CN110253878A - 一种选择性激光烧结制件及其制备方法和应用 - Google Patents

一种选择性激光烧结制件及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种选择性激光烧结制件及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。本发明提供的选择性激光烧结制件，包括以下步骤：提供选择性激光烧结成型品；将所述选择性激光烧结成型品进行微波处理，得到选择性激光烧结制件；所述选择性激光烧结成型品为碳纳米管/木塑复合材料选择性激光烧结成型品。本发明提供的制备方法在无需引入石蜡、树脂等其他液态介质并保证成型件尺寸精度的情况下，能够大大提高选择性激光烧结成型品的力学性能，实现碳纳米管/木塑复合材料的微纳米尺度结构调控，而且制备方法具有工艺简单、绿色无污染、低能耗和低成本的优点，适宜工业化生产。

Description

一种选择性激光烧结制件及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料打印制品技术领域，具体涉及一种选择性激光烧结制件及其制备方法和应用。
背景技术
选择性激光烧结技术是一种可快速且准确制造出具有复杂结构和形状零件的增材制造技术。其中，木塑复合材料，制造成本低且绿色环保，是一种新型的选择性激光烧结材料。已有研究表明，将碳纳米管加入木塑复合材料中会增强木塑复合材料的力学性能。但是现有的选择性激光烧结木塑复合材料的力学性能较低，需要对选择性激光烧结木塑复合材料成型品进行后处理以提高其力学性能。
目前常用的选择性激光烧结木塑复合材料成型品的后处理方法主要有渗蜡和渗树脂(参见王伟等.选择性激光烧结后处理工艺技术研究现状[J].森林工程,2014,30(2):101-104)，渗蜡和渗树脂两种后处理方法虽均能短期内提高打印制品的力学性能，但仍存在诸多弊端：渗蜡时，熔融的蜡液接触到打印制品中的高分子材料，使高分子材料软化并破坏其高分子链结构，这导致打印制品的力学性能随着时间的推移而逐渐下降，打印制品寿命大幅降低；渗树脂时，由于树脂粘性太大无法进入打印制品内部，只能提升打印制品局部的力学性能；而且这两种方法的工艺流程复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种选择性激光烧结制件及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法能够大大提高选择性激光烧结成型品的力学性能，实现对碳纳米管/木塑复合材料的微纳米尺度结构调控，而且制备方法工艺简单、绿色无污染、能耗低、成本低，适宜工业化生产。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种选择性激光烧结制件，包括以下步骤：
提供选择性激光烧结成型品；
将所述选择性激光烧结成型品进行微波处理，得到选择性激光烧结制件；
所述选择性激光烧结成型品为碳纳米管/木塑复合材料选择性激光烧结成型品。
优选地，所述微波处理的功率为150～700W。
优选地，所述微波处理的时间为2～90s。
优选地，所述提供选择性激光烧结成型品的制备原料包括木粉、热熔胶颗粒和碳纳米管。
优选地，所述木粉和热熔胶颗粒的质量比为1:(4～6)；所述碳纳米管的添加量为木粉和热熔胶颗粒总质量的0.01％～5％。
优选地，所述碳纳米管的直径为30～60nm。
优选地，所述的选择性激光烧结成型品的制备方法包括以下步骤：将木粉、热熔胶颗粒和碳纳米管混合，得到混合物料；将所述混合物料置于激光烧结快速成型机中打印成型，得到选择性激光烧结成型品。
优选地，所述激光烧结快速成型机的工作条件为：激光器输出功率为10～50W，扫描激光光束的移动速率为1600～2000mm/s，激光光束扫描间距为0.15mm，分层厚度为0.1～0.15mm。
本发明提供了一种选择性激光烧结制件，由上述技术方案所述制备方法制备得到。
本发明好提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的碳纳米管/木塑复合材料或上述技术方案所述碳纳米管/木塑复合材料在3D打印中的应用。
本发明提供了一种选择性激光烧结制件，包括以下步骤：提供选择性激光烧结成型品；将所述选择性激光烧结成型品进行微波处理，得到选择性激光烧结制件；所述选择性激光烧结成型品为碳纳米管/木塑复合材料选择性激光烧结成型品。本发明提供的制备方法无需引入石蜡、树脂等其他液态介质以保证成型件尺寸精度，通过将特定材料的选择性激光烧结成型品进行微波处理，就可以大大提高其力学性能。实施例测试结果所示，采用本发明提供的制备方法得到的选择性激光烧结制件的拉伸强度提高了38.6％，弯曲强度提高了64.2％；而且工艺简单、绿色无污染、能耗低、成本低，适宜工业化生产。
具体实施方式
本发明提供了一种选择性激光烧结制件，包括以下步骤：
提供选择性激光烧结成型品；
将所述选择性激光烧结成型品进行微波处理，得到选择性激光烧结制件；
所述选择性激光烧结成型品为碳纳米管/木塑复合材料选择性激光烧结成型品。
在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明提供选择性激光烧结成型品，所述选择性激光烧结成型品为碳纳米管/木塑复合材料选择性激光烧结成型品。
在本发明中，所述选择性激光烧结成型品的制备原料优选包括木粉、热熔胶颗粒和碳纳米管。在本发明中，所述木粉优选包括松木粉和/或杨木粉，更优选为松木粉；所述木粉的粒度优选为45～90μm。在本发明中，所述木粉在使用前优选进行干燥处理，所述干燥的温度优选为80～120℃，更优选为90～110℃；所述干燥的时间优选为8～16h，更优选为9～15h；所述干燥处理过程中优选每隔2h翻动一次。在本发明中，所述热熔胶颗粒优选为PES颗粒；所述热熔胶颗粒的粒径优选为50～70μm。在本发明中，所述木粉和热熔胶颗粒的质量比优选为1:(4～6)，更优选为1:6。在本发明中，所述碳纳米管的直径优选为30～60nm，更优选为40～55nm，最优选为50nm。所述碳纳米管的添加量优选为木粉和热熔胶颗粒总质量的0.01％～5％，更优选为0.1％。
在本发明中，所述选择性激光烧结成型品的制备方法，优选包括以下步骤：将木粉、热熔胶颗粒和碳纳米管混合，得到混合物料；将所述混合物料置于激光烧结快速成型机中打印成型，得到选择性激光烧结成型品。在本发明中，所述混合优选为在600～800r/min条件下混合1～5min后，然后在1200～1600r/min条件下混合1～5min；所述混合过程中，优选保持混合物料的温度不高于50℃。
在本发明中，所述激光烧结快速成型机的工作条件优选为激光器输出功率为10～50W，扫描激光光束的移动速率为1600～2000mm/s，激光光束扫描间距为0.15mm，分层厚度为0.1～0.15mm，更优选为激光器输出功率为13W，扫描激光光束的移动速率为2000mm/s，激光光束扫描间距为0.15mm，分层厚度为0.1mm。
得到选择性激光烧结成型品后，本发明将所述选择性激光烧结成型品进行微波处理，得到选择性激光烧结制件。
本发明对于所述未必处理采用的设备也没有特殊限定，采用本领域熟知的微波处理设备即可，具体如工业用微波加热设备或微波炉，所述微波处理优选在微波炉中进行。在本发明中，所述微波处理的功率优选为150～700W，更优选为200～600W，最优选为230～540W。在本发明中，所述微波处理的时间优选为2～90s，更优选为5～70s，最优选为5～60s。在本发明中，由于微波加热速率快，通过短时间加热，就能够使得被微波处理后的复合材料中只在碳纳米管周围发生高分子的重融，而整个复合材料的温度几乎不增加，这就实现了复合材料在微纳米尺度结构上可控的、局部加热，通过调整微波处理的时间、功率等工艺参数即可实现复合材料的微纳米尺度结构调控。而且本发明在无需引入石蜡、树脂等其他液态介质并保证成型件尺寸精度的情况下，就可以提高试样的力学性能，且操作方便、简单。
本发明采用的微波处理方法具有选择性加热、速度快、穿透能力强、清洁无污染等优点；而碳纳米管是良好的导体，具有很强的微波吸收特性，当微波作用到选择性激光烧结成型品上时，复合材料中木纤维和高分子塑料是非导体，微波带来的温升很小，而碳纳米管在微波的短时加热作用下，产生剧烈的放电和放热现象，以及燃烧发光现象，使其温度上升最高可达2000K，高分子链段溶解、扩散、重新缠绕，与碳纳米管产生很强的纳米级界面结合，进而有效地强化了高分子材料的力学性能，并且由于碳纳米管主要存在于高分子和木纤维的界面之间，这也促进了高分子与木纤维的微米级界面结合，从而整体提高了碳纳米管/木塑复合材料选择性激光烧结成型品的力学性能。而且本发明提供的制备方法工艺简单、绿色无污染、能耗低、成本低，适宜工业化生产。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的选择性激光烧结制件。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的碳纳米管/木塑复合材料或上述技术方案所述碳纳米管/木塑复合材料在3D打印中的应用。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例1
将质量比为1:6的松木粉和PES颗粒、占松木粉和PES颗粒总质量的0.1％的碳纳米管放入混粉机中，在700r/min条件下搅拌3min，然后在1400r/min条件下搅拌2min混合均匀，得到混合物料；将所述混合物料置于光烧结快速成型机中打印成型，得到提供选择性激光烧结成型品；分别根据GB/T1040—2006标准和GB/T9341—2008标准测试选择性激光烧结成型品的拉伸强度为5.29MPa，弯曲强度为8.61MPa，弹性模量为174.3MPa；
将所述提供选择性激光烧结成型品置于微波炉中进行微波处理，得到选择性激光烧结制件，其中，微波功率为231W，微波时间为10s。
根据GB/T1040-2006标准测试选择性激光烧结制件的拉伸强度，根据GB/T9341-2008标准测试其弯曲强度
实施例2～5
按照实施例1的方法制备选择性激光烧结制件，实施例2～5的实验条件和力学性能测试结果见表1。
对照例1～4
按照实施例1的方法制备选择性激光烧结制件，对照例1～4的实验条件和力学性能测试结果见表1。
表1实施例1～9和对照例1～4的实验条件和力学性能测试结果
由表1可知，对提供选择性激光烧结成型品进行微波处理后，可以明显提高其拉伸强度、弯曲强度和弹性模量。当微波处理时间过长或微波功率过大时，提供选择性激光烧结成型品发生融化而无法进行力学性能的测试。当微波处理时间过短或微波功率过小时，提供选择性激光烧结成型品的力学性能几乎保持不变。实施例和对比例测试结果表明，本发明提供的制备方法能够明显提高提供选择性激光烧结成型品的力学性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种选择性激光烧结制件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供选择性激光烧结成型品；
将所述选择性激光烧结成型品进行微波处理，得到选择性激光烧结制件；
所述选择性激光烧结成型品为碳纳米管/木塑复合材料选择性激光烧结成型品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微波处理的功率为150～700W。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述微波处理的时间为2～90s。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述选择性激光烧结成型品的制备原料包括木粉、热熔胶颗粒和碳纳米管。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述木粉和热熔胶颗粒的质量比为1:(4～6)；所述碳纳米管的添加量为木粉和热熔胶颗粒总质量的0.01％～5％。
6.根据权利要求4或5所述的选择性激光烧结成型品，其特征在于，所述碳纳米管的直径为30～60nm。
7.根据权利要求权利要求1、4或5所述的制备方法，其特征在于，所述的选择性激光烧结成型品的制备方法包括以下步骤：
将木粉、热熔胶颗粒和碳纳米管混合，得到混合物料；将所述混合物料置于激光烧结快速成型机中打印成型，得到选择性激光烧结成型品。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述激光烧结快速成型机的工作条件为：激光器输出功率为10～50W，扫描激光光束的移动速率为1600～2000mm/s，激光光束扫描间距为0.15mm，分层厚度为0.1～0.15mm。
9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的选择性激光烧结制件。
10.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的碳纳米管/木塑复合材料或权利要求9所述碳纳米管/木塑复合材料在3D打印中的应用。
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Granted publication date: 20200918

Termination date: 20210510