[发明专利]一种碳纤维增强聚乳酸3D打印材料及其制备方法

权利要求书

1.一种碳纤维增强聚乳酸3D打印材料，其特征在于，所述材料由如下重量份的原料组成：

聚乳酸60～80份、增韧剂5～15份、相容剂2～10份、改性碳纤维5～25份、抗氧剂0.1～2份、抗水解剂0.5～2份、结晶成核剂0.05～1份、流动性调节剂0.5～3份、熔体融合增强剂0.2～2份；

其中，所述的聚乳酸为左旋聚乳酸、右旋聚乳酸或混旋聚乳酸，分子量为15万～50万，熔体流动速率为5～20克/10分钟；

所述的增韧剂为聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯中的一种或两种以任意比例的混合物；

所述的相容剂为苯乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯二元共聚物或苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯的三元共聚物；

所述的改性碳纤维由碳纤维经过氧化和表面接枝改性处理得到，所述氧化采用的试剂为硫酸、硝酸、高氯酸中的一种或两种以上任意比例的混合物，所述表面接枝采用的试剂为硅烷偶联剂；所述的碳纤维选自聚丙烯腈碳纤维或沥青碳纤维，所述的碳纤维为短切纤维，单束线密度50～1000克/千米，长度1～10mm；

所述的抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、1,3,5-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)异氰尿酸、三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯、双(2,4-二叔丁基苯酚)季戊四醇二亚磷酸酯中的一种或两种以上任意比例的混合物；

所述的抗水解剂为N,N'-二(2,6-二异丙基苯基)碳二亚胺；

所述的结晶成核剂为二甲基苯基膦酸盐、苯基膦酸盐中的一种或两种以任意比例的混合物；

所述的流动性调节剂为己二酸二丁基二甘酯或柠檬酸三丁酯；

所述的熔体融合增强剂为松香树脂、萜烯树脂、石油树脂中的一种或两种以上任意比例的混合物。

2.如权利要求1所述的碳纤维增强聚乳酸3D打印材料，其特征在于，所述的结晶成核剂中，所述的二甲基苯基膦酸盐为二甲基苯基膦酸锌或二甲基苯基膦酸钡；所述的苯基膦酸盐为苯基膦酸锌或苯基膦酸镁。

3.如权利要求1所述的碳纤维增强聚乳酸3D打印材料，其特征在于，所述碳纤维的氧化和表面接枝改性处理的方法为：

(A)氧化：将碳纤维和30wt％～80wt％氧化剂溶液混合，在30～60℃下氧化30～160min，氧化后的碳纤维先用去离子水冲洗，再于60～100℃下真空干燥5～8h，备用；

所述的氧化剂为硫酸、硝酸、高氯酸中的一种或两种以上任意比例的混合物；所述氧化剂溶液的体积用量以碳纤维的质量计为10～50mL/g；

(B)接枝：将经过步骤(A)处理的碳纤维与硅烷偶联剂加入搅拌机中，在常温、搅拌机搅速为500～1500转/分钟条件下混合5～15min，得到混合物，再将所得混合物置于真空烘箱内，在60～100℃下进行接枝反应1～3h，即得所述的改性碳纤维；

所述的硅烷偶联剂为甲基三甲氧硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基甲基二甲基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或两种以上任意比例的混合物；所述硅烷偶联剂的质量用量为碳纤维质量的1％～10％。

4.如权利要求3所述的碳纤维增强聚乳酸3D打印材料，其特征在于，步骤(B)中，所述的硅烷偶联剂用4～6倍质量的无水乙醇稀释后加入。

5.一种如权利要求1所述的碳纤维增强聚乳酸3D打印材料的制备方法，所述的制备方法为：

(1)按照配方，将聚乳酸、增韧剂、相容剂、改性碳纤维、抗氧剂、抗水解剂、结晶成核剂、流动性调节剂、熔体融合增强剂加入混合机中，在混合机转速为500～3000转/分钟的条件下混合2～10min，得到混合物料；

(2)将步骤(1)得到的混合物料加入同向旋转混炼双螺杆挤出机中混炼挤出，挤出机温度控制在140～230℃，挤出物料依次经拉条、冷却、吹干、切粒工序制成粒料；

(3)步骤(2)制备的粒料经单螺杆挤出机挤出制备成丝材收卷，即得所述的碳纤维增强聚乳酸3D打印材料；挤出过程温度控制在120～210℃。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的丝材直径为1.75mm或3mm。