CN107151443A - 一种聚醚酰亚胺基石墨烯3d打印复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于石墨烯复合材料制备技术，涉及一种聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料及其制备方法。本发明的聚醚酰亚胺基石墨烯3D打印复合材料各组分的质量百分比为：石墨烯粉末：0.1％～15％；偶联剂：0.1％～5％；润滑剂：0.1％～5％；余量为聚醚酰亚胺树脂。制备的步骤如下：制备聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料母粒；制备聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料线材。本发明提高了3D打印复合材料的使用温度上限以及使用环境范围，改善了力学强度，重点提高了其抗冲击强度，拓展了聚醚酰亚胺以及石墨烯在3D打印方面的应用。

Description

一种聚醚酰亚胺基石墨烯3D打印复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于石墨烯复合材料制备技术，涉及一种聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

3D打印技术又称为增材制造，可以直接根据三维数据，通过3D打印机实现逐层加工、叠加成形的工艺，以此生成实体；其区别于传统模具加工的制作方法，这种无模具自由成形的技术摆脱了空间几何及设计工艺的束缚，可将任何创意设计转变为实体产品，拓展了巨大的创造空间。而且与传统树脂加工方式相比，缩短了研发周期，降低了研发成本；拓宽了材料选择范围和产品应用领域；成型件可直接制造终端零部件；也就减少了材料的消耗，尤其小批量生产可大大降低产品成本。近年来，3D打印技术迅速发展起来，受到了国内外的广泛认可和关注。

3D打印技术中，得到广泛应用的有激光粉末烧结(SLS)，熔融沉积成型(FDM)以及光固化成型(SLA)这几种，其中，熔融沉积成型(FDM)技术是一种可将各种热塑性聚合物丝材加热熔化进而堆积成型的打印技术方法，此法原理较简单、打印成本低、操作简单易行，在众多3D打印技术中应用最广泛，同时在3D打印领域有着至关重要的地位。

目前，应用于FDM打印技术的聚合物丝材主要以ABS、PLA、PC等常用热塑性工程塑料居多，但是这些聚合物普遍存在使用温度低，力学强度差，实际应用范围有限的问题，尤其是在航空航天等工程应用方面，现有3D打印材料已经难以满足日益增长的市场需求。

聚醚酰亚胺(PEI)是一种未定型高性能聚合物，同时也是一种常用的航空材料，其具有优异的力学性能，呈现杰出的耐高温、强度好、模量大、广谱耐化学性、抗燃烧性和低致烟性，抗蠕变及尺寸稳定性优良，可以应用于消防员头盔，飞机内饰，舱外航空航天组件，汽车各部位组件等。其具备针对任何FDM热塑性塑料的最高耐热性、耐化学性和力学强度，是作为高性能3D打印复合材料聚合物基体的最佳选择；但是其抗冲击性能仍然不够优异，有待于进一步改善。

石墨烯作为一种新型材料，具有特殊的二维结构，优越的电学、热学、力学性能、较高化学稳定性，由于石墨烯的上述优异机械以及功能型性能，通常将其作为增强填充物加入到聚合物基体中，进而有效地提高聚合物基体的各项相关性能。

发明内容

本发明的目的是：提供一种聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料及其制备方法，以便提高3D打印复合材料的使用温度上限以及使用环境范围，改善力学强度，重点提高其抗冲击强度，拓展聚醚酰亚胺以及石墨烯在3D打印方面的应用，创造卓越的经济效益和社会效益。

本发明的技术方案是：一种聚醚酰亚胺基石墨烯3D打印复合材料，其特征在于，它的各组分的质量百分比为：石墨烯粉末：0.1％～15％；偶联剂：0.1％～5％；润滑剂：0.1％～5％；余量为聚醚酰亚胺树脂；所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂其中之一；所述的润滑剂为氧化聚乙烯蜡、聚丙烯、硬脂酸、硬脂酸丁酯其中之一；所述聚醚酰亚胺树脂的重均分子量Mw为4万g/mol～5万g/mol。

如上面所述的聚醚酰亚胺基石墨烯3D打印复合材料的制备方法，其特征在于，制备的步骤如下：

1、制备聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料母粒：

将称好的石墨烯、偶联剂和润滑剂添加到干燥后的聚醚酰亚胺树脂中，反复搅拌混合均匀后经双螺杆挤出机，在温度为350℃～420℃的条件下进行熔融共混并挤出造粒，得到复合材料母粒；

2、制备聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料线材：

将复合材料母粒干燥除湿后，经树脂拉丝机制成聚醚酰亚胺基复合材料线材，所述拉丝机的加入温度为320℃～400℃，线材的直径为1mm～4mm。

本发明的优点是：提供了一种聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料及其制备方法，提高了3D打印复合材料的使用温度上限以及使用环境范围，改善了力学强度，重点提高了其抗冲击强度，拓展了聚醚酰亚胺以及石墨烯在3D打印方面的应用，创造卓越的经济效益和社会效益。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。一种聚醚酰亚胺基石墨烯3D打印复合材料，其特征在于，它的各组分的质量百分比为：石墨烯粉末：0.1％～15％；偶联剂：0.1％～5％；润滑剂：0.1％～5％；余量为聚醚酰亚胺树脂；所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂其中之一；所述的润滑剂为氧化聚乙烯蜡、聚丙烯、硬脂酸、硬脂酸丁酯其中之一；所述聚醚酰亚胺树脂的重均分子量Mw为4万g/mol～5万g/mol。

如上面所述的聚醚酰亚胺基石墨烯3D打印复合材料的制备方法，其特征在于，制备的步骤如下：

1、制备聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料母粒：

将称好的石墨烯、偶联剂和润滑剂添加到干燥后的聚醚酰亚胺树脂中，反复搅拌混合均匀后经双螺杆挤出机，在温度为350℃～420℃的条件下进行熔融共混并挤出造粒，得到复合材料母粒；

2、制备聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料线材：

将复合材料母粒干燥除湿后，经树脂拉丝机制成聚醚酰亚胺基复合材料线材，所述拉丝机的加入温度为320℃～400℃，线材的直径为1mm～4mm。

本发明的工作原理是：复合工艺简单易行、操作安全、易于实现批量稳定生产，复合过程中添加剂少、环保无毒，所制备的聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料线材均匀，可直接应用于3D打印，研发周期短、成本低、材料消耗少，较传统加工制造方式有突出的优势；所得到的聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料，力学性能显著提高，尤其是抗冲击性能明显改善，弥补了纯聚醚酰亚胺抗冲击性能差的不足，且可在高温高强度高腐蚀等恶劣环境下持久使用，作为一种新型高性能复合材料，更加适于应用在航空航天，机械制造等对材料有高要求的相关领域，为拓展聚醚酰亚胺以及石墨烯在3D打印方面的应用奠定了基础。

实施例1

称取0.3g的石墨烯粉末、0.3g的偶联剂、0.3g的润滑剂以及299.1g的聚醚酰亚胺树脂；

将上述原料反复搅拌混合均匀后经双螺杆挤出机，在温度为380℃的条件下充分熔融共混后挤出造粒，得到复合材料母粒；将复合材料母粒干燥除湿后经拉丝机在加入温度为350℃的条件下制成聚醚酰亚胺基复合材料线材。

实施例2

称取3g的石墨烯粉末、3g的偶联剂、3g的润滑剂以及291g的聚醚酰亚胺树脂；

将上述原料反复搅拌混合均匀后经双螺杆挤出机，在温度为400℃的条件下充分熔融共混后挤出造粒，得到复合材料母粒；将复合材料母粒干燥除湿后经拉丝机在加入温度为370℃的条件下制成聚醚酰亚胺基复合材料线材。

实施例3

称取15g的石墨烯粉末、4.5g的偶联剂、4.5g的润滑剂以及276g的聚醚酰亚胺树脂；

将上述原料反复搅拌混合均匀后经双螺杆挤出机，在温度为420℃的条件下充分熔融共混后挤出造粒，得到复合材料母粒；将复合材料母粒干燥除湿后经拉丝机在加入温度为400℃的条件下制成聚醚酰亚胺基复合材料线材。

实施例4

称取30g的石墨烯粉末、7.5g的偶联剂、7.5g的润滑剂以及255g的聚醚酰亚胺树脂；

将上述原料反复搅拌混合均匀后经双螺杆挤出机，在温度为350℃的条件下充分熔融共混后挤出造粒，得到复合材料母粒；将复合材料母粒干燥除湿后经拉丝机在加入温度为320℃的条件下制成聚醚酰亚胺基复合材料线材。

实施例5

称取45g的石墨烯粉末、15g的偶联剂、15g的润滑剂以及225g的聚醚酰亚胺树脂；

将上述原料反复搅拌混合均匀后经双螺杆挤出机，在温度为370℃的条件下充分熔融共混后挤出造粒，得到复合材料母粒；将复合材料母粒干燥除湿后经拉丝机在加入温度为340℃的条件下制成聚醚酰亚胺基复合材料线材。

Claims (2)

1.一种聚醚酰亚胺基石墨烯3D打印复合材料，其特征在于，它的各组分的质量百分比为：石墨烯粉末：0.1％～15％；偶联剂：0.1％～5％；润滑剂：0.1％～5％；余量为聚醚酰亚胺树脂；所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂其中之一；所述的润滑剂为氧化聚乙烯蜡、聚丙烯、硬脂酸、硬脂酸丁酯其中之一；所述聚醚酰亚胺树脂的重均分子量Mw为4万g/mol～5万g/mol。

2.如权利要求1所述的聚醚酰亚胺基石墨烯3D打印复合材料的制备方法，其特征在于，制备的步骤如下：

2.1、制备聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料母粒：

将称好的石墨烯、偶联剂和润滑剂添加到干燥后的聚醚酰亚胺树脂中，反复搅拌混合均匀后经双螺杆挤出机，在温度为350℃～420℃的条件下进行熔融共混并挤出造粒，得到复合材料母粒；

2.2、制备聚醚酰亚胺基石墨烯复合材料线材：

将复合材料母粒干燥除湿后，经树脂拉丝机制成聚醚酰亚胺基复合材料线材，所述拉丝机的加入温度为320℃～400℃，线材的直径为1mm～4mm。