【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料。更具体地，涉及一种复合线材、3d打印件及其制备方法与应用。
技术介绍
1、短纤维增强热塑性聚合物复合材料以其高强度、高模量、优良的可设计性和可加工性等优点，在航空航天、轨道交通、电子产品以及医疗器械等多个领域得到了广泛应用。3d打印技术的出现，为短纤维增强热塑性聚合物复合材料的应用领域带来了新的拓展。特别是熔融沉积成型(fdm)技术，因其简单、易操作及低成本的优势，已成为制造短纤维增强热塑性聚合物复合材料最常用的3d打印方法之一。fdm不仅实现了无模具制造复合材料工件，还能够快速生产出定制化且结构复杂的工件。然而，3d打印短纤维增强热塑性聚合物复合材料的力学性能主要受到复合材料中纤维含量、分布以及取向的影响。当纤维含量相同时，提高纤维的取向性可以进一步提升复合材料的力学性能。
2、为了研究纤维取向对复合材料力学性能的影响，研究者们进行了相关探索。tekinalp等人(highly oriented carbon fiber-polymer composites via additivemanufacturing)指出，将短切碳纤维与abs树脂熔融共混后，通过挤出成型制得fdm打印用复合材料线材。在fdm打印过程中，他们发现纤维会沿着打印路径发生一定程度的取向，但与通过热压法制备的复合材料相比，其拉伸强度和模量的提升并不显著。此外，纤维在混合和挤出过程中由于受到高强度的剪切力而发生断裂，导致长度缩短，降低了复合材料的力学性能。yan等人在(3d short fibre orientation f
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术中在制备具有纤维取向性的短纤维增强热塑性聚合物复合材料的混合和挤出过程中，纤维受到高强度的剪切力而发生断裂，以及通过混合挤出制备线材后进行的打印工艺难以使短纤维趋于同一方向进行取向，从而限制了复合材料力学性能提高的缺陷与不足，提供一种复合线材的制备方法。
2、本专利技术的另一目的是提供上述制备方法制备得到的复合线材。
3、本专利技术的另一目的是提供一种3d打印件的制备方法。
4、本专利技术的另一目的是保护上述制备方法制备得到的3d打印件。
5、本专利技术的再一目的是提供上述复合线材或上述3d打印件在航空航天、轨道交通、电子产品或医疗器械领域中的应用。
6、本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：
7、本专利技术保护一种复合线材的制备方法，包括以下步骤：
8、s1.将短纤维毡与热塑性聚合物片材层叠，热压复合，得复合材料；
9、s2.将步骤s1所得复合材料切分为条状复合材料后对其加热软化滚压成型，得到圆柱状复合线材粗品；继续加热软化滚压，对所得复合线材粗品进行纤维取向处理，使所述复合线材粗品中纤维长度方向与线材长度方向基本同向，得到所述复合线材。
10、专利技术人发现，通过将短纤维毡和热塑性聚合物片材层叠，热压复合，能够得到充分浸润的复合材料。在热压复合过程中，热塑性聚合物片材受热后熔融至液态，随后，液态热塑性聚合物片材在真空、压力的作用下逐渐渗透并浸润固态的短纤维毡，直至整个结构达到无明显孔隙的紧密状态，标志着复合材料的充分浸润。此类复合材料为后续的线材加工提供了优势，因为相较于传统的剪切混合、挤出方式制备的线材，该方法能有效维护纤维网络结构的完整性，显著降低纤维在加工中的断裂风险。本专利技术摒弃了传统方法的剪切混合和挤出步骤，将所得复合材料切分为条状复合材料后对其加热软化滚压成型得圆柱状复合线材粗品，继续加热软化滚压，进一步对所得复合线材粗品进行纤维取向处理，原本复合线材粗品中纤维的平面内取向性(纤维方向分布在面内360°)被调整为纤维长度方向与线材长度方向基本同向，呈现明显的轴向排列。这一过程中，短纤维的形态与力学性能得以完整保留，最终制得的复合线材不仅避免了纤维断裂的问题，还具有高度的纤维取向性(通过显微镜观察复合线材中的纤维长度方向，视野内至少有70％的纤维长度方向呈平行排列状态，即为高纤维取向度)，可以提高复合材料的力学性能。本专利技术的制备方法不仅避免了现有技术中剪切混合、挤出等复杂工艺步骤，降低了对设备的需求，同时还制备出了无纤维断裂、高纤维取向度的复合线材。这不仅提高了产品的力学性能，还极大提升了大规模工业化生产的可行性和经济性。
11、进一步地，步骤s1中，所述短纤维毡的制备方法包括以下步骤：
12、将短纤维于水中充分分散，干燥，得短纤维毡。
13、进一步地，所述充分分散为超声分散。
14、更进一步地，所述超声分散的次数为两次。
15、更进一步地，所述第一次超声分散的功率为500～750w。第一次超声分散中，采用较高的超声功率能够促使短纤维在溶剂中形成的纤维束周围产生较大的空化气泡。这些空化气泡在迅速破裂时，会释放出强烈的剪切力，从而有利于将纤维束分散为单根的短纤维材料。
16、优选地，所述第一次超声的时间为1～10min。
17、优选地，所述第一次超声的频率为20～30khz。
18、更进一步地，所述第二次超声分散的功率为80～200w。第二次超声分散中，采用常规的超声功率，旨在获得均匀分散的纤维材料分散液。
19、优选地，所述第二次超声的时间为1～10min。
20、优选地，所述第二次超声的频率为38～45khz。
21、进一步地，步骤s1中，所述干燥为过滤干燥。使用过滤的方式去除短纤维材料分散液中的溶剂，可以使短纤维材料之间因互相缠结以及静电作用力而形成纤维网络结构，进而制成短纤维毡。这种短纤维毡具有优良的均匀性、较大的间隙和良好的力学稳定性。
22、进一步地，步骤s1中，所述短纤维毡包括聚乳酸短纤维毡、短切碳纤维毡、短切玻璃纤本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种复合线材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述短纤维毡包括聚乳酸短纤维毡、短切碳纤维毡、短切玻璃纤维毡中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述热塑性聚合物片材包括聚己内酯片材、聚乳酸片材、聚丙烯片材中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述短纤维毡与热塑性聚合物片材的质量比为1：(5～15)。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述复合线材的直径≤1.8mm。
6.权利要求1～5任一所述制备方法制备得到的复合线材。
7.一种3D打印件，其特征在于，所述3D打印件的原料包括权利要求6所述复合线材。
8.权利要求7所述3D打印件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于，所述3D打印的打印厚度为0.45～1.5mm。
10.权利要求6所述复合线材或权利要求7所述3D打印件在航
...【技术特征摘要】
1.一种复合线材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述短纤维毡包括聚乳酸短纤维毡、短切碳纤维毡、短切玻璃纤维毡中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述热塑性聚合物片材包括聚己内酯片材、聚乳酸片材、聚丙烯片材中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述短纤维毡与热塑性聚合物片材的质量比为1：(5～15)。
5.根据权利要求1所述制备方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘家龙，邓智鹏，江大志，韩思敏，饶晨，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：
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