CN109233236A - 一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料及其制备方法，由以下原料按如下质量比组成：非晶树脂100份、碳纤维球5～45份、增韧剂2～10份、相容剂0.1～0.5份、耐热剂0.5～2.5份、抗氧剂0.05～0.25份以及润滑剂0.05～0.25份。本发明制备的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料具有力学强度大、低温韧性好、热稳定性高和成型速度快等特点。此外本发明所涉及的生产设备及工艺控制简单，可直接应用和推广于激光烧结快速成型领域，制备具有一定强度和热稳定性等方面要求的复杂制件。

Description

一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明提供了一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料及其制备方法，属于树脂材料在快速成型应用改性领域。
背景技术
选择性激光烧结成型技术是一种常见的快速构型技术，通常以粉末材料为原料，以激光发生器为能量来源，通过选择性的烧结将粉末材料迅速构建为具有立体三维结构的产品，以实现快速成型目的。其常用原料包含树脂粉末、陶瓷粉末和金属粉末等具有可烧结性的粉末材料。其中常用的树脂粉末原料多为未改性材料，普遍存在力学强度低、耐热性差和成型速度慢等不足，极大的局限了树脂类材料在该成型领域的应用和发展。
本发明创新性地以非晶树脂为基体，以碳纤维球为填充改性材料，制备了一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料及其制备方法，属于树脂材料在快速成型应用改性领域。本发明制备的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料具有力学强度大、低温韧性好、热稳定性高和成型速度快等特点。此外本发明所涉及的生产设备及工艺控制简单，可直接应用和推广于激光烧结快速成型领域，制备具有一定强度和热稳定性等方面要求的复杂制件。
发明内容
本发明提供了一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料及其制备方法，属于树脂材料在快速成型应用改性领域。本发明制备的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料具有力学强度大、低温韧性好、热稳定性高和成型速度快等特点。此外本发明所涉及的生产设备及工艺控制简单，可直接应用和推广于激光烧结快速成型领域，制备具有一定强度和热稳定性等方面要求的复杂制件。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料，包含以下组分及重量份含量：
非晶树脂100份，
碳纤维球5～45份，
增韧剂2～10份，
相容剂0.1～0.5份，
耐热剂0.5～2.5份，
抗氧剂0.05～0.25份，
润滑剂0.05～0.25份。
所述的非晶树脂优选为聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂。
所述的碳纤维球是具有立体三维结构的缠绕球状碳纤维，粒径在15～40μm。
所述的增韧剂为乙烯－丙烯酸甲酯－甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物或甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸酯-有机硅共聚物。
所述的相容剂为甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物或丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯共聚物。
所述的耐热剂为苯乙烯-N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物或N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物。
所述的抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯或硫代二丙酸双十八醇酯。
所述的润滑剂为次乙基双硬脂酰胺或季戊四醇硬脂酸酯。
一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)按以下比例配备原料：非晶树脂100份、碳纤维球5～45份、增韧剂2～10份、相容剂0.1～0.5份、耐热剂0.5～2.5份、抗氧剂0.05～0.25份以及润滑剂0.05～0.25份，置于高速混合机分散10～30分钟；
(2)将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于选择性激光烧结制造技术所需的粉末材料。
本发明具有以下有益效果：
1、在材料发生破坏变形时，碳纤维球因其特有的球状缠绕结构，具有阻止甚至消除银纹等断裂机理的发展作用，因而大幅提高复合材料的力学强度；
2、碳纤维球的引入，可以有效吸收能量，起到缓冲作用，提高了材料在低温环境下的韧性；
3、在材料受热时，相互纠缠的球状结构可以有效地起到框架作用，缓解材料的变形程度和速度，提高了材料的耐热性；
4、在成型过程中，具有球状结构的碳纤维球可以高效的填充粉末烧结过程中的孔隙，提高搭建速度，有效提高了生产效率。
因此本发明制备的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料具有力学强度大、低温韧性好、热稳定性高和成型速度快等特点。此外本发明所涉及的生产设备及工艺控制简单，可直接应用和推广于激光烧结快速成型领域，制备具有一定强度和热稳定性等方面要求的复杂制件。
具体实施方法
下面结合具体实例对本发明内容进行进一步的说明，但所述实施例并非是对本发明实质精神的简单限定，任何基于本发明实质精神所作出的简单变化或等同替换均应属于本发明所要求保护的范围之内。
制备的样品在23℃、50％湿度环境下调节后，分别采用ASTM D790、ASTM D6110和ASTM D648检测复合材料的弯曲强度、冲击强度和热变形温度并记录复合材料成型速度。
本发明的具体实施例如下：
实施例1
(1)按以下比例配备原料：
聚碳酸酯非晶树脂100份，
碳纤维球5份，
增韧剂乙烯－丙烯酸甲酯－甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物2份，
相容剂甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物0.1份，
耐热剂苯乙烯-N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物0.5份，
抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.02份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.03份，
润滑剂次乙基双硬脂酰胺0.05份。
(2)将以上预混后的物料置于高速混合机分散10min后通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于激光烧结快速成型领域的非经复合材料所需粉末材料；
所制得的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料性能见表一。
实施例2
(1)按以下比例配备原料：
聚碳酸酯非晶树脂100份，
碳纤维球15份，
增韧剂乙烯－丙烯酸甲酯－甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物4份，
相容剂甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物0.2份，
耐热剂苯乙烯-N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物1份，
抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.04份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.08份，
润滑剂次乙基双硬脂酰胺0.1份。
(2)将以上预混后的物料置于高速混合机分散15min后通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于激光烧结快速成型领域的非经复合材料所需粉末材料；
所制得的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料性能见表一。
实施例3
(1)按以下比例配备原料：
聚碳酸酯非晶树脂100份，
碳纤维球25份，
增韧剂乙烯－丙烯酸甲酯－甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物6份，
相容剂甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物0.3份，
耐热剂苯乙烯-N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物1.5份，
抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.1份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.1份，
润滑剂次乙基双硬脂酰胺0.15份。
(2)将以上预混后的物料置于高速混合机分散20min后通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于激光烧结快速成型领域的非经复合材料所需粉末材料；
所制得的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料性能见表一。
实施例4
(1)按以下比例配备原料：
聚碳酸酯非晶树脂100份，
碳纤维球35份，
增韧剂乙烯－丙烯酸甲酯－甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物8份，
相容剂甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物0.4份，
耐热剂苯乙烯-N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物2份，
抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.12份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.12份，
润滑剂次乙基双硬脂酰胺0.2份。
(2)将以上预混后的物料置于高速混合机分散25min后通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于激光烧结快速成型领域的非经复合材料所需粉末材料；
所制得的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料性能见表一。
实施例5
(1)按以下比例配备原料：
聚碳酸酯非晶树脂100份，
碳纤维球45份，
增韧剂乙烯－丙烯酸甲酯－甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物10份，
相容剂甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物0.5份，
耐热剂苯乙烯-N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物2.5份，
抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.1份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.15份，
润滑剂次乙基双硬脂酰胺0.25份。
(2)将以上预混后的物料置于高速混合机分散30min后通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于激光烧结快速成型领域的非经复合材料所需粉末材料；
所制得的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料性能见表一。
实施例6
(1)按以下比例配备原料：
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯非晶树脂100份，
碳纤维球5份，
增韧剂甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸酯-有机硅共聚物2份，
相容剂丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯共聚物0.1份，
耐热剂N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物0.5份，
抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.02份，
抗氧剂硫代二丙酸双十八醇酯0.03份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.05份。
(2)将以上预混后的物料置于高速混合机分散10min后通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于激光烧结快速成型领域的非经复合材料所需粉末材料；
所制得的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料性能见表一。
实施例7
(1)按以下比例配备原料：
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯非晶树脂100份，
碳纤维球15份，
增韧剂甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸酯-有机硅共聚物4份，
相容剂丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯共聚物0.2份，
耐热剂N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物1份，
抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.04份，
抗氧剂硫代二丙酸双十八醇酯0.08份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.1份。
(2)将以上预混后的物料置于高速混合机分散15min后通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于激光烧结快速成型领域的非经复合材料所需粉末材料；
所制得的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料性能见表一。
实施例8
(1)按以下比例配备原料：
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯非晶树脂100份，
碳纤维球25份，
增韧剂甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸酯-有机硅共聚物6份，
相容剂丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯共聚物0.3份，
耐热剂N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物1.5份，
抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.06份，
抗氧剂硫代二丙酸双十八醇酯0.1份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.15份。
(2)将以上预混后的物料置于高速混合机分散20min后通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于激光烧结快速成型领域的非经复合材料所需粉末材料；
所制得的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料性能见表一。
实施例9
(1)按以下比例配备原料：
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯非晶树脂100份，
碳纤维球35份，
增韧剂甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸酯-有机硅共聚物8份，
相容剂丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯共聚物0.4份，
耐热剂N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物2份，
抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.08份，
抗氧剂硫代二丙酸双十八醇酯0.12份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.2份。
(2)将以上预混后的物料置于高速混合机分散25min后通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于激光烧结快速成型领域的非经复合材料所需粉末材料；
所制得的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料性能见表一。
实施例10
(1)按以下比例配备原料：
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯非晶树脂100份，
碳纤维球45份，
增韧剂甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸酯-有机硅共聚物10份，
相容剂丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯共聚物0.5份，
耐热剂N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物2.5份，
抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.1份，
抗氧剂硫代二丙酸双十八醇酯0.15份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.25份。
(2)将以上预混后的物料置于高速混合机分散30min后通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于激光烧结快速成型领域的非经复合材料所需粉末材料；
所制得的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料性能见表一。
对比例1
(1)按以下比例配备原料：
聚碳酸酯非晶树脂100份，
抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.02份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.03份，
润滑剂次乙基双硬脂酰胺0.05份。
(2)将以上预混后的物料置于高速混合机分散10min后通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于激光烧结快速成型领域的非经复合材料所需粉末材料；
所制得的用于激光烧结的非晶复合材料性能见表一。
对比例2
(1)按以下比例配备原料：
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯非晶树脂100份，
抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.02份，
抗氧剂硫代二丙酸双十八醇酯0.03份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.05份。
(2)将以上预混后的物料置于高速混合机分散10min后通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于激光烧结快速成型领域的非经复合材料所需粉末材料；
所制得的用于激光烧结的非晶复合材料性能见表一。
表一：
性能 弯曲强度(MPa) 冲击强度(KJ/m2) 热变形温度(℃) 成型速度(cm<sup>3</sup>/h)
实施例1 109 57 133 59
实施例2 113 62 135 62
实施例3 116 70 139 64
实施例4 115 68 138 63
实施例5 113 65 136 61
实施例6 70 14 80 40
实施例7 73 16 82 41
实施例8 76 17 85 44
实施例9 79 20 88 47
实施例10 77 19 87 46
对比例1 87 46 118 44
对比例2 55 12 69 31
本发明制备的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料具有力学强度大、低温韧性好、热稳定性高和成型速度快等特点。由表一中数据可知：碳纤维球改性聚碳酸酯复合材料，弯曲强度最大为116MPa，较改性前(对照实例1)提高33.3％；冲击强度最大为70KJ/m2，较改性前提高52.2％；热变形温度最高为139℃，较改性前提高17.8％；成型速度最快为64cm3/h，较改性前提高45.5％。碳纤维球改性聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯复合材料，弯曲强度最大为79MPa，较改性前(对照实例2)提高43.6％；冲击强度最大为20KJ/m2，较改性前提高66.7％；热变形温度最高为88℃，较改性前提高27.5％；成型速度最快为47cm3/h，较改性前提高51.6％。此外本发明所涉及的生产设备及工艺控制简单，可直接应用和推广于激光烧结快速成型领域，制备具有一定强度和热稳定性等方面要求的复杂制件。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料，其特征在于，包含以下组分及重量份含量：
非晶树脂100份，
碳纤维球5～45份，
增韧剂2～10份，
相容剂0.1～0.5份，
耐热剂0.5～2.5份，
抗氧剂0.05～0.25份，
润滑剂0.05～0.25份。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料，其特征在于，所述的非晶树脂为聚碳酸酯或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料，其特征在于，所述的碳纤维球是具有立体三维结构的缠绕球状碳纤维，粒径在15～40μm。
4.根据权利要求1所述的一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料，其特征在于，所述的增韧剂为乙烯－丙烯酸甲酯－甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物或甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸酯-有机硅共聚物。
5.根据权利要求1所述的一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料，其特征在于，所述的相容剂为甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物或丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯共聚物。
6.根据权利要求1所述的一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料，其特征在于，所述的耐热剂为苯乙烯-N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物或N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐共聚物。
7.根据权利要求1所述的一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料，其特征在于，所述的抗氧剂为四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯或硫代二丙酸双十八醇酯。
8.根据权利要求1所述的一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料，其特征在于，所述的润滑剂为次乙基双硬脂酰胺或季戊四醇硬脂酸酯。
9.一种权利要求1~8任一项所述的用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）按以下比例配备原料：非晶树脂100份、碳纤维球5～45份、增韧剂2～10份、相容剂0.1～0.5份、耐热剂0.5～2.5份、抗氧剂0.05～0.25份以及润滑剂0.05～0.25份，置于高速混合机分散10～30分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得树脂粒子，粉化后制得用于选择性激光烧结制造技术所需的粉末材料。
CN201710558852.6A 2017-07-10 2017-07-10 一种用于激光烧结的碳纤维球改性非晶复合材料及其制备方法 Pending CN109233236A (zh)

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