CN110041662A - 一种基于3d打印的高分子梯度复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的高分子梯度复合材料和器件的制备方法，涉及材料加工成型领域，该方法包括以下操作步骤：1）填料进行表面处理；2）填料和光固化高分子溶液混合均匀；3）控制层打印之间的时间间隔,进行3D打印光固化成型；本发明利用功能填料在光固化高分子溶液中沉降的现象，在3D打印的成型过程中，将随时间变化溶液中不同浓度的填料固化在高分子材料，通过该方法能够制得随厚度增长高度不同功能填料含量梯度变化的高分子复合材料和器件，且本发明方法加工简单易行，应用前景广阔。

Description

一种基于3D打印的高分子梯度复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料加工成型技术领域，尤其涉及一种基于3D打印的高分子梯度复合材料和器件的制备方法。
背景技术
高分子梯度材料是含聚合物的、结构或组成沿着某一方向逐渐变化的、从而导致材料性质也逐渐变化的一类新型复合材料，其组成和结构沿着一定方向是渐变的,也因此带来了力学性能以及热性能等方面材料性能的梯度变化。目前，高分子梯度功能材料可望广泛用于耐磨功能部件、建材、隔音与减振材料、电磁波屏蔽材料、复印机部件、光纤、透镜、人工脏器、人造血管、微波炉烹饪用容器、耐腐蚀材料化工设备结构材料等。尤其在医用材料、分离膜、涂料、粘接剂和降噪吸声阻尼材料领域，高分子梯度材料已开始得到广泛的应用。高分子梯度材料的制备方法可按梯度成因来划分，包括电场法、离心力场法、温度梯度场法、光场梯度法、重力场法、组分用量调控法、表面/界面张力差异法、溶解与扩散法、共溶剂共混法、纤维排列法等。
而3D打印是近年来新发展起来的一种颠覆性的成型技术，给高分子梯度材料和器件带来更多的可能性。因此将3D打印技术应用到制备高分子梯度材料中的技术应运而生。
发明内容
本发明利用填料和光固化高分子溶液混合后，比重大的填料不可避免的会发生沉降，随着3D打印进程的进行，层叠固化的溶液中所含的填料含量会逐渐发生变化，使得打印成型的材料和器件沿着层叠方向具有梯度特性。
本发明是这样实现的：
一种基于3D打印的高分子梯度复合材料的制备方法，其特征在于，所述的方法利用填料在光固化高分子溶液中的沉降，将一定高度位置溶液中含量随时间变化的填料通过高分子材料的光固化复合在高分子3D打印材料中，制得填料浓度呈梯度变化的高分子复合材料，所述的方法具体步骤如下：
步骤一、对填料进行表面处理；该处理步骤选用高分子材料和填料复合的常规处理工艺即可；
步骤二、将处理后的填料和光固化高分子溶液混合均匀，得到填料和光固化高分子溶液的混合物；
步骤三、测试的填料沉降速率；
步骤四、将步骤二中得到的混合物装入3D打印机槽内，根据测试的填料沉降速率设定好打印间隔时间，开始打印；由于填料在溶液中的沉降速率是固定的，根据具体的实践需求，若想打印制得的材料中填料浓度梯度大的，即降低打印慢速度，使得设置的层之间打印间隔长些；反之，若想打印制得的材料中填料浓度梯度小，增加打印速度，设置的间隔短。
步骤五、打印完毕，取出打印件。
进一步，所述的填料和光固化高分子溶液按照质量百分比为0.1％-10％混合均匀，且所述的填料的比重大于光固化高分子溶液。本发明中的0.1％-10％为最佳比例范围，添加的少于0.1％，则功能体现不出来，大于10％会影响光固化。
进一步，所述的填料根据具体的实践需求添加，填料的种类不做限定，用作3D打印的填料均可；只是填料的比重大于光固化高分子溶液即可；所述的填料尺寸上为微米级或者纳米级。
进一步，所述的光固化高分子溶液为可以在光照射下固化的高分子单体和相应的辅助试剂的混合体，市面上出售的光固化高分子溶液均可以用作本发明的制备方法。
进一步，所述的步骤三中测试的填料沉降速率的工艺为：将步骤二中的混合物倒入一个带高度标尺的容器，每间隔一小时在预定的深度用滴管取样，测试填料的固含量，得到随时间变化、高度变化填料的含量变化图。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明针对3D打印层叠成型的特点，利用功能填料在光固化高分子溶液中沉降的现象，在3D打印的成型过程中，将随时间变化溶液中不同浓度的填料固化在高分子材料中，能够制得随厚度增长高度不同功能填料含量梯度变化的高分子复合材料和器件；
通过本发明的方法，可以根据填料的特性和含量不同，在不同的层叠平面端得到不同的性能，包括耐磨性、导电性、力学性能、电磁性能等；本发明加工方法简单易行，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明制备方法中的打印示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述，实施例1为传统的制备方法，作为对比实施例，其他的实施例都采用本发明的制备方法。
实施例1
市售3D打印用环氧丙烯酸树脂中加入硅烷偶联剂表面处理过的短切碳纤维0.1wt％，机械搅拌+超声分散2小时，将混合物放入真空搅拌器中进行40min脱泡处理，然后倒入一个带高度标尺的容器，每间隔一小时在预定的深度滴管取样测试固含量，得到随时间变化、高度变化填料的含量变化图。然后重复混料过程，将混合物倒入3D打印机的料槽，将3D模型文件导入切片软件中，设置参数，其中根据标定的数据设定3D打印机升降平台的升降速度，以满足我们预期的填料分布梯度，然后导出代码，开始打印，打印示意图如图1所示，其中，P填料，W为料槽，L为入射光源，T为打印件，F为升降控制平台。预设试件厚度5厘米。打印完毕后取下打印试件。
实施例2
市售3D打印用环氧丙烯酸树脂中加入硅烷偶联剂表面处理过的短切碳纤维10wt％，机械搅拌+超声分散2小时，将混合物放入真空搅拌器中进行40min脱泡处理，然后倒入一个带高度标尺的容器，每间隔一小时在预定的深度滴管取样测试固含量，得到随时间变化、高度变化填料的含量变化图。然后重复混料过程，具体为：根据随时间变化、高度变化填料维的含量变化图设置打印速率，根据测试沉降速率的结果正式混料进行打印。若想打印制得的材料中填料浓度梯度大的，降低打印慢速度；若想打印制得的材料中填料浓度梯度小，增加打印速度。，将混合物倒入3D打印机的料槽，将3D模型文件导入切片软件中，设置参数，其中根据标定的数据设定3D打印机升降平台的升降速度，以满足我们预期的填料分布梯度，然后导出代码，开始打印，预设试件厚度5厘米。打印完毕后取下打印试件。
实施例3
市售3D打印用环氧丙烯酸树脂中加入硅烷偶联剂表面处理过的短切碳纤维2wt％，机械搅拌+超声分散2小时，将混合物放入真空搅拌器中进行40min脱泡处理，然后倒入一个带高度标尺的容器，每间隔一小时在预定的深度滴管取样测试固含量，得到随时间变化、高度变化填料的含量变化图。然后重复混料过程，将混合物倒入3D打印机的料槽，将3D模型文件导入切片软件中，设置参数，其中根据标定的数据设定3D打印机升降平台的升降速度，以满足我们预期的填料分布梯度，然后导出代码，开始打印，预设试件厚度5厘米。打印完毕后取下打印试件。
实施例4
市售3D打印用环氧丙烯酸树脂中加入聚醚醚酮粉0.1wt％，机械搅拌+超声分散2小时，将混合物放入真空搅拌器中进行40min脱泡处理，然后倒入一个带高度标尺的容器，每间隔一小时在预定的深度滴管取样测试固含量，得到随时间变化、高度变化填料的含量变化图。然后重复混料过程，将混合物倒入3D打印机的料槽，将3D模型文件导入切片软件中，设置参数，其中根据标定的数据设定3D打印机升降平台的升降速度，以满足我们预期的填料分布梯度，然后导出代码，开始打印，预设试件厚度5厘米。打印完毕后取下打印试件。
实施例5
市售3D打印用环氧丙烯酸树脂中加入聚醚醚酮粉10wt％，机械搅拌+超声分散2小时，将混合物放入真空搅拌器中进行40min脱泡处理，然后倒入一个带高度标尺的容器，每间隔一小时在预定的深度滴管取样测试固含量，得到随时间变化、高度变化填料的含量变化图。然后重复混料过程，将混合物倒入3D打印机的料槽，将3D模型文件导入切片软件中，设置参数，其中根据标定的数据设定3D打印机升降平台的升降速度，以满足我们预期的填料分布梯度，然后导出代码，开始打印，预设试件厚度5厘米。打印完毕后取下打印试件。
实施例6
市售3D打印用环氧丙烯酸树脂中加入聚醚醚酮粉5wt％，机械搅拌+超声分散2小时，将混合物放入真空搅拌器中进行40min脱泡处理，然后倒入一个带高度标尺的容器，每间隔一小时在预定的深度滴管取样测试固含量，得到随时间变化、高度变化填料的含量变化图。然后重复混料过程，将混合物倒入3D打印机的料槽，将3D模型文件导入切片软件中，设置参数，其中根据标定的数据设定3D打印机升降平台的升降速度，以满足我们预期的填料分布梯度，然后导出代码，开始打印，预设试件厚度5厘米。打印完毕后取下打印试件。
上述实施例1-6中的测试样中不同填料含量对应的磨损情况的数据详见表1。
表1实施例测试样的填料含量
通过上述实施例1-6的试验数据可知，采用本发明制备的3D打印试件上下表面中填料的含量存在明显的差别，所带来的磨损量也发生变化。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (4)

1.一种基于3D打印的高分子梯度复合材料的制备方法，其特征在于，所述的方法利用填料在光固化高分子溶液中的沉降，将一定高度位置溶液中含量随时间变化的填料通过高分子材料的光固化复合在高分子3D打印材料中，制得填料浓度呈梯度变化的高分子复合材料，所述的方法具体步骤如下：
步骤一、对填料进行表面处理；
步骤二、将处理后的填料和光固化高分子溶液混合均匀，得到填料和光固化高分子溶液的混合物；
步骤三、测试的填料沉降速率；
步骤四、将步骤二中得到的混合物装入3D打印机槽内，根据测试的填料沉降速率设定好打印间隔时间，开始打印；
步骤五、打印完毕，取出打印件。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的高分子梯度复合材料的制备方法，其特征在于，所述的填料和光固化高分子溶液按照质量百分比为0.1%-10%混合均匀，且所述的填料的比重大于光固化高分子溶液。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印的高分子梯度复合材料的制备方法，其特征在于，所述的填料尺寸上为微米级或者纳米级。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的高分子梯度复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤三中测试的填料沉降速率的工艺为：将步骤二中的混合物倒入一个带高度标尺的容器，每间隔一小时在预定的深度用滴管取样，测试填料的固含量，得到随时间变化、高度变化填料的含量变化图。
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