CN109897372A - 一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于选择性激光烧结3D打印领域，尤其是一种选择性激光烧结打印用的低密度尼龙复合粉末及制备方法；包括空心玻璃珠晶核，所述空心玻璃珠晶核外有一层尼龙层，所述空心玻璃微珠晶核的颗粒粒径尺寸以5‑25μm；采用该复合粉末打印的制件具有密度小，制件收缩率低，拉伸强度、弹性模量高，性能优异的特性；本发明制备的尼龙复合粉末在选择性激光烧结应用中，制备的制件即具有较低的密度，又具有良好的力学性能；且其SLS成型件的力学性能比采用物理混合的材料的SLS成型件有明显的提升。

Description

一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末及其制备 方法

技术领域

本发明属于选择性激光烧结3D打印领域，尤其是一种选择性激光烧结打印用的低密度尼龙复合粉末及制备方法。

背景技术

选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,简称SLS)是近年来发展最为迅速的快速成型技术之一，其以固体粉末为原料，采用激光对三维实体的截面进行逐层扫描完成原型制造，其制造不受零件形状复杂程度的限制，可精确快速还原设计理念、快速生产新产品的功能测试件，广泛应用与汽车、船舶、航天航空、医学和照明等领域中。

在选择性激光烧结(SLS)技术中，目前主要的应用材料是聚酰胺类产品，如PA12，PA11。而PA12、PA11材料由于价格昂贵，材料收缩率高，拉伸强度、弹性模量等性能较低，在工业应用上受到了很大的限制，为提高材料SLS成型件的力学性能，一般采用在尼龙粉末中添加玻璃微珠，玻璃纤维，碳纤维等方法增强材料的力学性能。

专利CN102337021通过对尼龙粉末添加玻璃微珠，来降低材料在 SLS成型过程中的收缩，翘曲程度。提高打印制件的拉伸强度及模量。但由于玻璃微珠、玻璃纤维等填料的密度都比较高(玻璃微珠的密度在2.2g/cm³以上)，因此最终得到的材料SLS成型件密度都很大。 CN101724258通过用空心玻璃微珠对尼龙进行改性，应用与尼龙复合材料注塑件，取得了较好的效果，降低了注塑件的单位重量。但SLS 成型与注塑成型还是有较大区别。

专利CN 102311637A中就通过在尼龙中添加空心玻璃微珠的方法，来降低SLS成型件的单位质量；但是此专利采取机械混合的方法，将尼龙粉末与空心玻璃微珠混合获得较低密度的尼龙复合材料。而机械混合过程中由于两种或多种不同性质的粉末相对独立存在，其密度不同，形态不同，很容易产生成分偏聚现象，从而导致最终成形的零件中的成分分布不均匀，从而使得零件不同位置的性能具有较大差别。此专利制备的复合材料虽然降低了最终SLS成型件的密度，但是其力学性能也降低了很多。现有技术缺陷限制了尼龙复合材料及SLS成型技术在航天航空等最工件重力敏感领域的应用和发展。

如何采取有效手段对尼龙材料进行改性，在降低材料密度的同时，保证材料力学性能的稳定，提高SLS成型件的综合性能，是目前需要进一步研究发展的，因此有必要对现有的低密度尼龙复合材料进行进一步的改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术中的不足，提供一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末，采用该复合粉末打印的制件具有密度小，制件收缩率低，拉伸强度、弹性模量高，性能优异的特性；本发明的另一个目的是：提供一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末的制备方法，该制备方法制得的聚酰胺复合材料粉末颗粒具有形貌规整，形貌微观呈球状，粉末颗粒尺寸分布集中。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末，包括空心玻璃珠晶核，所述空心玻璃珠晶核外有一层尼龙层，所述空心玻璃微珠晶核的颗粒粒径尺寸以5-25μm，所述复合粉末的平均颗粒粒径大小为 50-70um。

一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将尼龙粒料、空心玻璃微珠与有机溶剂放置于密封容器中，对容器进行充放氮气，排除容器内的空气后，使容器内保持0.2MPa 的压力；

(2)对物料及溶剂进行加热，待物料温度升温至160℃时，进行保温；

(3)待保温结束后，对物料进行降温，首先缓慢降温至100℃度，在此降温过程中，尼龙以空心玻璃微珠为晶核逐步结晶析出；

(4)再对步骤(3)中的物料迅速降温至室温，对制得的尼龙- 空心玻璃微珠复合粉末颗粒进行分离干燥，所得到的粉末颗粒即为目标材料；

(5)将步骤(4)中得到的目标材料与一定量的流动助剂、抗氧剂均匀混合，所得粉末过筛即为用于选择性激光烧结用的目标材料。

进一步的，所述步骤(1)中尼龙粒料选用尼龙12，尼龙11，尼龙1212，尼龙1010中的一种或几种。

进一步的，所述步骤(1)中溶剂选用醇类溶剂，酮类溶剂，酰胺类溶剂中的一种或多种。

进一步的，所述步骤(1)中的空心玻璃微珠的颗粒粒径尺寸以 5-25μm。

进一步的，所述步骤(1)中的空心玻璃微珠的质量分数为 5％-10％。

进一步的，所述步骤(5)中流动助剂的质量分数为0.1％-1％，抗氧剂的质量分数为0.1％-2％。

进一步的，所述步骤(2)中保温的时间为1h。

进一步的，所述步骤(3)中缓慢降温的速度为0.5℃/min。

进一步的，所述步骤(4)中快速降温的速度为4℃/min。

采用本发明的技术方案的有益效果是：

1、本发明最终得到的尼龙-空心玻璃微珠粉末颗粒，尼龙包覆在实心玻璃微珠外面，形貌规整，呈球形。颗粒粒径分布集中颗粒尺寸在50-70um之间。尼龙与空心玻璃微珠包裹在一起，形成一个空心的尼龙颗粒。

2、采用此方法制备的尼龙复合材料，一方面因为尼龙是包裹在空心玻璃微珠外面，相当于形成了一个空心的尼龙粉末颗粒。另一方面，在溶液降温过程中，尼龙是逐步以空心玻璃微珠为晶核进行结晶，因此尼龙树脂与空心玻璃微珠的接触界面结合的更好。而两个不同组分的固体颗粒，如果采用物理混合法，很难充分混合均匀，而且由于固体颗粒与固体颗粒之间是以独立个体接触在一起的，因此在SLS成型过程中，不同组分的结合会比较弱，从而影响SLS成型件的力学性能。

3、本发明工艺操作简单，在加工过程中，通过控制降温速率，则可控制最终制备的粉末颗粒的大小及形貌。

4、本发明工艺简单，且成本很低。制备过程中的有机溶剂可以进行重复使用，不会造成污染或浪费。本发明制备的尼龙复合粉末在选择性激光烧结应用中，制备的制件即具有较低的密度，又具有良好的力学性能。且其SLS成型件的力学性能比采用物理混合的材料的 SLS成型件有明显的提升。

附图说明

图1为实施例1中材料的微观形貌图。

图2为图1的放大图。

图3为对比例2中材料的微观形貌图。

图4为图3的放大图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

(1)将9.5KgPA12颗粒、0.5kg实心玻璃微珠与100L乙醇加入到密封容器中，对容器内进行充放氮气3次，密封容器内压力达到 0.2MPa。

(2)然后对物料进行加热升温，待其温度达到160℃时，保温搅拌1小时。然后进行降温；首先以0.5℃/min降温至100℃，然后按4℃/min快速降至室温。

(3)将步骤(2)所得到的粉末颗粒进行分离干燥，将颗粒分离出来，所得到的粉末颗粒即为目标产物。

(4)将步骤(3)得到的粉末颗粒与抗氧剂，流动助剂按照1： 0.001：0.001比例配比混合，筛分，得到一种选择性激光烧结用尼龙-实心玻璃微珠复合粉末材料。

(5)将步骤(4)中的粉末在SLS设备上成型，制备工艺参数为：激光功率44W，扫描速度4000mm/s，扫描间距0.3，烧结层厚0.12mm；将所得SLS制件按ISO标准进行性能测试，结果见表1，微观形貌图见图1和图2。

实施例2

(1)将9.2KgPA12颗粒、0.8kg实心玻璃微珠与100L乙醇加入到密封容器中，对容器内进行充放氮气3次，密封容器内压力达到 0.2MPa。

(2)然后对物料进行加热升温，待其温度达到160℃时，保温搅拌1小时。然后进行降温；首先以0.5℃/min降温至100℃，然后按4℃/min快速降至室温。

(3)将步骤(2)所得到的粉末颗粒进行分离干燥，将颗粒分离出来，所得到的粉末颗粒即为目标产物。

(4)将步骤(3)得到的粉末颗粒与抗氧剂，流动助剂按照1： 0.005：0.005比例配比混合，筛分，得到一种选择性激光烧结用尼龙-实心玻璃微珠复合粉末材料。

(5)将步骤(4)粉末在SLS设备上成型，制备工艺参数为：激光功率44W，扫描速度4000mm/s，扫描间距0.3，烧结层厚0.12mm；将所得SLS制件按ISO标准进行性能测试，结果见表1。

实施例3

(1)将9.0KgPA12颗粒、1kg实心玻璃微珠与100L乙醇加入到密封容器中，对容器内进行充放氮气3次，密封容器内压力达到 0.2MPa。

(2)然后对物料进行加热升温，待其温度达到160℃时，保温搅拌1小时。然后进行降温；首先以0.5℃/min降温至100℃，然后按4℃/min快速降至室温。

(3)将步骤(2)所得到的粉末颗粒进行分离干燥，将颗粒分离出来，所得到的粉末颗粒即为目标产物。

(4)将步骤(3)得到的粉末颗粒与抗氧剂，流动助剂按照1： 0.01：0.02比例配比混合，筛分，得到一种选择性激光烧结用尼龙- 实心玻璃微珠复合粉末材料。

(5)将步骤(4)粉末在SLS设备上成型，制备工艺参数为：激光功率44W，扫描速度4000mm/s，扫描间距0.3，烧结层厚0.12mm；将所得SLS制件按ISO标准进行性能测试，结果见表1。

对比例1

1、将10KgPA12颗粒与100L乙醇加入到密封容器中，对容器内进行充放氮气3次，密封容器内压力达到0.2MPa。

2、然后对物料进行加热升温，待其温度达到160℃时，保温搅拌1小时。然后进行降温；首先以0.5℃/min降温至100℃，然后按 4℃/min快速降至室温。

3、将步骤2所得到的粉末颗粒进行分离干燥，将颗粒分离出来，得到的粉末颗粒与抗氧剂，流动助剂按照1：0.05：0.05比例配比混合，筛分，得到一种选择性激光烧结用尼龙粉末材料。

4、将步骤3粉末在SLS设备上成型，制备工艺参数为：激光功率44W，扫描速度4000mm/s，扫描间距0.3，烧结层厚0.12mm；将所得SLS制件按ISO标准进行性能测试，结果见表1。

对比例2

将9kg对比例一制备的PA12粉末,1.0kg实心玻璃微珠，一起加入立式搅拌器中机械混合2h得到实心玻璃微珠增强的尼龙12-玻璃微珠粉末材料。用在SLS设备上成型，制备工艺参数为：激光功率 40W，扫描速度4000mm/s，扫描间距0.15，烧结层厚0.12mm；将所得SLS制件按ISO标准进行性能测试，结果见表1，微观形貌图见图3和图4。

表1：材料SLS打印制件的力学性能

本发明中的流动助剂采用本领域中的常用流动助剂，可以采用聚丙烯塑料增流剂，聚碳酸酯塑料增流剂，聚酯增流剂，高抗冲聚苯乙烯塑料增流剂等。

本发明中的抗氧剂采用本领域中的常用塑料抗氧剂，可以采用磷类抗氧剂、酚类抗氧剂或天然抗氧剂等。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末，其特征在于：包括空心玻璃珠晶核，所述空心玻璃珠晶核外有一层尼龙层，所述空心玻璃微珠晶核的颗粒粒径尺寸以5-25μm，所述复合粉末的平均颗粒粒径大小为50-70um。

2.一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）将尼龙粒料、空心玻璃微珠与有机溶剂放置于密封容器中，对容器进行充放氮气，排除容器内的空气后，使容器内保持0.2 MPa的压力；

（2）对物料及溶剂进行加热，待物料温度升温至160℃时，进行保温；

（3）待保温结束后，对物料进行降温，首先缓慢降温至100℃度，在此降温过程中，尼龙以空心玻璃微珠为晶核逐步结晶析出；

（4）再对步骤（3）中的物料迅速降温至室温，对制得的尼龙-空心玻璃微珠复合粉末颗粒进行分离干燥，所得到的粉末颗粒即为目标材料；

（5）将步骤（4）中得到的目标材料与一定量的流动助剂、抗氧剂均匀混合，所得粉末过筛即为用于选择性激光烧结用的目标材料。

3.根据权利要求2所述的一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中尼龙粒料选用尼龙12，尼龙11，尼龙1212，尼龙1010中的一种或几种。

4.根据权利要求2所述的一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中溶剂选用醇类溶剂，酮类溶剂，酰胺类溶剂中的一种或多种。

5.根据权利要求2所述的一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的空心玻璃微珠的颗粒粒径尺寸以5-25μm。

6.根据权利要求2所述的一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的空心玻璃微珠的质量分数为5%-10%。

7.根据权利要求2所述的一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中流动助剂的质量分数为0.1%-1%，抗氧剂的质量分数为0.1%-2%。

8.根据权利要求2所述的一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中保温的时间为1h。

9.根据权利要求2所述的一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中缓慢降温的速度为0.5℃/min。

10.根据权利要求2所述的一种用于选择性激光烧结的低密度尼龙复合粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中快速降温的速度为4℃/min。