[發(fā)明專利]一種用于FDM 3D打印的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料細絲的制備方法

在審

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• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN108102120A
• 公開（公告）日: 2018-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 錢欣;錢凱瑤;陳玉龍;金楊福
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學
• 主分類號: C08J5/04
• 分類號: C08J5/04;B33Y70/00;C08L55/02;C08L67/04;C08L77/02;C08L69/00
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;王兵

本發(fā)明提出了一種應用于FDM 3D打印機的熱塑性樹脂基連續(xù)碳纖維細絲制備方法。該制備方法為：采用小絲束連續(xù)碳纖維，通過對碳纖維進行張力解束膨松、采用熱塑性樹脂5?15wt％稀溶液對碳纖維進行初浸潤、預干燥、采用熱塑性樹脂20?50wt％濃溶液對碳纖維進行再浸潤、第二次干燥使溶劑揮發(fā)達到70?80％的固含量、通過圓柱形模具對復合材料進行集束成型、再干燥達到溶劑的完全脫除、經(jīng)冷卻和收卷等工序形成直徑為1?3mm的連續(xù)碳纖維增強熱塑性3D打印細絲產(chǎn)品。該細絲力學性能優(yōu)異，可采用FDM 3D打印機打印形成高性能的復合材料制品。

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于3D打印熱塑性復合材料領(lǐng)域，具體涉及一種應用于熔融沉積造型技術(shù)(FDM)的連續(xù)碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料及其制備方法。

(二)背景技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種通過逐層打印的方式來構(gòu)造三維物體的快速成型技術(shù)，具有快速性、設(shè)計制造一體化、自由成型制造、技術(shù)高度集成性等優(yōu)勢。熔融沉積造型技術(shù)(FDM)作為應用最廣的3D打印技術(shù)，主要是以熱塑性樹脂制成的線材作為與其匹配的打印耗材。目前，市面上應用于FDM打印機的熱塑性耗材主要為PLA、ABS等。盡管其打印工藝性能良好，但是打印制品的強度相對較低，也容易發(fā)生翹曲變形，無法滿足工程領(lǐng)域?qū)Υ蛴≈破返囊?。因此，許多研究試圖利用高模高強的碳纖維為增強材料，開發(fā)高強度的3D打印復合材料。

目前，已有一些專利涉及短碳纖增強聚乳酸復合材料。如公開號為CN 106893281A的中國專利公開了一種生物可降解打印增強材料及制備方法，材料由下述重量份的組分組成：聚乳酸75-80份，碳纖維25-20份，增韌劑4-8份，相容劑0.2-0.5份，助劑0.1-0.2份，所述增韌劑為聚烯烴彈性體。上述共混物經(jīng)過熔融擠出造粒即得到碳纖維增強復合材料。但是由于熔融擠出過程中短切碳纖經(jīng)螺桿剪切作用后，其長度大幅度下降，導致實際增強效果并不明顯，而且短碳纖加入到基體后會嚴重削弱共混物的流動性，導致加工困難。

因此有學者便著眼于利用連續(xù)碳纖維來增強熱塑性樹脂來制備高性能復合材料。如公開號CN 105599302 A的中國專利公開了一種連續(xù)纖維熔融沉積打印方法及應用，其將連續(xù)纖維與聚合物共擠出制成連續(xù)纖維增強的打印線材，所述連續(xù)纖維平行于打印線材的軸線。但是該方法存在諸多問題，如樹脂熔體的粘度大，對纖維的浸漬效果并不理想，復合線材中碳纖維的含量低，打印制品性能不高，沒有完全發(fā)揮出連續(xù)纖維的優(yōu)異性能，且熱塑性樹脂長時間處于高溫熔融的環(huán)境下極易氧化降解從而影響復合材料性能。目前為止，并沒有采用溶液浸潤法直接來制備連續(xù)碳纖維增強熱塑性樹脂打印材料的相關(guān)報道。

(三)發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種應用于FDM 3D打印機的熱塑性樹脂連續(xù)碳纖維細絲的制備方法，用于解決現(xiàn)有短纖維增強熱塑性樹脂打印材料提升力學性能效果有限以及連續(xù)纖維經(jīng)熔融擠出后浸潤效果差導致力學性能不佳等缺陷。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種熱塑性樹脂基連續(xù)碳纖維3D打印細絲的制備方法，其特征在于，所述的方法具體按照以下步驟進行制備：

將連續(xù)碳纖維集束進行張力解束膨松，然后置于5-15wt％的熱塑性樹脂中初浸潤、在烘道中預干燥，之后置于20-50wt％的熱塑性樹脂濃溶液中再浸潤，然后在烘道中進行第二次干燥，所得產(chǎn)物在圓柱形口模中成型為截面為圓形的細絲，所得細絲在烘道中完全脫除溶劑，經(jīng)冷卻、收卷得到熱塑性樹脂基連續(xù)碳纖維3D打印細絲。

進一步，所述的碳纖維集束中的碳纖維是以聚丙烯腈為前驅(qū)體制備所得碳纖維。

再進一步，碳纖維集束由若干股碳纖維集束絲組成，所述的碳纖維集束絲中碳纖維單絲的直徑為7μm，單股碳纖維集束絲為1K-12K。

進一步，所述的熱塑性樹脂包括聚乳酸、聚苯乙烯-丁二烯-丙烯腈、聚酰胺6、聚酰胺66、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、熱塑性聚氨酯、聚苯硫醚的一種或各自對應的改性料。