本发明属于聚苯乙烯微球材料的快速成型改性领域，具体提供了一种超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料及其制备方法。
背景技术：
快速成型技术成功解决了产品设计、模型制备和后期修正的时效性问题，加快了传统开发的速度，提高了开发设计的效率。其中选择性激光烧结以构建速度快、无需支撑结构和无环境污染等优点，成为快速成型领域的一种重要成型方式。选择性激光烧结以特定波长和强度的激光为能量来源，通过铺粉辊等组件将粉末材料布局后加以加热融化并烧结，再利用垂直方向的移动实现制件的三维构造。选择性激光烧结技术常用原料包含树脂、金属和陶瓷等粉末材料，其中常用树脂原料存在力学强度低、耐磨性差和成型速度慢等不足，且原料来源通常需要经过物理粉化或化学析出，在成型时存在力学性能和化学污染的弊端。
本发明创新性地以聚苯乙烯微球为基体，以超短玻纤为改性材料，制备了一种用于快速成型领域的超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料。其中聚苯乙烯微球是一种粒径可控的高分子量聚苯乙烯微球材料，较传统材料而言无需物理粉化或化学析出，且具有良好的分散性；超短玻纤可以有效提高复合材料的力学强度并加快整体成型速度。
技术实现要素：
本发明提供了一种用于激光烧结快速成型领域的超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料及其制备方法，所制备的复合材料具有力学强度大、耐热性好、耐磨性优良以及成型速度较快的特点，同时超短玻纤的引入大幅降低了复合材料的整体成本。此外本发明所涉及的制备工艺简单且无污染，所制备复合材料可直接应用于激光烧结快速成型领域，制备具有复杂结构的三维制件。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料，由以下重量份的组分制成：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纤5～45份，
偶联剂1～5份，
抗氧剂0.05～0.13份，
润滑剂0.05～0.17份，
热稳定剂0.05～0.25份。
所述的聚苯乙烯微球直径10～100μm。
所述的超短玻纤长度为50～500μm。
所述的偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
所述的抗氧剂为n,n'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺、三[2，4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯和双（2，4—二酷基）季戊四醇二亚磷酸酯中的一种或两种以上的混合物。
所述的润滑剂为乙烯-丙烯酸共聚物或季戊四醇硬脂酸酯。
所述的热稳定剂为硬脂酸钙或硬脂酸钡。
一种超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）在容器中陆续加入聚苯乙烯微球100份、超短玻纤5～45份、偶联剂1～5份、抗氧剂0.05～0.13份、润滑剂0.05～0.17份及热稳定剂0.05～0.25份，在45～85℃条件下高速搅拌10～30min至分散均匀；
（2）所得预混料经激光烧结成型制备为所需制件。
本发明具有以下有益效果：
1、聚苯乙烯微球无需物理粉化或化学析出，并且通过偶联剂可以很好地与超短玻纤结合，提高了复合材料的力学强度；
2、超短玻纤的耐热性远高于树脂材料，引入后可以大幅提升复合材料的耐热性；
3、在成型过程中超短玻纤有效地均匀分布于体系之中，可以显著提高聚苯乙烯微球的耐磨性；
4、超短玻纤在烧结成型时可以起到支撑和连接作用，提高了聚苯乙烯微球的固化效率，加快了复合材料的成型速度；此外超短玻纤的引入显著降低了复合材料的综合生产成本；
5、本发明所涉及的制备工艺简单且无污染，所制备复合材料可直接应用于激光烧结快速成型领域，制备具有复杂结构的三维制件。
具体实施方法
下面结合具体实例对本发明内容进行进一步的说明，但所述实施例并非是对本发明实质精神的简单限定，任何基于本发明实质精神所作出的简单变化或等同替换均应属于本发明所要求保护的范围之内。如无特别说明，各实例中所述份数均为重量份。
制备的样品在23℃、50%湿度环境下调节后，分别采用astmd6110、astmd648和astmd1242检测复合材料的冲击强度、热变形温度和耐磨性，同时记录制件成型速度。
本发明的具体实施例如下：
实施例1
（1）在容器中陆续加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纤5份，
偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷1份，
抗氧剂n,n'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.02份，
抗氧剂三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.03份，
润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物0.05份，
热稳定剂硬脂酸钙0.05份；
（2）混合后的物料在45℃条件下高速搅拌10min至分散均匀；
（3）所得预混料经激光烧结成型制备为所需制件，并检测相关性能。
所制得超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料性能见表一。
实施例2
（1）在容器中陆续加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纤15份，
偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷2份，
抗氧剂n,n'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.03份，
抗氧剂三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.04份，
润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物0.08份，
热稳定剂硬脂酸钙0.10份；
（2）混合后的物料在55℃条件下高速搅拌15min至分散均匀；
（3）所得预混料经激光烧结成型制备为所需制件，并检测相关性能。
所制得超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料性能见表一。
实施例3
（1）在容器中陆续加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纤25份，
偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷3份，
抗氧剂n,n'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.04份，
抗氧剂三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.05份，
润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物0.11份，
热稳定剂硬脂酸钙0.15份；
（2）混合后的物料在65℃条件下高速搅拌20min至分散均匀；
（3）所得预混料经激光烧结成型制备为所需制件，并检测相关性能。
所制得超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料性能见表一。
实施例4
（1）在容器中陆续加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纤35份，
偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷4份，
抗氧剂n,n'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.05份，
抗氧剂三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.06份，
润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物0.14份，
热稳定剂硬脂酸钙0.20份；
（2）混合后的物料在75℃条件下高速搅拌25min至分散均匀；
（3）所得预混料经激光烧结成型制备为所需制件，并检测相关性能。
所制得超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料性能见表一。
实施例5
（1）在容器中陆续加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纤45份，
偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷5份，
抗氧剂n,n'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.06份，
抗氧剂三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.07份，
润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物0.17份，
热稳定剂硬脂酸钙0.25份；
（2）混合后的物料在85℃条件下高速搅拌30min至分散均匀；
（3）所得预混料经激光烧结成型制备为所需制件，并检测相关性能。
所制得超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料性能见表一。
实施例6
（1）在容器中陆续加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纤5份，
偶联剂γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷1份，
抗氧剂n,n'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.02份，
抗氧剂双（2，4—二酷基）季戊四醇二亚磷酸酯0.03份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.05份，
热稳定剂硬脂酸钡0.05份；
（2）混合后的物料在45℃条件下高速搅拌10min至分散均匀；
（3）所得预混料经激光烧结成型制备为所需制件，并检测相关性能。
所制得超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料性能见表一。
实施例7
（1）在容器中陆续加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纤15份，
偶联剂γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷2份，
抗氧剂n,n'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.03份，
抗氧剂双（2，4—二酷基）季戊四醇二亚磷酸酯0.04份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.08份，
热稳定剂硬脂酸钡0.10份；
（2）混合后的物料在55℃条件下高速搅拌15min至分散均匀；
（3）所得预混料经激光烧结成型制备为所需制件，并检测相关性能。
所制得超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料性能见表一。
实施例8
（1）在容器中陆续加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纤25份，
偶联剂γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷3份，
抗氧剂n,n'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.04份，
抗氧剂双（2，4—二酷基）季戊四醇二亚磷酸酯0.05份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.11份，
热稳定剂硬脂酸钡0.15份；
（2）混合后的物料在65℃条件下高速搅拌20min至分散均匀；
（3）所得预混料经激光烧结成型制备为所需制件，并检测相关性能。
所制得超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料性能见表一。
实施例9
（1）在容器中陆续加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纤35份，
偶联剂γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷4份，
抗氧剂n,n'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.05份，
抗氧剂双（2，4—二酷基）季戊四醇二亚磷酸酯0.06份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.14份，
热稳定剂硬脂酸钡0.20份；
（2）混合后的物料在75℃条件下高速搅拌25min至分散均匀；
（3）所得预混料经激光烧结成型制备为所需制件，并检测相关性能。
所制得超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料性能见表一。
实施例10
（1）在容器中陆续加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纤45份，
偶联剂γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷5份，
抗氧剂n,n'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.06份，
抗氧剂双（2，4—二酷基）季戊四醇二亚磷酸酯0.07份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.17份，
热稳定剂硬脂酸钡0.25份；
（2）混合后的物料在85℃条件下高速搅拌30min至分散均匀；
（3）所得预混料经激光烧结成型制备为所需制件，并检测相关性能。
所制得超短玻纤改性苯乙烯微球复合材料性能见表一。
对照实例1
（1）在容器中陆续加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
抗氧剂n,n'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺0.02份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.03份，
润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物0.05份，
热稳定剂硬脂酸钙0.05份；
（2）混合后的物料在45℃条件下高速搅拌10min至分散均匀；
（3）所得预混料经激光烧结成型制备为所需制件，并检测相关性能。
所制得苯乙烯微球复合材料性能见表一。
表一：
由表一数据可知，本发明制备的超短玻纤改性聚苯乙烯微球复合材料冲击强度最大为34j/m，较改性前（对照实例1）提高36%；热变形温度最高为113℃，较改性前提高50.7%；泰伯磨耗最小为11mg/1000次，较改性前降低45.0%，成型速度最快为39cm3/h，较改性前提高62.5%。本发明制备的复合材料具有力学强度大、耐热性好、耐磨性优良以及成型速度较快的特点，同时超短玻纤的引入大幅降低了复合材料的整体成本。此外本发明所涉及的制备工艺简单且无污染，所制备复合材料可直接应用于激光烧结快速成型领域，制备具有复杂结构的三维制件。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。