一种用于选择性激光烧结的碳纤维增强树脂粉末材料的制作方法
【专利摘要】一种用于选择性激光烧结的碳纤维增强树脂粉末材料，该粉末材料包括树脂粉末、碳纤维、抗氧剂、流动助剂和分散剂，当该增强材料质量份数为100份时，树脂粉末质量份数为48-88份，碳纤维质量份数为10-50份，流动助剂质量份数为0.2-1份，抗氧剂质量份数为0.5-1.2份，分散剂质量份数为0.2-0.6份，将各组分按照一定工艺顺序配置得到用于选择性激光烧结的碳纤维增强树脂粉末材料，该材料的SLS成型件相较于基体树脂材料的SLS成型件在强度和模量上有较大提升，能更好的满足成型件直接作为终端产品使用的力学性能要求。
【专利说明】一种用于选择性激光烧结的碳纤维增强树脂粉末材料
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料领域，具体涉及一种用于选择性激光烧结的碳纤维增强树脂粉末材料。
【背景技术】
[0002]在选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering,简称SLS)是目前一种被广泛应用的快速成型技术，其成型工艺原理是:首先建立目标零件的计算机三维模型，然后用分层软件将三维模型进行切片处理，得到每一个加工层面的数据信息，在计算机控制下，根据切片层面信息，利用激光束对可热熔的粉末材料逐层扫描烧结，最终完成目标零件的加工制造。SLS技术可应用的材料范围非常宽，包括聚合 物、金属及陶瓷等。
[0003]在选择性激光烧结工艺中，粉末材料是影响制件性能的关键因素。由于聚合物材料与金属和陶瓷材料相比，具有成型温度低、烧结功率小等优点，从而成为目前应用最多的SLS材料。尼龙类树脂材料是一种半结晶聚合物，具有良好的烧结性能及较低的熔融粘度，能由SLS直接成型致密度较高、力学性能较好的功能零件，成为目前应用最为广泛的SLS成型材料之一。但该类材料强度和刚性较低，通过SLS技术所成型产品不能满足某些成型件机械性能测试要求或者直接作为最终产品使用的性能需求。
[0004]为满足树脂SLS制件作为终端产品直接使用的力学性能要求，目前已经出现了多种增强方法，如玻璃纤维、矿物纤维对树脂基材料进行增强，但由于玻璃纤维和矿物纤维本身的力学性能和表面形貌问题，使得增强效果都不是特别理想，不能很好的满足某些SLS成型件的应用需求。碳纤维具有质轻、强度高、耐磨损等特点，经碳纤维增强的树脂材料，其SLS成型件相较于基体树脂材料的SLS成型件在强度和模量上有较大提升，提高了 SLS成型件的应用范围。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种用于选择性激光烧结的碳纤维增强树脂粉末材料，该材料SLS成型件相较于基体树脂材料的SLS成型件在强度和模量上有较大提升，能更多的满足SLS成型件作为终端产品直接使用的性能要求。
[0006]本发明涉及一种用于选择性激光烧结的碳纤维增强树脂粉末材料，该材料包括树脂粉末、碳纤维、抗氧剂、流动助剂和分散剂。其中各组分的质量百分比为:当该增强材料质量份数为100份时，树脂粉末质量份数为48-88份，碳纤维质量份数为10-50份，流动助剂质量份数为0.2-1份，抗氧剂质量份数0.2-1.2份，分散剂质量份数为0.1-0.6份。
[0007]在用于选择性激光烧结的碳纤维增强树脂材料中，随着增强相碳纤维组分含量的提高，其成型件强度基本呈上升趋势，但碳纤维组分含量过高时，成型件内碳纤维与碳纤维之间的接触面将增大，这种接触为弱接触，积累到一定量时反而会降低成型件强度，因此当碳纤维组分含量超出某一值时，其成型件强度呈现出不升反降的现象。流动助剂能改善材料的流动性能，分散剂能使碳纤维分散更为均匀，但在以二氧化碳激光器作为能量源的SLS工艺过程中，不同于树脂材料吸收激光能量实现熔融粘接过程，流动助剂和分散剂在该过程中均以固体形态存在，因此两者组分含量过高也会降低熔融态组分粘接效果。抗氧剂能防止粉末在SLS烧结过程中被氧化，但当抗氧剂添加量超过一定值时，抗氧效果不会再随着添加量的增多而增强，此外抗氧剂在烧结过程中会产生挥发物，不利于成型设备的保养和维护。
[0008] 本发明中可用的树脂粉末可以是尼龙11、尼龙12、尼龙1212、尼龙6、尼龙66、聚丙烯其中一种或几种。SLS工艺过程中，粉末粒径分布影响铺粉过程和成型件表面质量。当粉末粒径过小时，粉体之间的摩擦力增大，粘着力变大，流动性变差，不利于铺粉；当粉末粒径过大时，铺粉过程会产生刮痕，且成型件表面粗糙。实验表明，粉末粒径分布在20-150微米，优选粒径范围30-100微米，呈正态分布且形貌基本为球形或椭球形的树脂粉末具有良好的流动性，有利于铺粉和烧结。
[0009]本发明中优选的碳纤维直径为7-10微米，长度为201-350微米。通常碳纤维越长，增强效果越好，但碳纤维本身具有一定的弯曲度，碳纤维太长容易发生团聚，形成絮状物，降低了粘结强度。碳纤维长径比过短则增强效果不明显，反而影响成型件的断裂伸长率。
[0010]经化学氧化或偶联接枝的方法处理后，平均直径为7-10微米，长度分布为50-200微米的碳纤维也满足增强需求。通常对该长度范围内碳纤维表面处理的方法为:在50-80°C下，将碳纤维在浓度为60-70%的浓硝酸溶液中浸泡1-2小时，对其表面进行氧化；或使用硅烷偶联剂KH550或KH560，在甲苯溶剂中对其进行接枝反应。
[0011 ] 本发明中流动助剂的添加可以增加粉末材料的加工流动性,改善塑料产品的表面光洁度，流动助剂可以为气相二氧化硅、气相氧化铝、气相白炭黑、纳米氧化钛、纳米碳化硅粉中的一种或几种。
[0012]本发明中抗氧剂为受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂。优选抗氧剂由抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比3:1混合而得。
[0013]本发明中碳纤维分散剂可以为石墨粉末、乙撑基双硬脂酰胺(EBS)、硬脂酸单甘油酯(GMS)、三硬脂酸甘油酯(HTG)、硬脂酸钡(BaSt)或微晶石蜡中的一种或几种。
[0014]本发明公开的一种碳纤维增强树脂粉末材料可经如下步骤获得:
(1)按照设计的组分比例取各组分材料，其中碳纤维质量份数10-50份、树脂粉末质量份数48-88份、抗氧剂质量份数0.5-1.2份、流动助剂质量份数0.2-1.0份、分散剂质量份数 0.2-0.6 份；
(2)把部分树脂粉末与流动助剂、抗氧剂和分散剂高速搅拌混合得到引粉，该搅拌过程有助于将流动助剂、抗氧剂和分散剂均匀分散于树脂材料中；
(3)将碳纤维用80目筛筛分，将碳纤维中团聚的部分和杂质筛除；
(4)将引粉、筛过的碳纤维和剩余树脂粉末放入V型搅拌装置中搅拌混合，搅拌40-60分钟即可得到目标材料。
[0015]本发明制备的碳纤维增强树脂粉末材料SLS工艺成型效果较好，成型件重量轻、强度和模量较高，可广泛应用于机械、电子电气、航天航空、军工、交通运输等领域中结构功能件的测试或终端零件的直接制造。
【具体实施方式】[0016]实施例1
以下，对本发明实施例进行叙述，但本发明并不限定于此:
(1)按照以下数据准确称量出各组分:碳纤维，lKg，其平均直径为7微米，长度范围201-300微米；尼龙12粉末，8.8Kg，其粒径范围20-100微米；气相二氧化硅，100g ;分散剂石墨粉末，20g ;抗氧剂1098,80g ；
(2)用2.5L的高速搅拌器将结块的气相二氧化硅打碎；
(3)用IKg左右尼龙12粉末与打碎的气相二氧化硅、抗氧剂1098和石墨粉末搅拌混合，得到引粉，混合分3次进行；
(4)将碳纤维用80目筛筛分，将碳纤维中团聚的部分和杂质筛除；
(5)引粉、筛过的碳纤维和剩余尼龙12粉末放入V型搅拌装置中搅拌混合，搅拌时间为40-60分钟；
(6)步骤(5)中搅拌好的材料即目标材料。
[0017]实施例2
(O按照以下数据 准确称量出各组分:碳纤维，2Kg，其平均直径为7微米，长度范围201-300微米；尼龙12粉末，7.8Kg，其粒径范围20-100微米；气相二氧化硅，90g ;分散剂石墨粉末，30g;抗氧剂1098,80g；
(2)用2.5L的高速搅拌器将结块的气相二氧化硅打碎；
(3)用IKg左右尼龙12粉末与打碎的气相二氧化硅、抗氧剂1098和石墨粉末搅拌混合，得到引粉，混合分3次进行；
(4)将碳纤维用80目筛筛分，将碳纤维中团聚的部分和杂质筛除；
(5)引粉、筛过的碳纤维和剩余尼龙12粉末放入V型搅拌装置中搅拌混合，搅拌时间为40-60分钟；
(6)步骤(5)中搅拌好的材料即目标材料。
[0018]实施例3
(O按照以下数据准确称量出各组分:碳纤维，3Kg，其平均直径为7微米，长度范围250-350微米；尼龙12粉末，6.8Kg，其粒径范围25-120微米；气相氧化铝，80g ;分散剂EBS粉末，50g ;抗氧剂9228，70g ；
(2)用IKg左右尼龙12粉末与气相氧化铝、抗氧剂9228和EBS粉末搅拌混合，得到引粉，混合分3次进行；
(3)将碳纤维用80目筛筛分，将碳纤维中团聚的部分和杂质筛除；
(4)引粉、筛过的碳纤维和剩余尼龙12粉末放入V型搅拌装置中搅拌混合，搅拌时间为40-60分钟；
(5)步骤(4)中搅拌好的材料即目标材料。
[0019]实施例4
(O按照以下数据准确称量出各组分:碳纤维，3.5Kg，其平均直径为7微米，长度范围201-350微米；尼龙1212粉末，6.3Kg，其粒径范围30-150微米；气相白炭黑，90g ;分散剂硬脂酸钡，60g ;抗氧剂3026，50g ；
(2)用IKg左右尼龙1212粉末与气相白炭黑、抗氧剂3026和硬脂酸钡粉末搅拌混合，得到引粉，混合分3次进行；(3)将碳纤维用80目筛筛分，将碳纤维中团聚的部分和杂质筛除；
(4)引粉、筛过的碳纤维和剩余尼龙1212粉末放入V型搅拌装置中搅拌混合，搅拌时间为40-60分钟；
(5)步骤(4)中搅拌好的材料即目标材料。
[0020]实施例5
(O按照以下数据准确称量出各组分:碳纤维，4.0Kg，其平均直径为7微米，长度范围201-350微米；尼龙1212粉末，5.8Kg，其粒径范围30-150微米；气相白炭黑，85g ;分散剂硬脂酸钡，55g ;抗氧剂3026，60g ；
(2)用IKg左右尼龙1212粉末与气相白炭黑、抗氧剂3026和硬脂酸钡粉末搅拌混合，得到引粉，混合分3次进行；
(3)将碳纤维用80目筛筛分，将碳纤维中团聚的部分和杂质筛除；
(4)引粉、筛过的碳纤维和剩余尼龙1212粉末放入V型搅拌装置中搅拌混合，搅拌时间为40-60分钟；
(5)步骤(4)中搅拌好的 材料即目标材料。
[0021]实施例6
(O按照以下数据准确称量出各组分:碳纤维，4.5Kg，其平均直径为7微米，长度范围201-300微米；尼龙1212粉末，5.3Kg，其粒径范围25-100微米；纳米氧化硅粉，40g ;分散剂三硬脂酸甘油酯，50g ;抗氧剂1010,82.5g，抗氧剂168,27.5g ；
(2)用IKg左右尼龙1212粉末与纳米氧化硅粉、抗氧剂1010、抗氧剂168和三硬脂酸甘油酯粉末搅拌混合，得到引粉，混合分3次进行；
(3)将碳纤维用80目筛筛分，将碳纤维中团聚的部分和杂质筛除；
(4)引粉、筛过的碳纤维和剩余尼龙1212粉末放入V型搅拌装置中搅拌混合，搅拌时间为40-60分钟；
(5)步骤(4)中搅拌好的材料即目标材料。
[0022]实施例7
(O按照以下数据准确称量出各组分:碳纤维，5.0Kg，其平均直径为7微米，长度范围201-300微米；尼龙1212粉末，4.8Kg，其粒径范围25-100微米；纳米氧化硅粉，20g ;分散剂三硬脂酸甘油酯，60g ;抗氧剂1010，90g，抗氧剂168，30g ；
(2)用IKg左右尼龙1212粉末与纳米氧化硅粉、抗氧剂1010、抗氧剂168和三硬脂酸甘油酯粉末搅拌混合，得到引粉，混合分3次进行；
(3)将碳纤维用80目筛筛分，将碳纤维中团聚的部分和杂质筛除；
(4)引粉、筛过的碳纤维和剩余尼龙1212粉末放入V型搅拌装置中搅拌混合，搅拌时间为40-60分钟；
(5)步骤(4)中搅拌好的材料即目标材料。
[0023]实施例8
Cl)按照以下数据准确称量出各组分:碳纤维，2.5Kg，其平均直径为7微米，长度范围50-200微米；配好的浓度为60%的浓硝酸500ml ;尼龙12粉末，7.3Kg，其粒径范围25-120微米；气相氧化铝，90g ;分散剂EBS，40g ;抗氧剂9228，70g ;另需要蒸馏水若干，加热平台一个，红外测温仪一个，IL烧杯三个；(2 )将500ml浓度为60%的浓硝酸装入IL烧杯中，取0.5Kg碳纤维放入烧杯,将烧杯放在加热平台上加热，加热温度控制在50-60°C，使用红外测温仪探测温度，浸泡I小时，然后将碳纤维取出放在装有蒸馏水的烧杯中清洗，反复清洗5次，最后将碳纤维放入干燥箱中烘干。重复上述操作5次，将2.5Kg碳纤维全部进行表面氧化处理；
(3)将所有烘干的碳纤维用80目筛筛分，将碳纤维中团聚的部分和杂质筛除；
(4)用IKg左右尼龙12粉末与气相氧化铝、抗氧剂9228和EBS粉末搅拌混合，得到引粉，混合分3次进行；
(5)引粉、筛过的碳纤维和剩余尼龙12粉末放入V型搅拌装置中搅拌混合，搅拌时间为40-60分钟；
(6)步骤(5)中搅拌好的材料即目标材料。
[0024]下表为尼龙12 SLS成型件、尼龙1212 SLS成型件与经碳纤维增强后SLS成型件的强度和模量对比:
【权利要求】
1.一种用于选择性激光烧结的碳纤维增强树脂粉末材料，其特征在于:该粉末材料包括树脂粉末、碳纤维、抗氧剂、流动助剂和分散剂，当该增强材料质量份数为100份时，树脂粉末质量份数为48-88份，碳纤维质量份数为10-50份，流动助剂质量份数为0.2-1份，抗氧剂质量份数为0.5-1.2份，分散剂质量份数为0.2-0.6份。
2.根据权利要求1，其特征在于树脂粉末可以是尼龙11、尼龙12、尼龙1212、尼龙6、尼龙66、聚丙烯其中一种或几种，其粒径分布范围为20-150微米，呈正态分布，形貌为表面光滑的球形或椭球形颗粒。
3.根据权利要求1，其特征在于所述碳纤维的直径为7-10微米，长度为201-350微米。
4.根据权利要求1，其特征在于所述碳纤维经化学氧化或偶联接枝的方法处理后，平均直径为7-10微米，长度分布为50-200微米。
5.根据权利要求1或4，其特征在于使用偶联接枝法处理碳纤维所用的偶联剂为硅烷偶联剂，接枝反应在甲苯溶剂中进行。
6.根据权利要求1，其特征在于所述流动助剂为气相二氧化硅、气相氧化铝、气相白炭黑、纳米氧化钛、纳米碳化硅粉中的一种或几种。
7.根据权利要求1，其特征在于所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂。
8.根据权利要求1，其特征在于所述分散剂可以为石墨粉末、乙撑基双硬脂酰胺、硬脂酸单甘油酯、三硬脂酸甘油酯、硬脂酸钡、微晶石蜡中的一种或几种。
【文档编号】C08K9/06GK103951971SQ201410196598
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】苏婷, 冯晓宏, 陈礼, 许小曙 申请人:湖南华曙高科技有限责任公司