[发明专利]快速原位复合3D打印复合材料高活性界面增强剂及制备方法

说明书

一种快速原位复合3D打印复合材料高活性界面增强剂及制备方法，针对连续纤维增强PLA及PA复合材料3D打印纤维‑树脂界面结合状态较差的问题，采用具有高反应活性的复配界面增强剂体系实现快速原位复合过程的界面强韧化，界面增强剂包括如下组分：含羧酸盐聚氨酯预聚物(2～5份)、含羧基碳纳米管(0.01～0.03份)、氧化石墨烯(0.01～0.03份)、表面活性剂(0.01～0.05份)、扩链剂(0.01～0.03份)、环氧树脂(0.02～0.05份)、去离子水(100份)。本发明通过增强剂的组分配伍在纤维表面引入羧基、羟基、环氧基及异氰酸酯基等官能团与PLA及PA发生化学键合、氢键作用或极性作用强化纤维‑树脂界面结合状态；采用水性聚氨酯作为增强剂主要成分，构建界面柔性缓冲层以改善界面韧性；利用改性碳纳米管及石墨烯等纳米组分对界面结合强度协同优化。

技术领域

本发明涉及一种快速原位复合3D打印PLA及PA复合材料高活性界面增强剂制备方法，针对连续纤维增强PLA及PA复合材料3D打印纤维-树脂界面结合状态较差的问题，采用具有高反应活性的复配界面增强剂体系实现快速原位复合过程的界面强韧化。本发明通过增强剂的组分配伍在纤维表面引入羧基、羟基、环氧基及异氰酸酯基等官能团与PLA及PA端基发生化学键合、氢键作用或极性作用强化纤维-树脂界面结合状态；采用水性聚氨酯作为增强剂主要成分，构建界面柔性缓冲层以改善界面韧性；利用改性碳纳米管及石墨烯等纳米组分对界面结合强度协同优化，属于复合材料技术领域，用于复合材料3D打印增强纤维表面的预处理。

背景技术

PLA及PA树脂是目前3D打印技术应用最多的热塑性树脂，主要应用于选区激光烧结(SLS)和熔融沉积成形(FDM)工艺，但是单一热塑性树脂力学性能、抗蠕变性及结构稳定性较差。纤维增强PLA及PA复合材料是解决单一热塑性树脂力学性能、抗蠕变性及结构稳定性问题的有效技术途径，美国、欧洲及日本等国已将纤维增强PA复合材料应用于汽车燃料箱、发动机喷油嘴、内燃机同步驱动齿轮、重型柴油机的齿轮、管接头等零件，波音飞机发动机气窗部件以及机舱门等一些部件采用碳纤维增强PA-66制造，美国MX导弹的发动机部件也采用碳纤维增强PA-66制造。连续纤维3D打印技术将连续纤维增强热塑性复合材料与3D打印技术有效结合，摆脱了传统工艺对大型设备及工装模具等工艺要素的过度依赖，能够实现复杂结构的高精度整体快速成型与实时功能集成制造，为树脂基复合材料构件的低成本、精细化、功能化、快速制造提供了一个有效的技术途径。

目前，连续纤维3D打印PLA及PA复合材料存在的主要问题是界面粘结强度较低，纤维-树脂在3D打印头内部快速原位复合导致树脂无法对纤维表面进行快速有效的浸渍，因而不能够有效发挥连续纤维增强复合材料的性能特点。针对热压/模压工艺制备复合材料，解决界面问题的方法是对碳纤维表面进行聚合物涂层处理再通过预浸渍工艺实现良好的界面结合，设计与树脂相匹配的上浆剂/增强剂是提高界面性能的关键。3D打印快速原位复合要求纤维表面界面涂层具有较高的反应活性能够在复合过程实现纤维与树脂的快速浸渍与有效结合，同时还需要通过不同组分的配伍实现复合材料界面强韧化。综合目前国内外文献报道可知目前尚没有用于3D打印复合材料快速原位复合的包含纳米粒子的水性聚氨酯高活性界面增强剂制备方法的公开报道。

发明内容

本发明提供了一种适用于连续纤维3D打印快速原位复合的PLA及PA复合材料高活性界面增强剂制备方法，具有反应活性高、水溶性好、环境友好等特点。

本项发明解决的技术问题是：针对连续纤维增强PLA及PA复合材料3D打印纤维-树脂界面结合状态较差的问题，采用具有高反应活性的复配界面增强剂体系实现快速原位复合过程的界面强韧化。

本发明的技术解决方案：一种快速原位复合3D打印复合材料高活性界面增强剂，包括如下质量分数的组分：