[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

说明书

(一)技术领域

本发明属于3D打印材料技术领域，具体涉及一种应用于熔融沉积造型技术(FDM)的高性能碳纤维增强聚乳酸3D打印材料及其制备方法。

(二)背景技术

3D打印技术又称增材制造技术，是快速成型技术的一种，兴起于20世纪80年代，它是一种以数字模型文件为基础，运用金属或塑料等可粘结材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。常见的3D打印技术包括熔融沉积造型技术(FDM)、固化成形技术(SLA)、叠层实体制造技术(LOM)和选择性激光烧结技术(SLS)等。目前常用的3D打印机是采用FDM技术的设备。

目前，市面应用于FDM打印机的材料主要有ABS、PLA等，ABS材料与PLA相比存在着打印时会产生难闻的气味影响环境、ABS打印大型零件模型时会产生翘曲变形、ABS打印温度高且需要在密闭环境中打印等许多缺点。PLA作为打印材料，其打印过程安全无毒、无气味，产品力学性能好，尺寸稳定性高，成本适中，是替代ABS最为理想的FDM打印材料。目前市场上已有PLA打印材料力学性能指标相对较低，难以满足实际工程应用的要求。

碳纤维是由有机纤维经过碳化得到的含碳量高于90％的无机高分子纤维，它具有高强高模的特点，是聚合物的最佳增强材料。目前，已有一些专利涉及聚乳酸/碳纤维复合材料，利用碳纤维的高导电性制备碳纤维增强抗静电聚乳酸复合材料。例如CN102532832A的专利申请公开了一种聚乳酸/碳纤维复合材料及其制备方法，该复合材料包括聚乳酸50-95份，改性碳纤维5-50份，抗氧剂0.05-1份，光稳定剂0.05-1份；经过熔融挤出造粒即得到该复合材料，主要提高聚乳酸的导电和抗冲性能；又如，CN101967271A的中国专利公开了一种短碳纤维增强抗静电聚乳酸复合材料及其制备方法。这些专利只是涉及碳纤维增强聚乳酸的抗静电产品和普通产品应用，到目前为止还没有碳纤维增强聚乳酸3D打印材料的相关报道。

(三)发明内容

本发明要解决的问题是：通过碳纤维的添加得到母体性能优异的材料，同时满足3D打印工艺对熔丝流动性能、熔丝融合性能和尺寸精度的要求，使打印材料的性能较普通PLA打印材料强度提高50％以上。

本发明的技术方案为：

一种碳纤维增强聚乳酸3D打印材料，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；所述的二甲基苯基膦酸盐具体例如：二甲基苯基膦酸锌或甲基苯基膦酸钡；所述的苯基膦酸盐具体例如：苯基膦酸锌或苯基膦酸镁；

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。

本发明中，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；