碳纤维增强聚乳酸3D打印线材及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维增强聚乳酸3D打印线材及其制备方法，所述方法包括：先将碳纤维进行氧化处理；再将氧化处理后的所述碳纤维浸泡在硅烷偶联剂中以制得碳纤维短棒；最后将聚乳酸与所述碳纤维短棒混合，接着进行机械成型、冷却以制得碳纤维增强聚乳酸3D打印线材；其中，所述碳纤维短棒的长度小于100μm。通过该方法制得的3D打印线材具有优异的机械力学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及3D打印材料，具体涉及碳纤维增强聚乳酸3D打印线材及其制备方法。
技术介绍
3D打印机随着科技的不断进步，其能够打印的类型也越来越多，金属作为其中重要的打印耗材，其在实际打印过程中，往往存在硬度较高，不易成型的缺陷，进而影响制得的产品的质量。聚乳酸(PLA)具有一定的抗拉强度及延展度，聚乳酸加工方法众多，成型工艺简单，在3D打印中广泛应用，可以采用各种普通加工方式生产，例如：熔化挤出成型，射出成型，吹膜成型，发泡成型及真空成型，与广泛使用的聚合物有类似的成形条件，此外它也具有与传统薄膜相同的印刷性能。3D打印机具有操作简单，设备便宜等特点，但是由于目前打印材料强度不够，韧性小、延伸率小的特性，因此在工业中应用受限，目前PLA3D打印线材通常只能用于小型玩具、力学性能低的模型打印问题，产品的开发将进一步提高3D打印的应用范围，提高PLA3D打印线材的应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供条件温和，操作简单的碳纤维增强聚乳酸3D打印线材的制备方法。本专利技术的另一目的是提供具有优异的机械力学性能的碳纤维增强聚乳酸3D打印线材。本专利技术提供的碳纤维增强聚乳酸3D打印线材的制备方法，包括：(1)将碳纤维进行氧化处理；(2)将氧化处理后的所述碳纤维浸泡在硅烷偶联剂中以制得碳纤维短棒；(3)将聚乳酸与所述碳纤维短棒混合，接着进行机械成型、冷却以制得碳纤维增强聚乳酸3D打印线材；其中，所述碳纤维短棒的长度小于100μm。在上述制备方法的步骤(1)中，氧化处理的温度和时间可以在宽的范围内选择，从氧化处理的效果上考虑，优选地，于150-200℃氧化处理30min以上。在上述制备方法的步骤(2)中，浸泡的温度和时间可以在宽的范围内选择，为提高碳纤维短棒的制备效率，优选地，浸泡的时间为20-30min，浸泡的温度为50-65℃。在上述制备方法的步骤(2)中，硅烷偶联剂的浓度可以在宽的范围内选择，为提高碳纤维短棒的制备效率，优选地，硅烷偶联剂的体积浓度为35％-65％。在上述制备方法的步骤(3)中，聚乳酸的形状可以在宽的范围内选择，可以为棒状，线状，颗粒状等，为提高所制得的3D打印线材的强度，优选地，聚乳酸为聚乳酸颗粒；聚乳酸颗粒的大小可以在宽的范围内选择，同样为提高所制得的3D打印线材的强度，优选地，颗粒的粒径为35-40μm。在上述制备方法的步骤(3)中，碳纤维短棒和聚乳酸的用量可以在宽的范围内选择，为提高所制得的3D打印线材的强度，优选地，碳纤维短棒与聚乳酸的重量比为8-12：92-88。在上述制备方法的步骤(3)中，混合的温度和时间可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高该3D打印线材的制备效率，优选地，混合的温度为155-175℃，混合的时间为30min以上。在上述制备方法的步骤(3)中，冷却的方式可以在宽的范围内选择，从冷却效果与成本上考虑，优选地，冷却是采用的水冷的方式。在上述制备方法的步骤(3)中，冷却的温度可以在宽的范围内选择，从冷却效果上考虑，优选地，冷却的温度50-65℃。本专利技术还提供了上述碳纤维增强聚乳酸3D打印线材，该3D打印线材通过上述的方法制备而成。通过上述技术方案，本专利技术通过先对碳纤维进行氧化处理；再将氧化处理后的碳纤维浸泡在硅烷偶联剂中以制得碳纤维短棒；最后将聚乳酸与上述碳纤维短棒混合，接着进行机械成型、冷却以制得碳纤维增强聚乳酸3D打印线材。在此过程中，氧化处理使碳纤维表面产生-C＝O的含氧活性基团，含氧基团可显著提高碳纤维与硅烷偶联剂的反应能力，使界面形成化学键，大大地改善了界面粘结强度；硅烷偶联剂能够增强材料之间的界面结合强度。该方法是条件温和，操作简单的制备方法，制得的3D打印线材具有优异的机械力学性能。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。实施例1(1)将碳纤维于150℃的温度下进行30min的氧化处理；(2)将氧化处理后的碳纤维置于温度为50℃，体积浓度为35％的硅烷偶联剂中，浸泡20min以制得碳纤维短棒；(3)将92重量份粒径为35μm的聚乳酸颗粒与8重量份长度为20μm的碳纤维短棒于155℃的温度下混合30min，接着进行机械成型，并经50℃的水冷却以制得碳纤维增强聚乳酸3D打印线材A1。实施例2(1)将碳纤维于200℃的温度下进行40min的氧化处理；(2)将氧化处理后的碳纤维置于温度为65℃，体积浓度为65％的硅烷偶联剂中，浸泡30min以制得碳纤维短棒；(3)将88重量份粒径为40μm的聚乳酸颗粒与12重量份长度为80μm的碳纤维短棒于175℃的温度下混合40min，接着进行机械成型，并经65℃的水冷却以制得碳纤维增强聚乳酸3D打印线材A2。实施例3(1)将碳纤维于180℃的温度下进行35min的氧化处理；(2)将氧化处理后的碳纤维置于温度为60℃，体积浓度为50％的硅烷偶联剂中，浸泡25min以制得碳纤维短棒；(3)将90重量份粒径为38μm的聚乳酸颗粒与10重量份长度为50μm的碳纤维短棒于160℃的温度下混合35min，接着进行机械成型，并经55℃的水冷却以制得碳纤维增强聚乳酸3D打印线材A3。对比例1按照实施例1的方法进行制得3D打印线材B1，所不同的是，未进行步骤(1)中对碳纤维的氧化处理。对比例2按照实施例2的方法进行制得3D打印线材B2，所不同的是，在步骤(2)中加入的偶联剂为钛酸酯偶联剂。对比例3按照实施例2的方法进行制得3D打印线材B3，所不同的是，在步骤(3)中未加入碳纤维短棒。检测例1对上述实施例和对比例制得的3D打印线材进行抗张强度、韧性和软化点的测试，具体结果见表1。表1抗张强度/MPa韧性/MPa软化点/℃A18198170A27997172A37898169B15694151B25994154B34070130通过上述检测例可知，上述实施例所制备的3D打印线材具有优异的抗张强度、韧性和软化点。通过上述实施例的检测结果得知，本专利技术提供的碳纤维增强聚乳酸3D打印线材具有优异的机械力学性能。此外，从本专利技术的制备过程可以看出，本专利技术提供的碳纤维增强聚乳酸3D打印线材的制备方法条件温和，操作简单。以上详细描述了本专利技术的优选实施方式，但是，本专利技术并不限于上述实施方式中的具体细节，在本专利技术的技术构思范围内，可以对本专利技术的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本专利技术的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本专利技术对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本专利技术的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本专利技术的思想，通过先将碳纤维进行处理，再用处理后的碳纤维对聚乳酸进行改性处理，增强材料的强度，从而制得3D打印线材，其同样应当视为本专利技术所公开的内容。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维增强聚乳酸3D打印线材的制备方法，其特征在于，所述方法包括：(1)将碳纤维进行氧化处理；(2)将氧化处理后的所述碳纤维浸泡在硅烷偶联剂中以制得碳纤维短棒；(3)将聚乳酸与所述碳纤维短棒混合，接着进行机械成型、冷却以制得碳纤维增强聚乳酸3D打印线材；其中，所述碳纤维短棒的长度小于100μm。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强聚乳酸3D打印线材的制备方法，其特征在于，所述方法包括：(1)将碳纤维进行氧化处理；(2)将氧化处理后的所述碳纤维浸泡在硅烷偶联剂中以制得碳纤维短棒；(3)将聚乳酸与所述碳纤维短棒混合，接着进行机械成型、冷却以制得碳纤维增强聚乳酸3D打印线材；其中，所述碳纤维短棒的长度小于100μm。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤(1)中，所述氧化处理的温度为150-200℃，所述氧化处理的时间为30min以上。3.根据权利要求1中所述的制备方法，其中，在步骤(2)中，所述浸泡的时间为20-30min，所述浸泡的温度为50-65℃。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的制备方法，其中，在步骤(2)中，所述硅烷偶联剂的体积浓度...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄仲佳，王心生，杨军，吕晨，郑兰斌，吴志华，
申请(专利权)人：安徽省春谷三D打印智能装备产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34