一种磁性石墨烯3d打印耗材的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种磁性石墨烯3D打印耗材的制备方法。通过采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯，然后通过沉淀法制备氧化石墨烯/四氧化三铁复合材料作为磁性填料，通过把热塑性塑料粉碎后，与抗氧化剂、内部润滑剂、外部润滑剂、磁性复合填料通过双螺杆共混制备磁性复合材料颗粒作为3D打印耗材制备的原材料，再通过单螺杆或者双螺杆挤出机制成不同直径的磁性3D打印耗材。本发明方法制备工艺简单，生产成本低，便于推广和应用，且所制备的磁性3D打印材料稳定性好，主要适用于热熔性3D打印，打印使用温度在180~250℃。
【专利说明】
_种磁性石墨燦3D打印耗材的制备方法
技术领域
[0001]本发明属于3D打印技术领域，特别涉及一种磁性石墨烯3D打印耗材的制备方法。
【背景技术】
[0002]磁性塑料又称塑料磁铁，根据填充磁粉类型可分为铁氧体类磁性塑料和稀土类磁性塑料。由于磁性塑料机械加工性能好、易成型，且尺寸精度高、韧性好、重量轻、价格便宜、易批量生产，因此对电磁设备的小型化、轻量化、精密化和高性能化具有重大意义。它可以记录声、光、电信息，因而广泛用于电子电气、仪器仪表、通讯、日用品等诸多领域，如制造彩色显像管会聚组件、微电机磁钢、汽车仪器仪表、分电器垫片和气动元件磁环等。铁氧体类磁性塑料质轻、柔韧，成型后收缩小，可制形状复杂的制品，可连续成型、批量生产，可通过控制磁粉含量来控制磁性，并且化学稳定性良好。不足之处是，如果想通过大量填充磁粉来提高磁性能，则会影响制品的加工性和强度，因此其磁性不仅比烧结磁铁差，也不及稀土类磁性塑料。目前主要用于家电、日用品。
[0003]磁性3D打印耗材的生产可以把磁性高分子材料应用到3D打印中，可以扩展磁性塑料的应用范围。3D打印在电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息及艺术设计等领域被广泛应用，可制造传统方法难加工(如自由曲面叶片、复杂内流道等)、甚至是无法加工(如内部镂空结构)的零部件等。3D打印的材料成型方法一般包括粘结剂喷射成型、光敏聚合物固化成型、材料挤出成型(又称熔融沉积制造，FDM)、激光粉末烧结成型、定向能沉积成型等。FDM是3D打印消费市场最常用的打印方法，其设备结构简单，价格低廉，是最为常见的3D打印设备。常用的3D打印成型材料多采用化学聚合物，包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚丙烯酸(PA)、聚甲醛(POM)和尼龙等。由于化学聚合物的物理特性所限，塑料3D打印件常常无法直接作为机械零件或者功能性器件。纳米复合技术能够有效地提高3D打印材料的性能，不仅能够有效地提高塑料的力学性能、热稳定性和阻燃安全性能，同时还能赋予其一定的功能性，如导热、防渗、防静电、导电、电磁屏蔽、电磁波吸收等。
[0004]磁性3D打印耗材的制备不同于普通的磁性塑料，产品需要综合考虑Π)Μ打印对材料强度、韧性、熔化温度和流动性的要求，目前市场上还没有相关的产品。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种磁性石墨烯3D打印耗材的制备方法。
[0006]本发明思路:通过采用改进的Hummers法制备氧化石墨稀，然后通过沉淀法制备氧化石墨烯/四氧化三铁复合材料作为磁性填料，与热塑性树脂粉末通过单螺杆或双螺杆共混挤出机制成不同直径的磁性3D打印耗材。
[0007]具体步骤为:
(I)在冰水浴中，将69 mL浓硫酸缓慢加入3.0 g鳞片石墨和1.5 g硝酸钠中混合均匀，在低于10°C的温度下搅拌I?2 h，再缓慢分多次加入9.0 g高锰酸钾，恒温35 °C搅拌6?9h，然后将另一份9.0 g高锰酸钾一次性加入，继续恒温35 °C搅拌8?14 h，反应物冷却至室温后，将其倒入事先制备的400 mL冰中搅拌，待冰融化后加入质量分数为30%的双氧水溶液，中和未反应的尚猛酸和一■氧化猛，反应物由掠揭色变成壳黄色，生成氧化石墨，通过去离子水以8000 r/min是转速离心洗涤除去产物中的酸和盐，然后将纯化后的氧化石墨分散液超声3 h，静置12 h除去沉淀物，得到氧化石墨烯在水中的分散液，S卩GO分散液。
[0008](2)量取步骤(I)制得的GO分散液，用氨水调节其pH值到11，按照质量比G0:FeCl2.4H20=1:7.5加入FeCl2.4H20，然后在80°C的水浴中搅拌反应4 h，产物用去离子水离心洗涤至中性，70 0C鼓风干燥12h，研磨得到氧化石墨烯/四氧化三铁复合填料粉末。
[0009](3)按照以下质量百分比称取原料:步骤(2)制得的氧化石墨烯/四氧化三铁复合填料粉末10?30%，热塑性树脂粉末70?88.6%，抗氧剂1010 0.3-0.8%，塑料通用内部润滑剂
0.8-1.0%，塑料通用外部润滑剂0.3?0.8%，所有原料质量百分比之和为100%。
[0010](4)将步骤(3)称取的原料混合并用密炼机于30?100 V混炼60?120分钟，然后放入恒温干燥箱，于60?80 °C下干燥2?6 h，制得复合材料。
[0011](5)将步骤(4)制得的复合材料用双螺杆挤出机造粒，得到直径为I?3.5mm，长度为4?6mm的复合磁性粒料，于80°C下干燥10 h备用，挤出过程螺杆转速控制在15?30 r /min,温度控制在175?225 °C，进料口压力为35?60MPa，出料口压力为35?60MPa。
[0012](6)使用单螺杆挤出机或双螺杆挤出机对步骤(5)制得的复合磁性粒料再次进行挤出，根据树脂成分控制加热温度、螺杆速度和进/出料口压力，使复合物能够连续均匀挤出，挤出物经冷却后，由缠绕机收集，通过调整牵引力和牵引速度将挤出物直径控制在1.75mm或3.0 mm，即制得磁性石墨稀3D打印耗材。
[0013]所述热塑性树脂粉末是将热塑性塑料粉碎成粉状，并控制其粒径在40?200目，热塑性塑料选用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚丙烯酸(PA)和聚甲醛(POM)中的一种；当选用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)时，是通过ABS高胶粉和SAN塑胶粉末按照质量百分比为23?27%和77?73%进行混合，二者质量百分比之和为100%，其中SAN塑胶粉末是将SAN塑胶颗粒放入塑胶粉碎机中粉碎3~10min，得到40?200目的SAN塑胶粉末。
[0014]本发明方法制备工艺简单，生产成本低，便于推广和应用，且所制备的磁性3D打印材料稳定性好，主要适用于热熔性3D打印，打印使用温度在180?250°C。
【具体实施方式】
[0015]实施例1:
(I)在冰水浴中，将69 mL浓硫酸缓慢加入3.0 g鳞片石墨和1.5 g硝酸钠中混合均匀，在低于10°(:的温度下搅拌1.5 h，再缓慢分多次加入9.0 g高锰酸钾，恒温35 °C搅拌7.5h，然后将另一份9.0 g高锰酸钾一次性加入，继续恒温35 °C搅拌llh，反应物冷却至室温后，将其倒入事先制备的400 mL冰中搅拌，待冰融化后加入质量分数为30%的双氧水溶液，中和未反应的高锰酸和二氧化锰，反应物由棕褐色变成亮黄色，生成氧化石墨，通过去离子水以8000 r/min是转速离心洗涤除去产物中的酸和盐，然后将纯化后的氧化石墨分散液超声3 h，静置12 h除去沉淀物，得到氧化石墨烯在水中的分散液，S卩GO分散液。
[0016](2)量取步骤(I)制得的GO分散液，用氨水调节其pH值到11，按照质量比G0:FeCl2.4H20=1:7.5加入FeCl2.4H20，然后在80°C的水浴中搅拌反应4 h，产物用去离子水离心洗涤至中性，70 0C鼓风干燥12h，研磨得到氧化石墨烯/四氧化三铁复合填料粉末。
[0017](3)按照以下质量称取原料:步骤(2)制得的氧化石墨烯/四氧化三铁复合填料粉末10g，ABS树脂粉末500g，抗氧剂1010 4g，塑料通用内部润滑剂3g，塑料通用外部润滑剂3g，所有原料质量百分比之和为100%。
[0018](4)将步骤(3)称取的原料混合并用密炼机于80°C混炼60分钟，然后放入恒温干燥箱，于80 °C下干燥6 h，制得复合材料。
[0019](5)将步骤(4)制得的复合材料用双螺杆挤出机造粒，得到直径为1.7mm，长度为4mm的复合磁性粒料，于80 °C下干燥1 h备用，挤出过程螺杆转速控制在20 r /min，温度控制在175?225°C，进料口压力为35?60MPa，出料口压力为35?60MPa。
[0020](6)使用双螺杆挤出机对步骤(5)制得的复合磁性粒料再次进行挤出，控制入口段的加热温度为190°C，出口处的加热温度为225°C，双螺杆速度20 r/min，进料口压力为40?60 MPa，出料口压力为20?55 MPa，挤出物经冷却后，由缠绕机收集，通过调整牵引力和牵引速度将挤出物直径控制在3.0 _，即制得磁性石墨烯3D打印耗材。
[0021]所述ABS树脂粉末是将125gABS高胶粉和375g SAN塑胶粉末进行混合，其中SAN塑胶粉末是将SAN塑胶颗粒放入塑胶粉碎机中粉碎5min，成粉状，并用40目筛子进行筛取所得。
[0022]实施例2:
(I)在冰水浴中，将69 mL浓硫酸缓慢加入3.0 g鳞片石墨和1.5 g硝酸钠中混合均匀，在低于10°C的温度下搅拌1.5 h，再缓慢分多次加入9.0 g高锰酸钾，恒温35 °C搅拌7.5h，然后将另一份9.0 g高锰酸钾一次性加入，继续恒温35 °C搅拌11 h，反应物冷却至室温后，将其倒入事先制备的400 mL冰中搅拌，待冰融化后加入质量分数为30%的双氧水溶液，中和未反应的高锰酸和二氧化锰，反应物由棕褐色变成亮黄色，生成氧化石墨，通过去离子水以8000 r/min是转速离心洗涤除去产物中的酸和盐，然后将纯化后的氧化石墨分散液超声3 h，静置12 h除去沉淀物，得到氧化石墨烯在水中的分散液，S卩GO分散液。
[0023](2)量取步骤(I)制得的GO分散液，用氨水调节其pH值到11，按照质量比G0:FeCl2.4H20=1:7.5加入FeCl2.4H20，然后在80°C的水浴中搅拌反应4 h，产物用去离子水离心洗涤至中性，70 0C鼓风干燥12h，研磨得到氧化石墨烯/四氧化三铁复合填料粉末。
[0024](3)按照以下质量称取原料:步骤(2)制得的氧化石墨烯/四氧化三铁复合填料粉末10g，PLA树脂粉末400g，抗氧剂1010 4g，塑料通用内部润滑剂3g，塑料通用外部润滑剂3g。
[0025](4)将步骤(3)称取的原料混合并用密炼机于80°C混炼60分钟，然后放入恒温干燥箱，于80 °C下干燥6 h，制得复合材料。
[0026](5)将步骤(4)制得的复合材料用双螺杆挤出机造粒，得到直径为2mm，长度为5mm的复合磁性粒料，于80°C下干燥10 h备用，挤出过程螺杆转速控制在25 r /min，温度控制在175?225 °C，进料口压力为35?60MPa，出料口压力为35?60MPa。
[0027](6)使用双螺杆挤出机对步骤(5)制得的复合磁性粒料再次进行挤出，控制入口段的加热温度为175°C，出口处的加热温度为185°C，双螺杆速度25 r/min，进料口压力为40-60 MPa，出料口压力为20-55 MPa，挤出物经冷却后，由缠绕机收集，通过调整牵引力和牵引速度将挤出物直径控制在1.75 _，即制得磁性石墨烯3D打印耗材。
[0028]所述PLA树脂粉末是将PLA塑料用高速粉碎机粉碎5min，成粉状，并用40目筛子进行筛取所得。
【主权项】
1.一种磁性石墨烯3D打印耗材的制备方法，其特征在于具体步骤为: (1)在冰水浴中，将69mL浓硫酸缓慢加入3.0 g鳞片石墨和1.5 g硝酸钠中混合均匀，在低于10°C的温度下搅拌I?2 h，再缓慢分多次加入9.0 g高锰酸钾，恒温35 °C搅拌6?9h，然后将另一份9.0 g高锰酸钾一次性加入，继续恒温35 °C搅拌8?14 h，反应物冷却至室温后，将其倒入事先制备的400 mL冰中搅拌，待冰融化后加入质量分数为30%的双氧水溶液，中和未反应的尚猛酸和一■氧化猛，反应物由掠揭色变成壳黄色，生成氧化石墨，通过去离子水以8000 r/min是转速离心洗涤除去产物中的酸和盐，然后将纯化后的氧化石墨分散液超声3 h，静置12 h除去沉淀物，得到氧化石墨烯在水中的分散液，S卩GO分散液； (2)量取步骤(I)制得的GO分散液，用氨水调节其pH值到11，按照质量比GO:FeCl2.4H20=1:7.5加入FeCl2.4H20，然后在80°C的水浴中搅拌反应4 h，产物用去离子水离心洗涤至中性，70 0C鼓风干燥12h，研磨得到氧化石墨烯/四氧化三铁复合填料粉末； (3)按照以下质量百分比称取原料:步骤(2)制得的氧化石墨烯/四氧化三铁复合填料粉末10~30%，热塑性树脂粉末70?88.6%，抗氧剂1010 0.3-0.8%，塑料通用内部润滑剂0.8?.1.0%，塑料通用外部润滑剂0.3?0.8%，所有原料质量百分比之和为100%; (4)将步骤(3)称取的原料混合并用密炼机于30?100°C混炼60?120分钟，然后放入恒温干燥箱，于60?80 °C下干燥2?6 h，制得复合材料； (5)将步骤(4)制得的复合材料用双螺杆挤出机造粒，得到直径为I?3.5mm，长度为4?.6mm的复合磁性粒料，于80°C下干燥10 h备用，挤出过程螺杆转速控制在15?30 r /min，温度控制在175?225 °C，进料口压力为35?60MPa，出料口压力为35?60MPa ； (6)使用单螺杆挤出机或双螺杆挤出机对步骤(5)制得的复合磁性粒料再次进行挤出，根据树脂成分控制加热温度、螺杆速度和进/出料口压力，使复合物能够连续均匀挤出，挤出物经冷却后，由缠绕机收集，通过调整牵引力和牵引速度将挤出物直径控制在1.75 mm或.3.0 mm，即制得磁性石墨稀3D打印耗材； 所述热塑性树脂粉末是将热塑性塑料粉碎成粉状，并控制其粒径在40?200目，热塑性塑料选用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯酸和聚甲醛中的一种；当选用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物时，是通过ABS高胶粉和SAN塑胶粉末按照质量百分比为23?27%和77?73%进行混合，二者质量百分比之和为100%，其中SAN塑胶粉末是将SAN塑胶颗粒放入塑胶粉碎机中粉碎3~10min，得到40?200目的SAN塑胶粉末。
【文档编号】C08L55/02GK105885268SQ201610337271
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月21日
【发明人】罗鲲, 诸葛祥群, 罗志虹, 向利, 赵玉振
【申请人】桂林理工大学