本发明涉及3D打印材料
技术领域：
，尤其涉及一种纳米增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料及制备方法。
背景技术：
：3D打印技术，作为今年来发展最快和最具潜力的技术之一，给人们的生活和工作带来了深远的影响。3D打印常用的丙烯酸-丁二烯-苯乙烯(ABS)和聚乳酸(PLA)材料与设计人员的接触日益广泛。然而，3D打印技术仍然存在一定的问题，比如由熔融沉积打印方式带来的层间结合力差造成打印件力学性能弱的问题、容易堵塞打印喷头、打印过程气味较重、污染环境和影响实验人员健康等问题，这些问题也给3D打印技术提出了改进的空间。因此，能够广泛用于3D打印技术的材料至少需要满足，打印时无刺鼻气味、熔融后流动性强、硬度高且强度好并且价格低廉。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种纳米增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料及制备方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种纳米增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料，由以下重量百分比的原料组成的配方制备而成：聚乳酸，60-80wt％；短切碳纤维，5-30wt％；纳米增韧剂，1-10wt％；硅烷偶联剂，0.1-2wt％；紫外吸收剂剂，0.1-1wt％；加工助剂，0.1-2wt％。优选地，所述短切碳纤维的长度为1-10mm，直径为4-12μm。优选地，所述纳米增韧剂为蒙脱土、二氧化硅、聚倍半硅氧烷、石墨烯、氧化石墨烯或碳纳米管中的一种。优选地，所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷中的一种。优选地，所述紫外吸收剂为三(1，2，2，6，6-五甲哌啶基)亚磷酸酯、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮或2-(2'-羟基-3',5'-二叔丁基苯基)苯并三氮唑中的一种。优选地，所述加工助剂为聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡或硬脂酸锌中的一种。优选地，由以下重量百分比的原料组成的配方制备而成：聚乳酸，65-75wt％；短切碳纤维，20-25wt％；纳米增韧剂，3-6wt％；硅烷偶联剂，0.5-1wt％；紫外吸收剂剂，0.5-1wt％；加工助剂，0.5-1.5wt％。一种纳米增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料的制备方法，利用上述配方，采用反应挤出的方法进行制备。优选地，包括如下步骤：步骤一，按照配方称取原料；步骤二，将纳米增韧剂和硅烷偶联剂通过高速混合机或球磨机充分混合得到物料A；步骤三，将得到的物料A与短切碳纤维、聚乳酸、抗紫外吸收剂混合后，得到物料B；步骤四，将物料B加入双螺杆挤出机中熔融挤出，冷却后得到纳米增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料。优选地，步骤四中，所述熔融挤出的温度为：180-220℃。本发明的有益效果是：本发明实施例提供的纳米增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料及制备方法，通过添加纳米增韧剂，以及采用反应挤出的方法制备得到的碳纤维增强聚乳酸3D打印材料，具有良好的3D打印性能，不堵塞打印喷头，打印过程气味较小，打印件具有较好的层间结合力，力学性能优异，解决了采用现有技术中的配方和制备方法得到的聚乳酸3D打印材料，在打印过程中产生气味较重、打印材料容易堵塞打印机喷头和打印件力学性能中等的问题。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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明一方面提供了一种纳米增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料，由以下重量百分比的原料组成的配方制备而成：聚乳酸，60-80wt％；短切碳纤维，5-30wt％；纳米增韧剂，1-10wt％；硅烷偶联剂，0.1-2wt％；紫外吸收剂剂，0.1-1wt％；加工助剂，0.1-2wt％。其中，所述短切碳纤维的长度可以为1-10mm，单丝直径可以为4-12μm，其中最优的长度为3mm和6mm，单丝直径6-8μm，该长度的短切碳纤维经螺杆剪碎挤出后粒径分布更加均匀，有利于促进产品力学性能的稳定。。在本实施例中，所述纳米增韧剂可以为蒙脱土、二氧化硅、聚倍半硅氧烷、石墨烯、氧化石墨烯或碳纳米管中的一种。在本实施例中，所述硅烷偶联剂可以为3-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷中的一种,硅烷偶联剂的使用可以有效提高纳米增韧剂在碳纤维表面的分散效果。在本实施例中，所述紫外线吸收剂可以为三(1，2，2，6，6-五甲哌啶基)亚磷酸酯、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮或2-(2'-羟基-3',5'-二叔丁基苯基)苯并三氮唑中的一种。在本实施例中，所述加工助剂可以为聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡或硬脂酸锌中的一种。本发明的一个优选实施例中，由以下重量百分比的原料组成的配方制备而成：聚乳酸，65-75wt％；短切碳纤维，20-25wt％；纳米增韧剂，3-6wt％；硅烷偶联剂，0.5-1wt％；紫外吸收剂剂，0.5-1wt％；加工助剂，0.5-1.5wt％。本发明的另一个方面提供了一种纳米增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料的制备方法，利用上述的配方，采用反应挤出的方法进行制备。本发明中，具体的制备方法，可以包括如下步骤：步骤一，按照配方称取原料；步骤二，将纳米增韧剂和硅烷偶联剂通过高速混合机或球磨机充分混合得到物料A；步骤三，将得到的物料A与短切碳纤维、聚乳酸、抗紫外吸收剂混合后，得到物料B；步骤四，将物料B加入双螺杆挤出机中熔融挤出，冷却后得到纳米增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料。其中，步骤四中，所述熔融挤出的温度可以为：180-220℃。实施例1称取聚倍半硅氧烷1公斤、3-氨丙基三乙氧基硅烷0.5公斤，放入高速混合机混合得到物料A；将得到的物料A与长度6mm直径7.5μm的短切碳纤维30公斤、聚乳酸66.5公斤、三(1，2，2，6，6-五甲哌啶基)亚磷酸酯1公斤、聚乙烯蜡1公斤放入高速混合机混匀后，通过双螺杆挤出机200℃熔融挤出、挤出成丝、冷却，获得碳纤维增强聚乳酸3D打印丝材。实施例2称取蒙脱土10公斤、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷2公斤，放入高速混合机混合得到物料A；将得到的物料A与长度1mm直径12μm的短切碳纤维5公斤、聚乳酸80公斤、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮1公斤、聚乙烯蜡2公斤放入高速混合机混匀后，通过双螺杆挤出机200℃熔融挤出、挤出成丝、冷却，获得碳纤维增强聚乳酸3D打印丝材。实施例3称取二氧化硅5公斤、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷1公斤，放入高速混合机混合得到物料A；将得到的物料A与长度3mm直径4.0μm的短切碳纤维20公斤、聚乳酸72.9公斤、2-(2'-羟基-3',5'-二叔丁基苯基)苯并三氮唑1公斤、氧化聚乙烯蜡0.1公斤放入高速混合机混匀后，通过双螺杆挤出机190℃熔融挤出、挤出成丝、冷却，获得碳纤维增强聚乳酸3D打印丝材。实施例4称取氧化石墨烯2公斤、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷0.5公斤，放入高速混合机混合得到物料A；将得到的物料A与长度1mm直径6.5μm的短切碳纤维25公斤、聚乳酸70公斤、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮1公斤、聚乙烯蜡1.5公斤放入高速混合机混匀后，通过双螺杆挤出机190℃熔融挤出、挤出成丝、冷却，获得碳纤维增强聚乳酸3D打印丝材。实施例5称取碳纳米管3公斤、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷0.5公斤，放入高速混合机混合得到物料A；将得到的物料A与长度6mm直径7.5μm的短切碳纤维20公斤、聚乳酸75公斤、三(1，2，2，6，6-五甲哌啶基)亚磷酸酯1公斤、氧化聚乙烯蜡0.5公斤放入高速混合机混匀后，通过双螺杆挤出机200℃熔融挤出、挤出成丝、冷却，获得碳纤维增强聚乳酸3D打印丝材。使用实施例1-5中制备得到的碳纤维增强聚乳酸3D打印丝材打印力学试样，打印条件为：打印层厚0.2mm，打印温度210℃，底板温度60℃，对打印出的样条进行力学性能测试和对打印过程中的气体释放速率进行检测，测试数据如下表所示。测试内容纯PLA12345拉伸强度(MPa)566861626973弯曲强度(MPa)115120118120122126气体释放量(μg/s)62.41.71.92.01.5从表中可以看出，碳纤维增强聚乳酸材料的力学性能较纯聚乳酸大幅提高，适用于高强度要求的3D打印件的制造，同时打印过程中气体释放率较纯PLA大幅降低，有利于保护环境和操作人员的健康。通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明实施例提供的纳米增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料及制备方法，通过添加纳米增韧剂，以及采用反应挤出的方法制备得到的碳纤维增强聚乳酸3D打印材料，具有良好的3D打印性能，不堵塞打印喷头，打印过程气味较小，打印件具有较好的层间结合力，力学性能优异，解决了采用现有技术中的配方和制备方法得到的聚乳酸3D打印材料，在打印过程中产生气味较重、打印材料容易堵塞打印机喷头和打印件力学性能中等的问题。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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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本发明的保护范围。当前第1页1 2 3