CN104109343A

CN104109343A - 一种高流动性塑料复合粉体材料及其制备方法

Info

Publication number: CN104109343A
Application number: CN201410376493.9A
Authority: CN
Inventors: 饶先花; 范树迁; 段宣明
Original assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Current assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2014-10-22

Abstract

本发明公开了一种高流动性塑料复合粉体材料及其制备方法，该复合粉体材料包括塑料基体材料与纤维增强组分；所述塑料基体材料为聚丙烯PP、ABS、聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳醚酮、聚醚砜、聚苯硫醚及聚四氟乙烯中的一种或几种；所述纤维增强组分为玻璃纤维、碳纤维、碳纤维粉、矿物纤维粉、芳纶纤维、陶瓷纤维及硼纤维中的一种或几种；所述纤维增强组分的添加量为0.01～30％，体积分数为0～40％；本发明先对纤维增强组份进行偶联改性，再将改性后的纤维增强组份与塑料粉末基体混合获得复合粉体材料，增加了塑料粉末的流动性及激光能量吸收效率，还提高了粉末的堆积密度，增强了烧结材料的机械性能及热稳定性，材料来源广泛，制备过程简单，效果十分显著。

Description

一种高流动性塑料复合粉体材料及其制备方法

技术领域

本发明属于塑料复合材料领域，涉及一种高流动性塑料复合粉体材料及其制备方法。

背景技术

快速增材制造技术又称为“3D打印技术”,是当前受到高度关注的新制造技术，与机器人技术、人工智能等一起被称为推动第三次工业革命的关键技术。选择性激光烧结(SLS)是3D打印中的一项非常重要的技术。SLS工艺是一种基于离散/堆积成形原理，集计算机、数控、激光和新材料等新技术为一体，有选择地对金属或非金属粉末材料进行烧结来快速制备产品。聚合物SLS技术烧结所需的激光功率小、不受零件形状复杂程度的限制，可精确快速还原设计理念，能直接加工成型近致密零件、功能测试件，完全突破了传统制造技术的限制，在近年来获得快速发展。在SLS工艺中，要实现高烧结精度，要求聚合物材料能被制成平均粒径在10-250um之间的球形粉末材料，这样的材料流动性好，松装密度高。

塑料成型所用能源为CO2激光，成型过程中利用激光高能光速对材料有选择地扫描，粉末材料吸收的激光能量通过激光光子与粉末材料内部的基本能量粒子进行相互碰撞，使材料吸收光能后温度升高，将能量在极短的瞬间内转化为热能并逐渐向内部传递；具有足够功率密度的激光束快速加热材料表面，使其达到想变温度并熔化，融化后热量在粉末中传递；但材料内部却基本保持冷却状态，这主要是由于激光束发出的能量并不能完全被塑料材料吸收，还有部分光能被材料表面反射掉，导致辐射到材料表面的激光功率密度较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种粉末流动性强、激光能量吸收效率高的塑料复合粉体材料及其制备方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高流动性塑料复合粉体材料，该复合粉体材料包括塑料基体材料与纤维增强组分；所述塑料基体材料为聚丙烯PP、ABS、聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳醚酮、聚醚砜、聚苯硫醚及聚四氟乙烯中的一种或几种，塑料基体材料的粒径大小为10～250μm；所述纤维增强组分为玻璃纤维、碳纤维、矿物纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维及硼纤维中的一种或几种；所述纤维增强组分的添加量为0.01～30％，体积分数为0～40％。

进一步，所述纤维增强组分为经过偶联剂改性的纤维增强组分或未经过偶联剂改性的纤维增强组分。

进一步，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铬络合物偶联剂及锆偶联剂中的一种或几种。

进一步，所述纤维增强组分的体积分数为10～20％。

进一步，所述纤维增强组分的添加量为5～10％。

进一步，所述复合粉体材料的粒径大小为10～250μm。

进一步，所述复合粉体材料的粒径大小为40～100μm。

进一步，所述复合粉体材料内的纤维长度与复合粉体材料的粒径之比为0.8～1.5。

本发明还提供一种制备上述高流动性塑料复合粉体材料的方法，主要包括以下步骤：(1)选取纤维增强组分，进行纤维增强组分的偶联剂改性，改性过程为：将纤维增强组分溶于5～10倍的乙醇与偶联剂混合液中，然后加热3～5小时，除掉混合液，烘干，获得经过改性的纤维增强材料；(2)利用高速混合机将纤维增强材料与塑料基体材料混合，获得复合粉体材料。

本发明的有益效果在于：本发明通过对塑料粉末基体添加纤维增强组份来制备复合粉体材料，不仅增加了塑料粉末的流动性及激光能量吸收效率，巧妙地解决了塑料粉末材料流动性差问题，还提高了粉末的堆积密度，增强了烧结材料的机械性能及热稳定性，材料的收缩率降低，制件的尺寸稳定性提高，材料来源广泛，制备过程简单，效果十分显著。

具体实施方式

下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本实施例所述的高流动性塑料复合粉体材料，该复合粉体材料包括塑料基体材料与纤维增强组分；所述塑料基体材料为聚丙烯PP、ABS、聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳醚酮、聚醚砜、聚苯硫醚及聚四氟乙烯中的一种或几种；所述纤维增强组分为玻璃纤维、碳纤维、矿物纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维及硼纤维中的一种或几种；其中，塑料基体材料的粒径大小为10～250μm，复合粉体材料的粒径大小为10～250μm，纤维增强组分的添加量为0.01～30％，体积分数为0～40％。

本实施例中的纤维增强组分为经过偶联剂改性的纤维增强组分，改性后的纤维增强组份可以提高塑料基体材料的能量吸收效率，提高比例为3％～10％。其中，偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铬络合物偶联剂及锆偶联剂中的一种或几种。

优选的，所述纤维增强组分的添加量为5～10％，体积分数为10～20％。

优选的，所述复合粉体材料的粒径大小为40～100μm。

特别的，所述复合粉体材料内的纤维长度与复合粉体材料的粒径之比为0.8～1.5。

一种高流动性塑料复合粉体材料的制备方法，主要包括步骤(1)选取纤维增强组分，进行纤维增强组分的偶联剂改性，改性过程为：将纤维增强组分溶于5～10倍的乙醇与偶联剂混合液中，然后加热3～5小时，除掉混合液，烘干，获得经过改性的纤维增强材料；(2)利用高速混合机混合纤维增强材料与塑料基体材料，使增强纤维嵌入由塑料基体材料组成的粉末颗粒中，获得复合粉体材料。

实施例1

1)选取70份平均粒径为100μm的PEEK树脂粉粒，28份平均粒径为150μm的碳纤维粉粒，其中PEEK树脂粉粒采用气流粉碎方法制备，碳纤维粉粒采用高能球磨方法制备；

2)将2.5份硅烷偶联剂溶于5～10倍的乙醇溶液中，再将步骤1)中的碳纤维粉粒混入混合溶液中，加热3小时，除掉偶联剂和溶剂，烘干；

3)将步骤1)所选的PEEK树脂粉粒、步骤2)改性的碳纤维粉粒通过高速混合设备混合，得到PEEK树脂复合粉体材料；

4)采用选择性激光烧结方法，烧结出标准哑铃形实验样条。

实施例2

1)选取89份平均粒径为130μm的PPS树脂粉粒，9份平均粒径为150μm的玻璃纤维粉粒，其中PPS树脂粉粒采用气流粉碎方法制备，玻璃纤维粉粒采用高能球磨方法制备；

2)将2份钛酸酯偶联剂溶于5～10倍的乙醇溶液中，再将步骤1)中的玻璃纤维粉粒混入混合溶液中，加热3小时，除掉偶联剂和溶剂，烘干；

3)将步骤1)所选的PPS树脂粉粒、步骤2)改性的玻璃纤维粉粒通过高速混合设备混合，得到PPS树脂复合粉体材料；

4)采用选择性激光烧结方法，烧结出标准哑铃形实验样条。

实施例3

1)选取60份平均粒径为30μm的PA12树脂粉粒，38份平均粒径为50μm的玻璃纤维粉粒，其中PA12树脂粉粒采用气流粉碎方法制备，玻璃纤维粉粒采用高能球磨方法制备；

2)将2.5份硅烷偶联剂溶于5～10倍的乙醇溶液中，再将步骤1)中的玻璃纤维粉粒混入混合溶液中，加热3小时，除掉偶联剂和溶剂，烘干；

3)将步骤1)所选的PA12树脂粉粒、步骤2)改性的玻璃纤维粉粒通过高速混合设备混合，得到PA12树脂复合粉体材料；

4)采用选择性激光烧结方法，烧结出标准哑铃形实验样条；

利用上述三种方法所获得的复合粉体材料与原树脂粉料在材料性能方面的对比情况如下表所示：

	PEEK	PEEK+碳纤维	PPS	PPS+玻璃纤维	PA12	PA12+玻纤维
							粉末流动性BFE(mJ)	39.5	30	44	32	35	29
激光能量吸收率％	80％	85％	70％	75％	78％	82％
							粉末堆积密度	0.5	0.65	0.45	0.5	0.4	0.55
拉伸强度(MPa)	100	180	80	120	90	130
							拉伸模量(GPa)	2.7	5	2.9	4	3	3.5
Td⁵(℃)	450	500	410	430	350	380
							材料收缩率(％)	0.6	0.2	0.7	0.4	0.9	0.7

从上表中可以看出，添加了纤维材料的树脂粉末流动性及材料收缩率较未添加时有明显下降，激光能量吸收效率、粉末堆积密度、拉伸强度、拉伸模量及Td⁵也有上升，其中拉伸强度的上升量尤其明显，而上述各点均对工件的表面质量及工件性能有着直接影响；本发明通过对塑料粉末基体添加纤维增强组份来改善塑料粉末的流动性及激光能量吸收效率，使其更适用于SLS烧结。

上述实施例只选取了部分塑料粉末、纤维材料及偶联剂，但对于其他种类的塑料粉末、纤维材料及偶联剂也同样适用。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种高流动性塑料复合粉体材料，其特征在于：该复合粉体材料包括塑料基体材料与纤维增强组分；所述塑料基体材料为聚丙烯PP、ABS、聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳醚酮、聚醚砜、聚苯硫醚及聚四氟乙烯中的一种或几种，塑料基体材料的粒径大小为10～250μm；所述纤维增强组分为玻璃纤维、碳纤维、矿物纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维及硼纤维中的一种或几种；所述纤维增强组分的添加量为0.01～30％，体积分数为0～40％。

2.根据权利要求1所述的高流动性塑料复合粉体材料，其特征在于：所述纤维增强组分为经过偶联剂改性的纤维增强组分或未经过偶联剂改性的纤维增强组分。

3.根据权利要求2所述的高流动性塑料复合粉体材料，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铬络合物偶联剂及锆偶联剂中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的高流动性塑料复合粉体材料，其特征在于：所述纤维增强组分的体积分数为10～20％。

5.根据权利要求1所述的高流动性塑料复合粉体材料，其特征在于：所述纤维增强组分的添加量为5～10％。

6.根据权利要求1所述的高流动性塑料复合粉体材料，其特征在于：所述复合粉体材料的粒径大小为10～250μm。

7.根据权利要求6所述的高流动性塑料复合粉体材料，其特征在于：所述复合粉体材料的粒径大小为40～100μm。

8.根据权利要求1所述的高流动性塑料复合粉体材料，其特征在于：所述复合粉体材料内的纤维长度与复合粉体材料的粒径之比为0.8～1.5。

9.一种制备如权利要求1-8任一项所述的高流动性塑料复合粉体材料的方法，其特征在于主要包括以下步骤：(1)选取纤维增强组分，进行纤维增强组分的偶联剂改性，改性过程为：将纤维增强组分溶于5～10倍的乙醇与偶联剂混合液中，然后加热3～5小时，除掉混合液，烘干，获得经过改性的纤维增强材料；(2)利用高速混合机将纤维增强材料与塑料基体材料混合，获得复合粉体材料。