CN116790105A - 一种碳纤维3d打印材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于3D打印材料技术领域，提供了一种碳纤维3D打印材料及其制备方法，包括聚乳酸、增韧剂、偶联剂、短切碳纤维、相容剂、聚乙二醇、结晶成核剂、流动性调节剂、熔体融合增强剂、聚丁二酸丁二醇酯、抗氧剂、阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸。该碳纤维3D打印材料及其制备方法，通过由聚乳酸、增韧剂、偶联剂、改性碳纤维、相容剂、聚乙二醇、结晶成核剂、流动性调节剂、熔体融合增强剂、聚丁二酸丁二醇酯、抗氧剂、阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸混合组成本发明的3D打印材料，具有高质量、高抗冲、高强度的特点，且添加阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸，具有抗菌阻燃和防腐效果好，且提高碳纤维与聚乳酸的相容性，提高复合材料的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于3D打印材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维3D打印材料及其制备方法。
背景技术
聚乳酸是一种以可再生的植物资源为原料，经过化学合成制备的生物降解高分子，聚乳酸的热塑性使其能像PP、PS和PET这些高分子一样在通用的加工设备上进行挤出、注塑等成型加工。另外，聚乳酸还具有独特的生物相容性和生物降解性，因此，作为一种生物降解高分子，聚乳酸已成为高分子学术界和产业界关注的焦点。
目前，市面应用于FDM打印机的材料主要有ABS、PLA等，ABS材料与PLA相比存在着打印时会产生难闻的气味影响环境、ABS打印大型零件模型时会产生翘曲变形、ABS打印温度高且需要在密闭环境中打印等许多缺点。PLA作为打印材料，其打印过程安全无毒、无气味，产品力学性能好，尺寸稳定性高，成本适中，是替代ABS最为理想的FDM打印材料。。
目前市场上已有PLA打印材料力学性能指标相对较低，难以满足实际工程应用的要求，且如ABS、PE、PC等，这些材料均不具有阻燃、抗菌和防腐效果，且使用过程中易断料等缺点。
发明内容
本发明提供一种碳纤维3D打印材料及其制备方法，旨在解决目前市场大多3D打印材料都不具有阻燃、抗菌和防腐效果的问题。
本发明是这样实现的，一种碳纤维3D打印材料，包括聚乳酸、增韧剂、偶联剂、短切碳纤维、相容剂、聚乙二醇、结晶成核剂、流动性调节剂、熔体融合增强剂、聚丁二酸丁二醇酯、抗氧剂、阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸，按照重量组成比例如下：
所述聚乳酸的比例为55％～75％；
所述增韧剂的比例为3％～7％；
所述偶联剂的比例为2％～4％
所述短切碳纤维的比例为5％～15％；
所述相容剂的比例为0.5％～5％；
所述聚乙二醇的比例为1.3％～2％；
所述结晶成核剂的比例为0.03％～1％；
所述流动性调节剂的比例为0.08％～4％；
所述熔体融合增强剂的比例为0.5％～3％；
所述聚丁二酸丁二醇酯的比例为1％～2％；
所述抗氧剂的比例为1％～2％；
所述阻燃剂的比例为1％～2％；
所述抗菌剂的比例为2％～3％；
所述顺丁烯二酸的比例为2％～4％。
优选的，所述抗菌剂为壳聚糖。
优选的，所述阻燃剂为聚磷酸铵。
优选的，所述抗氧剂为亚磷酸酯与紫外线吸收剂任意比例的混合物。
一种碳纤维3D打印材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、准确称量配方中所述聚乳酸、所述增韧剂、所述偶联剂、所述相容剂、所述聚乙二醇、所述结晶成核剂、所述流动性调节剂、熔所述体融合增强剂、所述聚丁二酸丁二醇酯、所述抗氧剂、所述阻燃剂、所述抗菌剂和所述顺丁烯二酸原料，用容器盛放，将短切碳纤维加入双氧水溶液中浸泡清洗后取出，使用等离子水清洗干净，过滤烘干后备用；
S2、将S1中短切碳纤维与硅烷偶联剂加入搅拌机中，在常温下搅拌机搅拌得到混合物，再将所得混合物置于真空烘箱内接枝反应，即得改性碳纤维。
S3、按照配方，将所述增韧剂、所述偶联剂、所述相容剂、所述聚乙二醇、所述结晶成核剂、所述流动性调节剂、熔所述体融合增强剂、所述聚丁二酸丁二醇酯、所述抗氧剂、所述阻燃剂、所述抗菌剂、所述顺丁烯二酸和所述S2中得到的改性碳纤维加入混合机中，合得到混合物；
S4、将S3得到的混合物料加入同向旋转混炼双螺杆挤出机中混炼挤出，挤出物料依次经拉条、冷却、吹干、切粒工序制成粒料；
S5、将S4制备的粒料经单螺杆挤出机挤出制备成丝材收卷，即得3D打印材料。
优选的，所述S1中的双氧水溶液的浓度为5％～10％，其余为水，浸泡清洗的时长为30分钟；
优选的，所述S2中的搅拌机搅速为500～1500转/分钟条件下混合5～15min，真空烘箱内为60～100℃下进行接枝反应1～3h。
优选的，所述S3中，混合机转速为500～3000转/分钟的条件下混合2～10min，得到混合物料。
优选的，所述S4中，挤出机温度控制在140～230℃。
优选的，所述S5中，挤出过程温度控制在120～210℃。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种碳纤维3D打印材料及其制备方法，通过由聚乳酸、增韧剂、偶联剂、改性碳纤维、相容剂、聚乙二醇、结晶成核剂、流动性调节剂、熔体融合增强剂、聚丁二酸丁二醇酯、抗氧剂、阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸混合组成本发明的3D打印材料，具有高质量、高抗冲、高强度的特点，且添加阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸，具有抗菌阻燃和防腐效果好，生产工艺简单，易于工业化生产，且提高碳纤维与聚乳酸的相容性，大大提高了复合材料的力学性能，提高了聚乳酸的韧性，双重改性提高了复合材料的综合力性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种技术方案：一种碳纤维3D打印材料，包括聚乳酸、增韧剂、偶联剂、短切碳纤维、相容剂、聚乙二醇、结晶成核剂、流动性调节剂、熔体融合增强剂、聚丁二酸丁二醇酯、抗氧剂、阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸，按照重量组成比例如下：
所述聚乳酸的比例为55％～75％；
所述增韧剂的比例为3％～7％；
所述偶联剂的比例为2％～4％
所述短切碳纤维的比例为5％～15％；
所述相容剂的比例为0.5％～5％；
所述聚乙二醇的比例为1.3％～2％；
所述结晶成核剂的比例为0.03％～1％；
所述流动性调节剂的比例为0.08％～4％；
所述熔体融合增强剂的比例为0.5％～3％；
所述聚丁二酸丁二醇酯的比例为1％～2％；
所述抗氧剂的比例为1％～2％；
所述阻燃剂的比例为1％～2％；
所述抗菌剂的比例为2％～3％；
所述顺丁烯二酸的比例为2％～4％。
进一步的，所述抗菌剂为壳聚糖。
进一步的，所述阻燃剂为聚磷酸铵。
由聚乳酸、增韧剂、偶联剂、改性碳纤维、相容剂、聚乙二醇、结晶成核剂、流动性调节剂、熔体融合增强剂、聚丁二酸丁二醇酯、抗氧剂、阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸混合组成本发明的3D打印材料，具有高质量、高抗冲、高强度的特点。
由聚乳酸、增韧剂、偶联剂、改性碳纤维、相容剂、聚乙二醇、结晶成核剂、流动性调节剂、熔体融合增强剂、聚丁二酸丁二醇酯、抗氧剂、阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸混合组成本发明的3D打印材料，添加阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸，具有抗菌阻燃和防腐效果好，生产工艺简单，易于工业化生产，且提高碳纤维与聚乳酸的相容性，大大提高了复合材料的力学性能，提高了聚乳酸的韧性，双重改性提高了复合材料的综合力性能。
聚乳酸是一种以可再生的植物资源为原料，经过化学合成制备的生物降解高分子，聚乳酸的热塑性使其能像PP、PS和PET这些高分子一样在通用的加工设备上进行挤出、注塑等成型加工。另外，聚乳酸还具有独特的生物相容性和生物降解性。
进一步的，所述抗氧剂为亚磷酸酯与紫外线吸收剂任意比例的混合物。
一种碳纤维3D打印材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、准确称量配方中所述聚乳酸、所述增韧剂、所述偶联剂、所述相容剂、所述聚乙二醇、所述结晶成核剂、所述流动性调节剂、熔所述体融合增强剂、所述聚丁二酸丁二醇酯、所述抗氧剂、所述阻燃剂、所述抗菌剂和所述顺丁烯二酸原料，用容器盛放，将短切碳纤维加入双氧水溶液中浸泡清洗后取出，使用等离子水清洗干净，过滤烘干后备用；
S2、将S1中短切碳纤维与硅烷偶联剂加入搅拌机中，在常温下搅拌机搅拌得到混合物，再将所得混合物置于真空烘箱内接枝反应，即得改性碳纤维。
S3、按照配方，将所述增韧剂、所述偶联剂、所述相容剂、所述聚乙二醇、所述结晶成核剂、所述流动性调节剂、熔所述体融合增强剂、所述聚丁二酸丁二醇酯、所述抗氧剂、所述阻燃剂、所述抗菌剂、所述顺丁烯二酸和所述S2中得到的改性碳纤维加入混合机中，合得到混合物；
S4、将S3得到的混合物料加入同向旋转混炼双螺杆挤出机中混炼挤出，挤出物料依次经拉条、冷却、吹干、切粒工序制成粒料；
S5、将S4制备的粒料经单螺杆挤出机挤出制备成丝材收卷，即得3D打印材料。
提高碳纤维与聚乳酸的相容性，大大提高了复合材料的力学性能，提高了聚乳酸的韧性，双重改性提高了复合材料的综合力性能。
进一步的，所述S1中的双氧水溶液的浓度为5％～10％，其余为水，浸泡清洗的时长为30分钟；
进一步的，所述S2中的搅拌机搅速为500～1500转/分钟条件下混合5～15min，真空烘箱内为60～100℃下进行接枝反应1～3h。
进一步的，所述S3中，混合机转速为500～3000转/分钟的条件下混合2～10min，得到混合物料。
进一步的，所述S4中，挤出机温度控制在140～230℃。
进一步的，所述S5中，挤出过程温度控制在120～210℃。
本发明的工作原理及使用流程：本发明安装好过后，由聚乳酸、增韧剂、偶联剂、改性碳纤维、相容剂、聚乙二醇、结晶成核剂、流动性调节剂、熔体融合增强剂、聚丁二酸丁二醇酯、抗氧剂、阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸混合组成本发明的3D打印材料，具有高质量、高抗冲、高强度的特点，且添加阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸，具有抗菌阻燃和防腐效果好，生产工艺简单，易于工业化生产，且提高碳纤维与聚乳酸的相容性，大大提高了复合材料的力学性能，提高了聚乳酸的韧性，双重改性提高了复合材料的综合力性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳纤维3D打印材料，其特征在于：包括聚乳酸、增韧剂、偶联剂、短切碳纤维、相容剂、聚乙二醇、结晶成核剂、流动性调节剂、熔体融合增强剂、聚丁二酸丁二醇酯、抗氧剂、阻燃剂、抗菌剂和顺丁烯二酸，按照重量组成比例如下：
所述聚乳酸的比例为55％～75％；
所述增韧剂的比例为3％～7％；
所述偶联剂的比例为2％～4％
所述短切碳纤维的比例为5％～15％；
所述相容剂的比例为0.5％～5％；
所述聚乙二醇的比例为1.3％～2％；
所述结晶成核剂的比例为0.03％～1％；
所述流动性调节剂的比例为0.08％～4％；
所述熔体融合增强剂的比例为0.5％～3％；
所述聚丁二酸丁二醇酯的比例为1％～2％；
所述抗氧剂的比例为1％～2％；
所述阻燃剂的比例为1％～2％；
所述抗菌剂的比例为2％～3％；
所述顺丁烯二酸的比例为2％～4％。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维3D打印材料，其特征在于：所述抗菌剂为壳聚糖。
3.如权利要求1所述的一种碳纤维3D打印材料，其特征在于：所述阻燃剂为聚磷酸铵。
4.如权利要求1所述的一种碳纤维3D打印材料，其特征在于：所述抗氧剂为亚磷酸酯与紫外线吸收剂任意比例的混合物。
5.如权利要求1～4任一项所述的一种碳纤维3D打印材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、准确称量配方中所述聚乳酸、所述增韧剂、所述偶联剂、所述相容剂、所述聚乙二醇、所述结晶成核剂、所述流动性调节剂、熔所述体融合增强剂、所述聚丁二酸丁二醇酯、所述抗氧剂、所述阻燃剂、所述抗菌剂和所述顺丁烯二酸原料，用容器盛放，将短切碳纤维加入双氧水溶液中浸泡清洗后取出，使用等离子水清洗干净，过滤烘干后备用；
S2、将S1中短切碳纤维与硅烷偶联剂加入搅拌机中，在常温下搅拌机搅拌得到混合物，再将所得混合物置于真空烘箱内接枝反应，即得改性碳纤维。
S3、按照配方，将所述增韧剂、所述偶联剂、所述相容剂、所述聚乙二醇、所述结晶成核剂、所述流动性调节剂、熔所述体融合增强剂、所述聚丁二酸丁二醇酯、所述抗氧剂、所述阻燃剂、所述抗菌剂、所述顺丁烯二酸和所述S2中得到的改性碳纤维加入混合机中，合得到混合物；
S4、将S3得到的混合物料加入同向旋转混炼双螺杆挤出机中混炼挤出，挤出物料依次经拉条、冷却、吹干、切粒工序制成粒料；
S5、将S4制备的粒料经单螺杆挤出机挤出制备成丝材收卷，即得3D打印材料。
6.如权利要求5所述的一种碳纤维3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述S1中的双氧水溶液的浓度为5％～10％，其余为水，浸泡清洗的时长为30分钟。
7.如权利要求5所述的一种碳纤维3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述S2中的搅拌机搅速为500～1500转/分钟条件下混合5～15min，真空烘箱内为60～100℃下进行接枝反应1～3h。
8.如权利要求5所述的一种碳纤维3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述S3中，混合机转速为500～3000转/分钟的条件下混合2～10min，得到混合物料。
9.如权利要求5所述的一种碳纤维3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述S4中，挤出机温度控制在140～230℃。
10.如权利要求5所述的一种碳纤维3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述S5中，挤出过程温度控制在120～210℃。
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