[发明专利]回收碳纤维增强聚酰胺的3D打印线材及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种回收碳纤维增强聚酰胺的3D打印线材及制备方法与应用。主要针对目前现有的纤维增强热塑性树脂材料制备专利普遍存在的不适用性，开发出一种基于聚酰胺树脂自身性能和加工参数(温度、压力)探究、智能试错的方法来制备回收碳纤维增强聚酰胺材料的3D打印线材。与现有技术相比，本发明开发了一种全新的回收碳纤维再利用的方法，结合纤维增强在3D打印中的重要积极作用，一方面提高了热塑性高分子聚合物的打印产品的力学性能，为其实现工业化应用提供了可能，又变废为宝，扩大了回收碳纤维再利用的适用范围。

技术领域

本发明涉及材料科学领域，尤其是一种回收碳纤维增强聚酰胺的3D打印线材及制备方法与应用。

背景技术

熔融沉积式3D打印(FDM)是将丝状的热塑性材料进行加热融化并通过逐层堆积形成3维物件的方式。3D打印线材是FDM的关键，线材的质量直接影响最终的打印效果。目前3D打印线材主要以热塑性高分子聚合物(简称：树脂)为主,如聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚已内酯(PCL)、热塑性聚氨酯(TPU)和聚醚醚酮(PEEK)等。大多数的热塑性打印材料都存在强度不够，韧性小，延伸率小的特点(如PLA和ABS)，因此热塑性材料打印只能用于对于力学性能要求不高的模型产品的打印制造。而诸如PA和PEEK这类力学性能较好的材料又存在热变形大和不宜成型的问题。为了满足FDM打印产品的工业应用，许多研究者开发出纤维增强热塑性材料打印丝，提高了热塑性材料的力学性能、材料的成形性和热导率。如公司推出了一款基于纤维粘合技术的碳纤维增强PA6(PolyMide PA6-CF)，其具有高强度，抗冲击性和热变形(215℃)的特点，适用于电子夹具和固定装置以及汽车应用的生产。美国能源部橡树岭国家实验室合成了一种木质素增强PA复合打印丝，既提高了PA的刚度，又提高了PA的成形性(降低了PA的熔体黏度)，同时由于木质素是生产生物燃料的副产品，该技术为纤维素工业界提供了新的思路。

与此同时，碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)因其质轻高强、耐腐蚀性高、力学性能设计性灵活等特点，在航空航天、战略武器、海洋工程装备、先进轨道交通等领域中得到广泛的应用。近年来，我国在军用CFRP研发的同时，在轻量化新能源汽车、体育用品和风力发电等民用领域也大量应用CFRP。可以预见到未来的几年到十几年之后，将有大量的CFRP废弃物。另外，由于CFRP制造的特殊性，生产中因边角废料生成的废弃物占到了生产总量的30％-50％，这些CFRP的废弃物不易分解，对环境造成了较大压力。目前的碳纤维废弃物采用回收再熔体成型的方法再利用(如注塑、模压、层压、缠绕和拉挤成型等)。

本专利开发了一种全新的回收碳纤维再利用的方法，结合纤维增强在3D打印中的重要积极作用，一方面提高了热塑性高分子聚合物的打印产品的力学性能，为其实现工业化应用提供了可能，又变废为宝，扩大了回收碳纤维再利用的适用范围。

目前基于回收碳纤维增强聚酰胺打印丝线材的制造研究尚属空白，专利CN201510777154开发了一种石墨烯粉末增强ABS打印线材的制备方法，为了解决石墨烯团聚和熔融后再聚造成打印丝中石墨烯粉末分散效果不佳的问题，制造过程中ABS树脂多次熔融、喷射、脱模并加入大量偶联剂，不仅制造方法复杂，而且多次的树脂的熔融增加了树脂的热历史，加速了其劣化，一定程度上降低了打印产品的力学性能。

专利CN201611145849公开了一种天然麻纤维增强PLA混纺再共融挤出的打印线材制造方法，该方法一般适用于麻纤维毛毡的加工，但由于回收碳纤维一般以0.3-0.6mm的团聚状短切碳纤维为主，因此并不适用于回收碳纤维增强热塑性树脂的打印线材制造。