CN105295323A - 一种石墨烯3d打印线材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯3D打印线材及其制备方法，所述的石墨烯3D打印线材由功能化石墨烯粉末和热塑性树脂组成。其制备过程为：首先将热塑性树脂粉末倒入宽度可调的金属模具型腔中，刮平、加热，获得熔融的薄膜基材，然后采取微粉喷射的方式将功能化石墨烯粉末喷射到薄膜基材中，经一次冷却、脱模，获得不同宽度的石墨烯线材预制体，最后将这些预制体有序组装在一起，并放入带有孔洞的金属模具中，在加热条件下挤压，使之变形、融合在一起，经二次冷却后获得所需的石墨烯3D打印线材。该方法制得的石墨烯3D打印线材具有良好的力学性能、导电性能和柔韧性，并易于实现规模化生产和控制成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯3D打印线材及其制备方法。属于非金属材料成形制造技术领域，具体为功能化石墨烯粉末的制备、薄膜基材制备、微粉喷射、一次冷却、脱模、预制体组装、加热挤压变形、二次冷却等多个工艺环节。
背景技术
3D打印线材是熔融沉积制造(FDM)特有的使用材料形式，一般是热塑性材料，如ABS、PLA、尼龙、聚碳酸酯等，以丝状供料，材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。但这种线材存在两个缺点：其一，强度不高，打印出来的产品只能作为参观物，很难广泛用于机械部件；其二，难以满足打印元器件日益增长的功能化需求：如复杂三维导电电路、电子屏蔽器件等。
石墨烯具有良好的导电性、导热性、化学稳定性和机械特性，但由于其表面能高，极易产生团聚现象，从而导致在基材中分散不均匀，分散范围不可控。目前，分散方法主要有：原位聚合法、溶液法、机械混合法；原位聚合法制备石墨烯复合材料时，将基材聚合过程、石墨剥离过程和石墨烯分散过程相统一，一步完成，大大缩减了制备过程所需时间，又能得到分散较为均匀的石墨烯纳米复合材料，但这种方法反应条件较为苛刻，适用范围有限，限制了它的广泛应用；溶液法分散性较好，能够制备出高浓度的母料，但由于要用到大量有机溶剂，又难以回收利用，对环境不是很友好；相比较上述两种方法，机械共混制备法具有通用性、环保性和经济性，不过该方法仍很难实现石墨烯在聚合物基体中的良好分散，导致材料力学性能得不到明显提高，甚至导致一定的降低。随着现代工业对通用性、环保性、经济性和石墨烯分散范围的可控性等苛刻要求的增多，上述三种工艺方法难以满足要求。
发明内容
本发明目的在于提供了一种石墨烯3D打印线材及其制备方法，经功能化石墨烯的制备、薄膜基材制备、微粉喷射、一次冷却、脱模、预制体组装、加热挤压变形、二次冷却形成具有导电性良好、抗拉强度高、柔韧性佳的石墨烯3D打印线材。
微粉喷射作为一种新的分散方法，具有工艺简单、分散范围可控且分散均匀、对环境无污染等特点。其分散范围为圆形区域，喷射的微粉在近圆心处密集，远圆心处稀疏。如图1所示，喷射区域都遵循上述规律。熔融树脂薄膜的宽度和金属模具型腔的宽度D是一致的，在生产过程中，通过调节金属模具型腔宽度D的大小来获得不同宽度的熔融树脂薄膜，经喷射后，最终获得不同宽度的预制体。喷射时，取密集处进行微粉喷射，会出现薄膜上中间大部分区域密集，两边小部分区域稀疏的情况，通过控制喷射区域间距L来调节重叠区域的大小，使两个相邻喷射区域的稀疏区域部分重合，从而使薄膜中喷射区域两边的小部分稀疏处变得密集且均匀，如此，使得整个喷射区的微粉密集和均匀程度保持一致，达到分散范围可控的要求，使功能化石墨烯粉末在熔融树脂薄膜中起到相对均匀的分散效果。
本发明是这样实现上述目的的：
(1)功能化石墨烯的制备
制备功能化石墨烯粉末，该功能化石墨烯粉末的质量分数组成为偶联剂：石墨烯＝0.006～0.02；
上述偶联剂为γ-氨基三乙氧基硅烷偶联剂。
在烧杯中将高倍率膨胀石墨粉末、偶联剂和溶剂混合，放入磁力搅拌器中，搅拌速度100～150r/min，搅拌时间为20～40min，将各物质混合均匀；然后放入180w、40khz超声波清洗器中，60℃～70℃水浴条件下超声5～10h；最后将所得混合液干燥、研磨，制得功能化石墨烯粉末；
按质量计，上述高倍率膨胀石墨为1～10份，偶联剂为0.006～0.2份，溶剂89～99份。其中膨胀石墨倍率为800～1000。
上述溶剂为水和乙醇的混合物，其质量比为0.10～0.45。
(2)薄膜基材制备
将热塑性树脂粉末倒入宽度可调的金属模具型腔中，铺平后，进行加热，使之熔融，刮平，获得熔融树脂薄膜基材；
上述热塑性树脂粉末粒径为60目。
上述金属模具型腔宽度可调，通过调节模具宽度，可以生产出不同宽度的预制体。
上述铺平方式和刮平方式均为滚动式。
上述加热方式为电阻加热或电磁感应加热，加热温度为170℃～230℃，熔融树脂薄膜基材厚度为0.1～0.6mm，宽度为0.2～3.5mm。
(3)微粉喷射
将功能化石墨烯粉末以微粉喷射的方式均匀喷射到熔融树脂薄膜基材中；
上述微粉喷射的原理如图1所示，微粉稀疏区的叠加和微粉密集区构成树脂薄膜上的最终喷射区，实现分散范围可控，达到功能化石墨烯粉末在薄膜基材中相对均匀分散的良好效果。
上述微粉喷射工艺参数：喷管出口直径为2～6mm，喷射速度为220～800m/s，喷射压强为0.2～0.8Mpa，喷射距离为10～40mm。
(4)一次冷却、脱模
在空气中进行一次冷却，脱模后获得石墨烯线材预制体；
上述一次冷却过程在空气中进行，冷却温度为20℃～24℃。
上述过程通过调节金属模具型腔宽度，多次进行，得到不同宽度的石墨烯线材预制体。
(5)预制体组装
将步骤4)制得的多个预制体有序叠合，从而组装在一起，原理如图2所示；
上述有序叠合就是将不同宽度的预制体，在宽度方向上，按照中间宽、两边渐窄的原则叠放，从而形成如图2所示截面为“锯齿圆”的线材。其中“锯齿圆”直径1.8～3.6mm。
上述预制体叠合组装的总层数为5～20层。
(6)加热挤压变形
将步骤5)中组装好的线材放入带有孔洞的金属模具中，在加热条件下挤压，使之变形、融合在一起；
上述金属模具孔洞大小为1.75～3.5mm。
上述加热挤压参数：温度为60℃～120℃，压力为10～20N。
(7)二次冷却
在空气中对线材进行二次冷却，得到最终制品。
上述二次冷却过程在空气中进行，冷却温度为20℃～24℃。
本发明的优点在于：
(1)采用微粉喷射的工艺，在满足制备过程中通用性、环保性和经济性要求的同时，能够使得功能化石墨烯粉末分散范围可控，从而保证了功能化石墨烯粉末在熔融树脂薄膜中获得相对均匀的分散效果；
(2)采用预制体组装、加热挤压变形的方法，既能满足喷射工艺的需求，又能够避免薄膜基材完全熔融后，石墨烯粉末再团聚的问题；
(3)本发明可以在实际工艺生产上实现大批量、高效率、低成本制造石墨烯3D打印线材。
附图说明
图1微粉喷射原理示意图，其中，1.喷射区域，2.熔融树脂薄膜基材，3.重叠区域。
图2预制体组装原理示意图，其中，4.宽度向上预制体截面，5.界面为“锯齿圆”的线材。
图3石墨烯3D打印线材制备工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
(1)功能化石墨烯的制备
制备功能化石墨烯粉末，该功能化石墨烯粉末的质量分数组成为偶联剂：石墨烯＝0.01；
上述偶联剂为γ-氨基三乙氧基硅烷偶联剂。
在烧杯中将高倍率膨胀石墨粉末、偶联剂和溶剂混合，放入磁力搅拌器中，搅拌速度120r/min，搅拌时间为30min，将各物质混合均匀；然后放入180w、40khz超声波清洗器中，70℃水浴条件下超声6h；最后将所得混合液干燥、研磨，制得功能化石墨烯粉末；
按质量计，上述高倍率膨胀石墨为5份，偶联剂为0.05份，溶剂94.95份。其中膨胀石墨倍率为900～1000。
上述溶剂为水和乙醇的混合物，其质量比为0.43。
(2)薄膜基材制备
将聚乳酸树脂粉末倒入宽度可调的金属模具型腔中，铺平后，进行加热，使之熔融，刮平，获得熔融树脂薄膜基材；
上述热塑性树脂粉末粒径为60目。
上述金属模具型腔宽度可调，通过调节模具宽度，可以生产出不同宽度的预制体。
上述铺平方式和刮平方式均为滚动式。
上述加热方式为电阻加热，加热温度为200℃，熔融树脂薄膜基材厚度为0.36mm，宽度依次为1mm、1.44mm、1.76mm、1.44mm、1mm。
(3)微粉喷射
将功能化石墨烯粉末以微粉喷射的方式均匀喷射到熔融树脂薄膜基材中；
上述微粉喷射的原理如图1所示，微粉稀疏区的叠加和微粉密集区构成树脂薄膜上的最终喷射区，实现分散范围可控，达到功能化石墨烯粉末在薄膜基材中相对均匀分散的良好效果。
上述微粉喷射工艺参数：喷管出口直径为3mm，喷射速度为500m/s，喷射压强为0.5Mpa，喷射距离为25mm。
(4)一次冷却、脱模
在空气中进行一次冷却，脱模后获得石墨烯线材预制体；
上述一次冷却过程在空气中进行，冷却温度均为24℃。
上述过程通过调节金属模具型腔宽度，多次进行，得到不同宽度的石墨烯线材预制体。
(5)预制体组装
将步骤4)制得的多个预制体有序叠合，从而组装在一起，原理如图2所示；
上述有序叠合就是将不同宽度的预制体，在宽度方向上，按照中间宽、两边渐窄的原则叠放，从而形成截面为“锯齿圆”的线材，“锯齿圆”直径1.8mm。
上述预制体叠合组装的总层数为5层。
(6)加热挤压变形
将步骤5)中组装好的线材放入带有孔洞的金属模具中，在加热条件下挤压，使之变形、融合在一起；
上述金属模具孔洞大小为1.75mm。
上述加热挤压参数：温度为100℃，压力为15N。
(7)二次冷却
在空气中对线材进行二次冷却，得到最终制品。
上述二次冷却过程在空气中进行，冷却温度均为24℃。
上述最终制品为石墨烯3D打印线材，在24℃温度下，其抗拉强度为58.7Mpa，体积电阻率为1.2Ω/cm，柔韧度为0.025mm。
实施例2
(1)功能化石墨烯的制备
制备功能化石墨烯粉末，该功能化石墨烯粉末的质量分数组成为偶联剂：石墨烯＝0.015；
上述偶联剂为γ-氨基三乙氧基硅烷偶联剂。
在烧杯中将高倍率膨胀石墨粉末、偶联剂和溶剂混合，放入磁力搅拌器中，搅拌速度120r/min，搅拌时间为30min，将各物质混合均匀；然后放入180w、40khz超声波清洗器中，70℃水浴条件下超声6h；最后将所得混合液干燥、研磨，制得功能化石墨烯粉末；
按质量计，上述高倍率膨胀石墨为8份，偶联剂为0.12份，溶剂91.88份。其中膨胀石墨倍率为900～1000。
上述溶剂为水和乙醇的混合物，其质量比为0.43。
(2)薄膜基材制备
将聚乳酸树脂粉末倒入宽度可调的金属模具型腔中，铺平后，进行加热，使之熔融，刮平，获得熔融树脂薄膜基材；
上述热塑性树脂粉末粒径为60目。
上述金属模具型腔宽度可调，通过调节模具宽度，可以生产出不同宽度的预制体。
上述铺平方式和刮平方式均为滚动式。
上述加热方式为电阻加热，加热温度为200℃，熔融树脂薄膜基材厚度为0.3mm，宽度依次为1mm、1.59mm、2.08mm、2.32mm、2.32mm、2.08mm、1.59mm、1mm。
(3)微粉喷射
将功能化石墨烯粉末以微粉喷射的方式均匀喷射到熔融树脂薄膜基材中；
上述微粉喷射的原理如图1所示，微粉稀疏区的叠加和微粉密集区构成树脂薄膜上的最终喷射区，实现分散范围可控，达到功能化石墨烯粉末在薄膜基材中相对均匀分散的良好效果。
上述微粉喷射工艺参数：喷管出口直径为4mm，喷射速度为600m/s，喷射压强为0.6Mpa，喷射距离为20mm。
(4)一次冷却、脱模
在空气中进行一次冷却，脱模后获得石墨烯线材预制体；
上述一次冷却过程在空气中进行，冷却温度均为24℃。
上述过程通过调节金属模具型腔宽度，多次进行，得到不同宽度的石墨烯线材预制体。
(5)预制体组装
将步骤4)制得的多个预制体有序叠合，从而组装在一起，原理如图2所示；
上述有序叠合就是将不同宽度的预制体，在宽度方向上，按照中间宽、两边渐窄的原则叠放，从而形成截面为“锯齿圆”的线材，“锯齿圆”直径2.4mm。
上述预制体叠合组装的总层数为8层。
(6)加热挤压变形
将步骤5)中组装好的线材放入带有孔洞的金属模具中，在加热条件下挤压，使之变形、融合在一起；
上述金属模具孔洞大小为2.3mm。
上述加热挤压参数：温度为100℃，压力为18N。
(7)二次冷却
在空气中对线材进行二次冷却，得到最终制品。
上述二次冷却过程在空气中进行，冷却温度均为24℃。
上述最终制品为石墨烯3D打印线材，在24℃温度下，其抗拉强度为61.3Mpa，体积电阻率为1.12Ω/cm，柔韧度为0.03mm。
实施例3
(1)功能化石墨烯的制备
制备功能化石墨烯粉末，该功能化石墨烯粉末的质量分数组成为偶联剂：石墨烯＝0.02；
上述偶联剂为γ-氨基三乙氧基硅烷偶联剂。
在烧杯中将高倍率膨胀石墨粉末、偶联剂和溶剂混合，放入磁力搅拌器中，搅拌速度140r/min，搅拌时间为30min，将各物质混合均匀；然后放入180w、40khz超声波清洗器中，70℃水浴条件下超声7h；最后将所得混合液干燥、研磨，制得功能化石墨烯粉末；
按质量计，上述高倍率膨胀石墨为10份，偶联剂为0.2份，溶剂8.98份。其中膨胀石墨倍率为900～1000。
上述溶剂为水和乙醇的混合物，其质量比为0.4。
(2)薄膜基材制备
将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂粉末倒入宽度可调的金属模具型腔中，铺平后，进行加热，使之熔融，刮平，获得熔融树脂薄膜基材；
上述热塑性树脂粉末粒径为60目。
上述金属模具型腔宽度可调，通过调节模具宽度，可以生产出不同宽度的预制体。
上述铺平方式和刮平方式均为滚动式。
上述加热方式为电阻加热，加热温度为210℃，熔融树脂薄膜基材厚度为0.25mm，宽度依次为1mm、1.66mm、2.24mm、2.6mm、2.83mm、2.96mm、2.96mm、2.83mm、2.6mm、2.24mm、1.66mm、1mm。
(3)微粉喷射
将功能化石墨烯粉末以微粉喷射的方式均匀喷射到熔融树脂薄膜基材中；
上述微粉喷射的原理如图1所示，微粉稀疏区的叠加和微粉密集区构成树脂薄膜上的最终喷射区，实现分散范围可控，达到功能化石墨烯粉末在薄膜基材中相对均匀分散的良好效果。
上述微粉喷射工艺参数：喷管出口直径为3mm，喷射速度为600m/s，喷射压强为0.7Mpa，喷射距离为25mm。
(4)一次冷却、脱模
在空气中进行一次冷却，脱模后获得石墨烯线材预制体；
上述一次冷却过程在空气中进行，冷却温度均为24℃。
上述过程通过调节金属模具型腔宽度，多次进行，得到不同宽度的石墨烯线材预制体。
(5)预制体组装
将步骤4)制得的多个预制体有序叠合，从而组装在一起，原理如图2所示；
上述有序叠合就是将不同宽度的预制体，在宽度方向上，按照中间宽、两边渐窄的原则叠放，从而形成截面为“锯齿圆”的线材，“锯齿圆”直径3mm。
上述预制体叠合组装的总层数为12层。
(6)加热挤压变形
将步骤5)中组装好的线材放入带有孔洞的金属模具中，在加热条件下挤压，使之变形、融合在一起；
上述金属模具孔洞大小为2.9mm。
上述加热挤压参数：温度为115℃，压力为20N。
(7)二次冷却
在空气中对线材进行二次冷却，得到最终制品。
上述二次冷却过程在空气中进行，冷却温度均为24℃。
上述最终制品为石墨烯3D打印线材，在24℃温度下，其抗拉强度为85.4Mpa，体积电阻率为1.1Ω/cm，柔韧度为0.01mm。
Claims (10)
1.一种石墨烯3D打印线材，包括功能化石墨烯粉末和热塑性树脂，其特征在于，所述功能化石墨烯为石墨烯和偶联剂的混合物；所述的热塑性树脂为聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、尼龙或聚碳酸酯中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的石墨烯3D打印线材，其特征在于，按重量计，功能化石墨烯1～10份，热塑性树脂90～99份，偶联剂为γ-氨基三乙氧基硅烷偶联剂，其质量为石墨烯质量的0.6％～2％。
3.一种权利要求1或2所述的石墨烯3D打印线材的制备方法，由功能化石墨烯粉末的制备、薄膜基材制备、微粉喷射、一次冷却、脱模、预制体组装、加热挤压变形、二次冷却等工艺组成，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将高倍率膨胀石墨粉末、偶联剂和溶剂混合，放入磁力搅拌器中，搅拌后混合均匀，再在60℃～70℃水浴条件下超声5～10h，最后将溶液干燥、研磨，制得功能化石墨烯粉末；
(2)将热塑性树脂粉末倒入宽度可调的金属模具型腔中，铺平后，进行加热，使之熔融，刮平，获得熔融树脂薄膜基材；
(3)将功能化石墨烯粉末以微粉喷射的方式均匀喷射到熔融树脂薄膜基材中，在空气中进行一次冷却，脱模后获得石墨烯线材预制体；
(4)将步骤(3)制得的N个预制体有序叠合，从而组装在一起，所述的N大于1；
(5)将步骤(4)中组装好的线材放入带有孔洞的金属模具中，在加热条件下挤压，使之变形、融合在一起，在空气中对线材进行二次冷却，得到最终制品。
4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，按重量计，步骤1)中所述高倍率膨胀石墨为1～10份，偶联剂为0.006～0.2份，溶剂89～99份，其中膨胀石墨的溶胀倍率为800～1000。
5.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤1)中所述溶剂为水和乙醇按质量比为0.1-0.45的混合物；放入磁力搅拌器中，搅拌速度100～150r/min，搅拌时间为20～40min。
6.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤2)中加热的方式为电阻加热或电磁感应加热，加热温度为170℃～230℃，熔融树脂薄膜厚度为0.1～0.6mm，宽度为0.2～3.5mm。
7.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤3)中微粉喷射工艺参数：喷管出口直径为2～6mm，喷射速度为220～800m/s，喷射压强为0.2～0.8Mpa，喷射距离为10～40mm。
8.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤3)和5)中一次冷却和二次冷却过程在空气中进行，冷却温度均为20℃～24℃。
9.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤5)中预制体叠合组装的总层数为5～20层。
10.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤5)中金属模具孔洞大小为1.75～3.5mm，加热挤压参数：温度为60℃～120℃，压力为10～20N。
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