[发明专利]一种选择性激光烧结用聚丙烯粉末产品及其制备方法

说明书

本发明提供了一种选择性激光烧结用聚丙烯粉末产品及其制备方法，所述聚丙烯粉末粒径分布窄，球形度高，流动性好，经选择性激光打印不会发生翘曲变形，具有优异的选择性激光烧结表现，成型精度高。用选择性激光烧结工艺打印空心玻璃微珠填充的聚丙烯粉末，获得制件中空心玻璃微珠不会发生任何破碎，制件密度大幅降低，可有效实现材料轻量化，利用本发明所述偶联剂和相容剂，可以很好地改善空心玻璃微珠和聚丙烯之间的相容性，特殊的粉末混合工艺，使得空心玻璃微珠和聚丙烯在激光烧结后能够很紧密地结合在一起，力学性能，特别是刚性能够大幅增强，在力学制件领域有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及聚合物材料科学领域，进一步地说，涉及一种选择性激光烧结用聚丙烯粉末产品及其制备方法。

背景技术

3D打印技术又称增材制造工艺，涉及材料学、信息学、精密机械工程等多个方面，是一项具有“工业革命意义的制造技术”，在现代制造业中具有非常强的竞争力。现阶段，根据原材料和制造方式的不同，3D打印技术划分为熔融沉积成型、选择性激光烧结、立体光固化成型等多项具体工艺。3D打印技术的应用，大大拓展了材料成型的方法，消除了传统减材工艺对材料的浪费，能够在没有模具和夹具的情况下迅速制造出形状复杂的三维实体零件。

选择性激光烧结(SLS)是计算机根据模型文件操控激光选择性地烧结粉末，逐层制造叠加获得相应的三维实体零件。相比与其他3D打印工艺，SLS最突出的特点是材料利用率高和无需支撑，能够制造出精确的模型，可以成型具有可靠结构的零部件并可以直接使用，因此特别适合于新产品的开发。专利US 6136948中详细地描述了利用聚合物粉末制备三维实体的SLS方法。

SLS成型材料种类繁多，包括金属、陶瓷、聚合物材料等多种材料。其中，聚合物粉末具有成型温度低、烧结激光功率小、耗能小的优点。可是，成功应用于SLS工艺并制造出优良模塑品的聚合物粉末却非常有限，聚酰胺12粉末约占到整个SLS用聚合物粉末用量的95％，其他材料粉末鲜少应用，亟待开发更多种类的聚合物粉末材料。

为获得良好的成型效果，SLS工艺对粉末材料外观有严格的要求。当粉末粒径减小时，SLS制件就能够在更小的切片厚度下打印，阶梯效应的减小可获得更高的成型精度。此外，粉末粒径减小还可以提高单层粉末铺展的平整度，从而可以提高成型件的表面质量。通常，SLS要求粉末平均粒径在100μm以内，否则制件会存在非常明显的阶梯效应，而且表面非常粗糙。受制于静电作用，平均粒径小于10μm的粉末同样不适合SLS，铺粉非常困难。因此，为保证良好的铺粉效果和较高的成型精度，SLS要求PP粉末的粒径在10～100μm，形貌为表面光滑的球形以提高流动性。

聚丙烯(PP)是五大通用高分子材料之一，具有密度小、强度高、耐热、绝缘性好、化学性质稳定以及价格低廉等优点。然而，PP在熔融结晶过程中有较大的收缩，宏观上体现为制件体积收缩也非常大，这就造成PP在烧结过程中容易翘曲变形，制件成型精度较差，更为严重的是，这使得SLS加工的零部件脆性高，韧性低，易破损。专利CN 101602871对该问题进行了介绍。

轻量化是近年来汽车工业的发展趋势，可有效降低能源消耗、提供整车质量。车用聚合物材料轻量化是汽车轻量化最简便高效的一条途径。而对于材料轻量化，传统解决手段是降低矿物含量从而降低材料密度来实现，矿物填充可提高材料刚性，其含量降低在减重的同时会导致材料力学性能的衰减，给汽车安全带来风险。空心玻璃微珠具有中空结构，填充在材料当中能够实现材料整体密度的显著降低，但是传统的双螺杆混合工艺生产时，空心玻璃微珠脆弱的球壁极易挤压破碎，无法实现密度减小从而材料轻量化。另外，空心玻璃微珠与PP极性不同，相容性差，粘结不牢导致材料性能提升不明显。针对现有情况，需要开发新的生产工艺技术实现材料轻量化。

发明内容