CN110330790B - 一种用于激光烧结的聚酰胺阻燃材料制备方法 - Google Patents

一种用于激光烧结的聚酰胺阻燃材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于激光烧结的聚酰胺阻燃材料制备方法，将干燥好的聚酰胺树脂、阻燃剂、抗氧剂、相容剂、无机填料加入到螺杆挤出机中挤出造粒，制得聚酰胺阻燃颗粒，其中，各物质重量百分比为：34‑87.9wt.%聚酰胺树脂，10‑30wt.%阻燃剂，0.1‑1wt.%抗氧剂，2‑5wt.%相容剂，0‑30wt.%无机填料；将所述聚酰胺阻燃颗粒经深冷粉碎工艺制备成聚酰胺阻燃粉末，干燥、筛分得到粒径范围为30‑100微米聚酰胺阻燃粉末；将所述聚酰胺阻燃粉末与粉末流动助剂均匀混合，制得用于选择性激光烧结聚酰胺阻燃粉末材料。本发明中阻燃剂与聚酰胺结合紧密，不易相分离，阻燃性能好。

Description

一种用于激光烧结的聚酰胺阻燃材料制备方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种用于激光烧结的聚酰胺阻燃材料制备方法。
背景技术
激光烧结是通过选择性地熔合多个粉末层来制造三维物体的一种方法，该方法允许不使用工具加工而只需根据待生产物体的三维图像通过激光烧结粉末的多个重叠层，来获得三维实体。该方法主要使用热塑性聚合物来完成，专利US6136948和WO9606881对这种使用粉末状聚合物制造三维物体的方法进行了详细的描述。
聚酰胺是一类性能优异的热塑性工程塑料，具有较好的力学机械性能、耐化学腐蚀性能，在工业领域应用广泛。利用激光烧结技术来制造聚酰胺三维零件相较于传统注塑方法，具有生产周期短，柔性化程度高，工艺简单等优点，具有广泛的应用空间。但是聚酰胺材料不具备阻燃性能，在燃烧过程中会产生大量的浓烟和熔滴，极易传播火焰，从而大大限制了其在航空航天、汽车制造及电子电器等特殊领域的应用。
专利CN106987116A公开了一种聚酰胺阻燃材料的制备方法，通过将聚酰胺粉末与阻燃剂混合的制备阻燃聚酰胺材料，这种方法工艺简单，但也存在不少缺点：1.聚酰胺粉末与阻燃剂难以混合均匀；2.大量阻燃剂加入聚酰胺粉末中降低了粉末的流动性，影响烧结工艺；3.烧结过程中激光能量直接作用于阻燃剂，导致阻燃剂分解，影响阻燃效果；4.阻燃剂中的一些组分容易被热能及激光所分解，从而产生的低分子物质在烧结设备腔体及窗口镜凝结，影响设备功能及寿命，同时阻碍激光能量的穿透，大大降低制件力学机械性能及有效打印高度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种激光烧结用聚酰胺阻燃材料制备方法，通过将聚酰胺树脂、阻燃剂、抗氧剂、相容剂、无机填料加入到挤出共混设备中，经挤出造粒，然后经深冷粉碎工艺制粉，再经干燥、筛分得到粒径适宜的粉末颗粒，混入纳米流动助剂后得到具有优异流动性的粉末材料。通过本发明所制获的聚酰胺阻燃粉末材料，阻燃剂与聚酰胺基材很好地结合在一起，使用过程中不会在铺粉时发生相分离，尤其适用于选择性激光烧结工艺。
一种激光烧结用聚酰胺阻燃粉末的制备方法，包括如下步骤：
（1）将干燥好的聚酰胺树脂、阻燃剂、抗氧剂、相容剂、无机填料加入到螺杆挤出机中挤出造粒，制得聚酰胺阻燃颗粒，其中，各物质的重量百分比为：34-87.9wt.%聚酰胺树脂，10-30wt.%阻燃剂，0.1-1wt.%抗氧剂，2-5wt.%相容剂，0-30wt.%无机填料；
（2）将所述聚酰胺阻燃颗粒经深冷粉碎工艺制备成聚酰胺阻燃粉末，干燥、筛分得到粒径范围为30-100微米的聚酰胺阻燃粉末；
（3）将所述聚酰胺阻燃粉末与粉末流动助剂均匀混合，制备用于选择性激光烧结的聚酰胺阻燃粉末材料，其中，所述聚酰胺阻燃粉末的重量百分比为99wt.%-99.8wt.%，其余为粉末流动助剂，所述粉末流动助剂为表面经过有机化处理的疏水性流动助剂。
进一步地，所述聚酰胺树脂为PA12，PA1212，PA6，PA610，PA66，PA612，PA46，PA1012，PA56，PA513，PA514，PA1010中的一种或几种。
进一步地，所述阻燃剂为烷基磷酸盐系列阻燃剂、氮系阻燃剂、磷系阻燃剂、氮磷系列中的一种或几种。
进一步地，所述相容剂为苯乙烯-马来酸酐（SMA）交替共聚物、硅烷接枝聚乙烯(sxPE)、马来酸配接枝苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（SEBS-g-MAH）及马来酸配接枝乙烯-辛烯弹性体（POE-g-MAH）中的一种或两种以上的混合物。
进一步地，所述抗氧剂由受阻酚类抗氧剂和亚磷酸脂类抗氧剂组成，所述抗氧剂中受阻酚类抗氧剂质量分数为40%-90%,其余为亚磷酸酯类抗氧剂，其中受阻酚类抗氧剂为1，3，5-三甲基-2，4，6-三（3，5-二叔丁基-4-羟基苄基）苯、2，6-二叔丁基-4-甲基-苯酚、N，N’-二（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基丙酰胺），亚磷酸脂类抗氧剂为2，2’-亚乙基双（4，6-二叔丁基苯基）氟代亚磷酸酯、四（2，4-二叔丁基苯基）-4，4’-联苯基双亚磷酸酯。
进一步地，所述无机填料为玻璃珠、玻璃纤维、碳纤维、矿物纤维、碳纳米管、石墨烯、二氧化钛、碳酸钙、滑石粉、高岭土、绢云母中一种或几种。
进一步地，所述粉末流动助剂为表面经过有机化处理的疏水性二氧化硅、碳化硅、氧化铝、氧化钙、二氧化钛、碳酸钙中的一种或几种。
进一步地，所述粉末流动助剂的粒径范围为5-100nm。
本发明提供的一种激光烧结用聚酰胺阻燃材料制备方法，具有以下有益效果：
1、本发明中的激光烧结用聚酰胺阻燃粉末材料，阻燃剂与聚酰胺基材很好地结合在一起，解决了阻燃剂分布不均引起的相分离和阻燃效果差的缺点；挤出共混造粒及深冷制粉工艺简单，适用性强，可实现材料多种复合方案，能够赋予材料丰富的机械性能；
2、疏水性流动助剂具有厌水的特点，其与聚酰胺粉末均匀混合后，流动助剂包覆在聚酰胺粉末颗粒表面，隔绝了聚酰胺颗粒与外界的接触，改善了聚酰胺材料的易吸水问题，进一步提高粉末材料的流动性及稳定性，使粉末材料更好地满足激光烧结的铺粉要求；
3、阻燃剂与聚酰胺基材熔融混合后，在激光烧结时阻燃剂中的低熔点组分不再因受热升华或分解逸出，减少了烧结过程中挥发物的产生，有利于烧结过程的稳定进行及对设备的保护；在激光烧结过程中，激光是主要作用在聚酰胺上，很好地降低解决了因阻燃剂阻碍激光能量吸收的问题，材料熔化更加充分，力学机械性能优异；同时聚酰胺基材与阻燃剂不会发生相分离，保证了阻燃效果。
具体实施方式
本发明提供了一种激光烧结用聚酰胺阻燃材料制备方法，通过将聚酰胺树脂、阻燃剂、抗氧剂、相容剂、无机填料加入到挤出共混设备中，经挤出造粒，然后经深冷粉碎工艺制粉，再经干燥、筛分得到粒径适宜的粉末颗粒，混入疏水性流动助剂后得到具有优异流动性的粉末材料。通过本发明所制获的聚酰胺阻燃粉末材料，阻燃剂与聚酰胺基材很好地结合在一起，使用过程中不会在铺粉时发生相分离，采用疏水性粉末流动助剂包覆在粉末颗粒表面，降低了粉末材料的吸水性，提高了材料的稳定性及流动性，使其更适用于选择性激光烧结工艺。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
将干燥好的7.15kgPA1212树脂，2.5kg阻燃剂OP1230，300g硅烷接枝聚乙烯(sxPE)，30g2，6-二叔丁基-4-甲基-苯酚，20g2，2’-亚乙基双（4，6-二叔丁基苯基）氟代亚磷酸酯用双螺杆挤出机共混挤出造粒，制得PA1212阻燃颗粒，将制得的PA1212阻燃颗粒进行深冷粉碎，制得PA1212阻燃粉末，干燥、筛分后得到粒径范围为30-100微米的PA1212阻燃粉末；取5.97kg上述粒径范围的PA1212阻燃粉末，30g粒径20nm且表面经硅氮烷衍生物改性的二氧化硅均匀混合，制得用于选择性激光烧结的PA1212阻燃粉末材料。
实施例2
将干燥好的6.65kgPA1212树脂，3kg阻燃剂AP422，300g硅烷接枝聚乙烯(sxPE)，30g2，6-二叔丁基-4-甲基-苯酚，20g2，2’-亚乙基双（4，6-二叔丁基苯基）氟代亚磷酸酯用双螺杆挤出机共混挤出造粒，制得PA1212阻燃颗粒，将制得的PA1212阻燃颗粒进行深冷粉碎，制得PA1212阻燃粉末，干燥、筛分得到粒径范围为30-100微米的PA1212阻燃粉末；取5.97kg上述粒径范围的PA1212阻燃粉末，30g粒径20nm且表面经硅氮烷衍生物改性的二氧化硅均匀混合，制得用于选择性激光烧结的PA1212阻燃粉末材料。
对比例1
将干燥好的9.65kgPA1212树脂，300g硅烷接枝聚乙烯(sxPE)，30g2，6-二叔丁基-4-甲基-苯酚，20g2，2’-亚乙基双（4，6-二叔丁基苯基）氟代亚磷酸酯用双螺杆挤出机共混挤出造粒，制得PA1212颗粒，将制得的PA1212颗粒进行深冷粉碎，制得PA1212粉末，干燥、筛分得到粒径范围为30-100微米的PA1212粉末；取5.97kg上述粒径范围的PA1212粉末，30g粒径20nm表面无改性的二氧化硅均匀混合，制得用于选择性激光烧结的PA1212粉末材料。
对比例2
将干燥好的6.65kgPA1212树脂，3kg阻燃剂AP422，300g硅烷接枝聚乙烯(sxPE)，30g2，6-二叔丁基-4-甲基-苯酚，20g2，2’-亚乙基双（4，6-二叔丁基苯基）氟代亚磷酸酯用双螺杆挤出机共混挤出造粒，制得PA1212阻燃颗粒，将制得的PA1212阻燃颗粒进行深冷粉碎，制得PA1212阻燃粉末，干燥、筛分得到粒径范围为30-100微米的PA1212阻燃粉末；取5.97kg上述粒径范围的PA1212阻燃粉末，30g粒径20nm表面无处理的二氧化硅均匀混合，制得用于选择性激光烧结的PA1212阻燃粉末材料。
实施例3
将干燥好的5.65kgPA1212树脂，2kg阻燃剂OP1230，2kg长度1mm的玻璃纤维，300g硅烷接枝聚乙烯(sxPE)，30g2，6-二叔丁基-4-甲基-苯酚，20g2，2’-亚乙基双（4，6-二叔丁基苯基）氟代亚磷酸酯用双螺杆挤出机共混挤出造粒，制得PA1212阻燃颗粒，将所制得的PA1212阻燃颗粒进行深冷粉碎，制得PA1212阻燃粉末，干燥、筛分得到粒径范围为30-100微米的PA1212阻燃粉末；取5.97kg上述粒径范围的PA1212阻燃粉末，30g粒径20nm且表面经硅氮烷衍生物改性的二氧化硅均匀混合，制得用于选择性激光烧结的PA1212玻纤阻燃粉末材料。
实施例4
将干燥好的5.65kgPA1212树脂，2kg阻燃剂OP1230，2kg粒径30微米的实心玻璃微珠，300g硅烷接枝聚乙烯(sxPE)，30g2，6-二叔丁基-4-甲基-苯酚，20g2，2’-亚乙基双（4，6-二叔丁基苯基）氟代亚磷酸酯用双螺杆挤出机共混挤出造粒，制得PA1212阻燃颗粒，将制得的PA1212阻燃颗粒进行深冷粉碎，制得PA1212阻燃粉末，干燥、筛分得到粒径范围为30-100微米的PA1212阻燃粉末；取5.97kg上述粒径范围的PA1212阻燃粉末，30g粒径20nm且表面经硅氮烷衍生物改性的二氧化硅均匀混合，制得用于选择性激光烧结的PA1212玻珠阻燃粉末材料。
实施例5
将干燥好的7.65kgPA6树脂，2kg阻燃剂OP1230，300g硅烷接枝聚乙烯(sxPE)，30g2，6-二叔丁基-4-甲基-苯酚，20g2，2’-亚乙基双（4，6-二叔丁基苯基）氟代亚磷酸酯用双螺杆挤出机共混挤出造粒，制得PA6阻燃颗粒，将制得的PA6阻燃颗粒进行深冷粉碎工艺，制得PA6阻燃粉末，干燥、筛分得到粒径范围为30-100微米的PA6阻燃粉末；取5.97kg上述粒径范围的PA6阻燃粉末，30g粒径20nm且表面经硅氮烷衍生物改性的二氧化硅均匀混合，制得用于选择性激光烧结的PA6阻燃粉末材料。
对比例3
将干燥好的9.65kgPA6树脂，300g硅烷接枝聚乙烯(sxPE)，30g2，6-二叔丁基-4-甲基-苯酚，20g2，2’-亚乙基双（4，6-二叔丁基苯基）氟代亚磷酸酯用双螺杆挤出机共混挤出造粒，制得PA颗粒，将制得的PA6颗粒进行深冷粉碎工艺，制得PA6粉末粉末，干燥、筛分得到粒径范围为30-100微米的PA6粉末；取5.97kg上述粒径范围的PA6粉末，30g粒径20nm且表面经硅氮烷衍生物改性的二氧化硅均匀混合，制得用于选择性激光烧结的PA6粉末材料。
实施例6
将干燥好的5.65kgPA6树脂，2kg阻燃剂OP1230，2kg长度1mm的玻璃纤维，300g硅烷接枝聚乙烯(sxPE)，30g2，6-二叔丁基-4-甲基-苯酚，20g2，2’-亚乙基双（4，6-二叔丁基苯基）氟代亚磷酸酯用双螺杆挤出机共混挤出造粒，制得PA6阻燃颗粒，将制得的PA6阻燃颗粒进行深冷粉碎工艺，制得PA6阻燃粉末，干燥、筛分得到粒径范围为30-100微米的PA6阻燃粉末；取5.97kg上述粒径范围的PA6阻燃粉末，30g粒径20nm且表面经硅氮烷衍生物改性的二氧化硅均匀混合，制得用于选择性激光烧结的PA6玻纤阻燃粉末材料。
实施例7
将干燥好的5.65kgPA6树脂，2kg阻燃剂OP1230，2kg粒径30微米的实心玻璃微珠，300g硅烷接枝聚乙烯(sxPE)，30g2，6-二叔丁基-4-甲基-苯酚，20g2，2’-亚乙基双（4，6-二叔丁基苯基）氟代亚磷酸酯用双螺杆挤出机共混挤出造粒，制得PA6阻燃颗粒，将制得的PA6阻燃颗粒进行深冷粉碎工艺，制得PA6阻燃粉末，干燥、筛分得到粒径范围为30-100微米的PA6阻燃粉末；取5.97kg上述粒径范围的PA6阻燃粉末，30g粒径20nm且表面经硅氮烷衍生物改性的二氧化硅均匀混合，制得用于选择性激光烧结的PA6玻珠阻燃粉末材料。
分别对实施例1-7和对比例1-3所制得的聚酰胺粉末样品进行粒度分析、含湿量测试，并使用湖南华曙高科HT252激光烧结设备烧结粉末样品获得制件，测量得到制件的力学机械性能、阻燃性能及热变形温度，具体的参数见表1。
表1本发明实施例和对比例所制得聚酰胺粉末样品参数及相对应制件的性能参数
Figure DEST_PATH_IMAGE002

Claims (5)

1.一种用于激光烧结的聚酰胺阻燃材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将干燥好的聚酰胺树脂、阻燃剂、抗氧剂、相容剂、无机填料加入到螺杆挤出机中挤出造粒，制得聚酰胺阻燃颗粒，其中，各物质的重量百分比为：34-87.9wt.%聚酰胺树脂，10-30wt.%阻燃剂，0.1-1wt.%抗氧剂，2-5wt.%相容剂，0-30wt.%无机填料，所述阻燃剂的牌号为AP422或OP1230；
（2）将所述聚酰胺阻燃颗粒经深冷粉碎工艺制备成聚酰胺阻燃粉末，干燥、筛分得到粒径范围为30-100微米的聚酰胺阻燃粉末；
（3）将所述聚酰胺阻燃粉末与粉末流动助剂均匀混合，制得用于选择性激光烧结的聚酰胺阻燃粉末材料，其中，所述聚酰胺阻燃粉末的重量百分比为99wt.%-99.8wt.%，其余为粉末流动助剂，所述粉末流动助剂为表面经过有机化处理的疏水性流动助剂，所述粉末流动助剂为粒径20nm且表面经硅氮烷衍生物改性的二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的聚酰胺阻燃材料制备方法，其特征在于，所述聚酰胺树脂为PA12，PA1212，PA6，PA610，PA66，PA612，PA46，PA1012，PA56，PA513，PA514，PA1010中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的聚酰胺阻燃材料制备方法，其特征在于，所述相容剂为苯乙烯-马来酸酐交替共聚物、硅烷接枝聚乙烯、马来酸配接枝苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物及马来酸配接枝乙烯-辛烯弹性体中的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求3所述的聚酰胺阻燃材料制备方法，其特征在于，所述抗氧剂由受阻酚类抗氧剂和亚磷酸脂类抗氧剂组成，所述抗氧剂中受阻酚类抗氧剂质量分数为40%-90%,其余为亚磷酸酯类抗氧剂，其中受阻酚类抗氧剂为1，3，5-三甲基-2，4，6-三（3，5-二叔丁基-4-羟基苄基）苯、2，6-二叔丁基-4-甲基-苯酚、N，N’-二（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基丙酰胺），亚磷酸脂类抗氧剂为2，2’-亚乙基双（4，6-二叔丁基苯基）氟代亚磷酸酯、四（2，4-二叔丁基苯基）-4，4’-联苯基双亚磷酸酯。
5.根据权利要求4所述的聚酰胺阻燃材料制备方法，其特征在于，所述无机填料为玻璃珠、玻璃纤维、碳纤维、矿物纤维、碳纳米管、石墨烯、二氧化钛、碳酸钙、滑石粉、高岭土、绢云母中一种或几种。
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