 广州市威柏乐器制造有限公司 一种用于3d打印吉他的abs复合材料及其制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103788566A (zh) * 2014-01-14 2014-05-14 广州优塑塑料科技有限公司 一种仿木质的3d塑料打印线条及其生产方法
CN104151768A (zh) * 2014-08-12 2014-11-19 上海交通大学 导热性能优良的碳纤维增强abs树脂复合材料及制备方法
CN105131556A (zh) * 2015-09-27 2015-12-09 常州市奥普泰科光电有限公司 一种向日葵秸秆制备纳米纤维素/聚碳酸酯复合材料的方法
CN107118528A (zh) * 2017-06-06 2017-09-01 绍兴文理学院 一种黄麻纤维增强聚乳酸复合材料的制备方法
CN107141699A (zh) * 2017-05-26 2017-09-08 褚建芬 一种用于3d打印用abs复合材料及其制备方法
EP3194132B1 (fr) * 2014-08-28 2019-11-06 Université de Lorraine Materiau isolant thermique a base d'aerogel

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103788566A (zh) * 2014-01-14 2014-05-14 广州优塑塑料科技有限公司 一种仿木质的3d塑料打印线条及其生产方法
CN104151768A (zh) * 2014-08-12 2014-11-19 上海交通大学 导热性能优良的碳纤维增强abs树脂复合材料及制备方法
EP3194132B1 (fr) * 2014-08-28 2019-11-06 Université de Lorraine Materiau isolant thermique a base d'aerogel
CN105131556A (zh) * 2015-09-27 2015-12-09 常州市奥普泰科光电有限公司 一种向日葵秸秆制备纳米纤维素/聚碳酸酯复合材料的方法
CN107141699A (zh) * 2017-05-26 2017-09-08 褚建芬 一种用于3d打印用abs复合材料及其制备方法
CN107118528A (zh) * 2017-06-06 2017-09-01 绍兴文理学院 一种黄麻纤维增强聚乳酸复合材料的制备方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
徐鼐: "《通用级聚乳酸的改性与加工成型》", 31 January 2016, 中国科学技术大学出版社 *
沃丁柱，等: "《复合材料大全》", 31 January 2000, 化学工业出版社 *
苏晓芬: "聚丙烯/木粉复合材料的界面改性及性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 *
西鹏，等: "《3D打印技术概论》", 30 November 2015, 中国纺织出版社 *
黄伯云，等: "《纤维复合材料 中国战略性新兴产业 新材料》", 31 December 2017, 中国铁道出版社 *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110504435A (zh) * 2019-08-30 2019-11-26 石家庄尚太科技有限公司 一种低温等离子体制备硅碳复合负极材料的方法
CN110712366A (zh) * 2019-10-12 2020-01-21 西安交通大学 一种等离子与激光协同界面处理的复合材料3d打印方法
CN110712366B (zh) * 2019-10-12 2021-07-27 西安交通大学 一种等离子与激光协同界面处理的复合材料3d打印方法
CN111363299A (zh) * 2020-04-30 2020-07-03 华南理工大学 一种耐候耐磨痕苯乙烯基木塑复合材料及其制备方法与应用
CN113462116A (zh) * 2021-07-02 2021-10-01 广州搜料信息技术有限公司 一种抗冲击高耐候的改性abs树脂聚合物及其制备工艺
CN114045001B (zh) * 2021-11-23 2023-08-08 会通新材料股份有限公司 一种低收缩率abs材料及其制备方法
CN114045001A (zh) * 2021-11-23 2022-02-15 会通新材料股份有限公司 一种低收缩率abs材料及其制备方法
CN115100943A (zh) * 2022-06-30 2022-09-23 上海芳辉印刷有限公司 一种不干胶标签及其生产工艺
CN115505227A (zh) * 2022-09-27 2022-12-23 北京航空材料研究院股份有限公司 一种抗风沙冲蚀橡胶保护层材料及制备方法
CN115505227B (zh) * 2022-09-27 2024-04-16 北京航空材料研究院股份有限公司 一种抗风沙冲蚀橡胶保护层材料及制备方法
CN115505269A (zh) * 2022-10-10 2022-12-23 广东金戈新材料股份有限公司 一种高导热超软垫片及其制备方法
CN115505269B (zh) * 2022-10-10 2024-04-26 广东金戈新材料股份有限公司 一种高导热超软垫片及其制备方法
CN115651351A (zh) * 2022-12-29 2023-01-31 广州市威柏乐器制造有限公司 一种用于3d打印吉他的abs复合材料及其制备方法

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