本发明专利技术公开了一种尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末及其制备方法和在选择性激光烧结技术中的应用，该制备方法包括将尼龙粉末、石墨烯粉末通过双液相混合的方法制备得到尼龙/石墨烯复合粉末，再将该尼龙/石墨烯复合粉末与碳纤维、流动助剂、抗氧剂通过机械混合得到尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末。本发明专利技术提供了一种尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末的制备方法，以该方法制备的尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末为原料，经选择性激光烧结技术获得的激光烧结件具有良好的导电、导热性，兼具优异的机械性能。
【技术实现步骤摘要】
尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末及其制备方法和在选择性激光烧结技术中的应用
本专利技术涉及选择性激光烧结领域，具体涉及一种尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末及其制备方法和在选择性激光烧结技术中的应用。
技术介绍
选择性激光烧结技术(SLS)又称为选区激光烧结，出现于上世纪80年代，是一种基于增材制造的3D打印技术。它的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料(金属粉末或非金属粉末)，激光在计算机控制下，按照界面轮廓信息，对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该技术要求粉末材料的粒径分布均一、流动性较好，这样有利于粉床铺粉。该类成型方法有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料利用率高，成型速度快等特点，针对以上特点SLS法主要应用于铸造业，并且可以用来直接制作快速模具等。此外，SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂(覆膜砂)、聚碳酸脂(polycarbonates)、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统(硬件和软件)。尼龙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，能通过SLS工艺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。但通过SLS技术成型的产品强度和刚性较低，不能满足某些成型件机械性能测试要求或直接作为最终产品使用的性能需求。目前已经出现了多种增强SLS打印件力学性能的方法，如利用玻璃纤维、矿物纤维对尼龙材料进行增强，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。如公开号为CN103951971A的中国专利文献中公开了一种用于选择性激光烧结的碳纤维增强树脂粉末材料，该粉末材料包括树脂粉末、碳纤维、抗氧剂、流动助剂和分散剂。并进一步限定了树脂粉末可以是尼龙或聚丙烯。以该碳纤维增强树脂粉末材料经SLS工艺得到的成型件具有较高的强度和模量，但导电导热性较差，限制了通过SLS工艺得到的成型件在导电导热方面的应用。
技术实现思路
本专利技术提供了一种尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末的制备方法，以该方法制备的尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末为原料，经选择性激光烧结技术获得的激光烧结件具有良好的导电、导热性，兼具优异的机械性能。具体技术方案如下：一种尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末的制备方法，步骤如下：(1)将石墨烯、表面活性剂与有机溶剂A混合，得到改性石墨烯分散液；(2)将尼龙、可选择性加入的防粘剂与有机溶剂B混合，得到混合液；(3)将所述混合液、所述改性石墨烯分散液与硅烷偶联剂混合后置于高压反应釜中，加热反应后解压、降温至室温，再经后处理得到尼龙/石墨烯复合粉末；(4)将步骤(3)制备的尼龙/石墨烯复合粉末、碳纤维、流动助剂和抗氧剂搅拌均匀后得到所述的尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末。步骤(1)中：作为优选，所述的石墨烯为粉末状，片径小于100μm，选自纯石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、有机改性石墨烯中的至少一种。所述的有机改性石墨烯包括表面经硅烷化、酰胺化、吸附含有芳香结构的小分子和聚合物得到的有机功能化石墨烯。进一步优选，所述石墨烯粉末的片径为10～80μm。所述的有机溶剂A选自乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙腈、甲酸、N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。所述的表面活性剂可以是离子型表面活性剂也可以是非离子型表面活性剂，如十六酸酰胺丙基三甲基氯化铵等阳离子表面活性剂、氨基酸型两性离子表面活性剂、脂肪酸甘油酯型非离子表面活性剂等。作为优选，所述的石墨烯与表面活性剂的质量比为1:0.1～1；进一步优选为1:1。作为优选，所述改性石墨烯分散液中石墨烯的质量百分比浓度为10～50％；进一步优选为15～25％。步骤(2)中：本专利技术中对所述的尼龙没有特殊要求，可选择尼龙6、尼龙66、尼龙11、尼龙12等常见的尼龙品种。作为优选，所述的防粘剂选自油酸酰胺、芥酸酰胺、乙醇双硬脂酰胺、乙醇双月桂酰胺中的至少一种；所述的有机溶剂B选自乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙腈、甲酸、N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种；所述防粘剂的质量为尼龙质量的0.1～1％；所述混合液中尼龙的质量百分比浓度为1～25％。步骤(3)中：作为优选，所述的硅烷偶联剂选自氨基硅烷、乙烯基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的至少一种；进一步优选为乙烯基三乙氧基硅烷。作为优选，所述硅烷偶联剂的质量为步骤(2)中尼龙质量的0.005％～0.5％。作为优选，所述改性石墨烯分散液中的石墨烯与所述混合液中的尼龙的质量比为1:20～1000。本专利技术中，尼龙的溶解是在高压反应釜中进行的，溶解过程的温度、时间需根据具体采用的尼龙种类进行适应性调整。加入硅烷偶联剂对石墨烯进行改性处理，使石墨烯通过官能团能很好的与尼龙颗粒结合，起到很好地增强作用。作为优选，步骤(3)中，所述加热反应的温度为130～200℃，时间为0.5～2h；进一步优选的温度为140～150℃。作为优选，所述降温的速率为2～5℃/min；为了使粒径分布更加均匀，进一步优选降温速率为4℃/min。所述的后处理包括干燥和过筛，通过过筛去掉团聚的大颗粒。步骤(4)中：作为优选，所述碳纤维的直径为5～20μm，长度为10～100μm；所述的流动助剂选自气相二氧化硅、气相氧化铝、纳米氧化钛、纳米碳化硅中的至少一种；所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、胺类抗氧剂、硫代抗氧剂；如抗氧剂168(三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯)、抗氧剂1098(N,N’-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺)、抗氧剂264(2,6-二叔丁基对甲酚)抗氧剂CA(1,1,3三(2-甲基-4-羟基-5-叔丁基苯基)丁烷)、抗氧剂1076(β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯)、抗氧剂1010(四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基)苯丙酸]季戊四醇酯)中的一种或几种混合物。所述尼龙/石墨烯复合粉末、碳纤维、流动助剂和抗氧剂的质量分数分别为70～95％、0.5～25％、0.5～4％和0.1～1％。作为优选，步骤(4)中，先将步骤(3)制备的尼龙/石墨烯复合粉末、流动助剂和抗氧剂预混后，再加入碳纤维，在500～1000r/min的搅拌速度下高速搅拌10～60min后得到所述的尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末。再进一步优选，所述的尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末中，以原料计，所述的碳纤维与石墨烯的质量比为1～7:1，所述的碳纤维与石墨烯的总质量占原料总质量的3～12.5％。本专利技术还公开了根据上述方法制备的尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末。本专利技术还公开了一种选择性激光烧结技术，采用如上所述的尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末为原料粉末，具体为：将原料粉末装入选择性激光成型机的供粉仓中，铺粉刮刀将原料粉末均匀地铺在加工平台上并加热至加工温度，激光器发出激光，然后控制程序控制激光在加工平台上根据二维片层进行扫描，激光束扫描结束后，下移一个粉层厚度，刮刀进行铺粉，激光束扫本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末的制备方法，其特征在于，步骤如下：(1)将石墨烯、表面活性剂与有机溶剂A混合，得到改性石墨烯分散液；(2)将尼龙、可选择性加入的防粘剂与有机溶剂B混合，得到混合液；(3)将所述混合液、所述改性石墨烯分散液与硅烷偶联剂混合后置于高压反应釜中，加热反应后解压、降温至室温，再经后处理得到尼龙/石墨烯复合粉末；(4)将步骤(3)制备的尼龙/石墨烯复合粉末、碳纤维、流动助剂和抗氧剂搅拌均匀后得到所述的尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末。
【技术特征摘要】
1.一种尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末的制备方法，其特征在于，步骤如下：(1)将石墨烯、表面活性剂与有机溶剂A混合，得到改性石墨烯分散液；(2)将尼龙、可选择性加入的防粘剂与有机溶剂B混合，得到混合液；(3)将所述混合液、所述改性石墨烯分散液与硅烷偶联剂混合后置于高压反应釜中，加热反应后解压、降温至室温，再经后处理得到尼龙/石墨烯复合粉末；(4)将步骤(3)制备的尼龙/石墨烯复合粉末、碳纤维、流动助剂和抗氧剂搅拌均匀后得到所述的尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末。2.根据权利要求1所述的尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的石墨烯为粉末状，片径小于100μm，选自纯石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、有机改性石墨烯中的至少一种；所述的有机溶剂A选自乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙腈、甲酸、N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种；所述的石墨烯与表面活性剂的质量比为1:0.1～1；所述改性石墨烯分散液中石墨烯的质量百分比浓度为10～50％。3.根据权利要求1所述的尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的防粘剂选自油酸酰胺、芥酸酰胺、乙醇双硬脂酰胺、乙醇双月桂酰胺中的至少一种；所述的有机溶剂B选自乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙腈、甲酸、N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种；所述防粘剂的质量为尼龙质量的0.1～1％；所述混合液中尼龙的质量百分比浓度为1～25％。4.根据权利要求1所述的尼龙/石墨烯/碳纤维复合粉末的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的硅烷偶联剂选自氨基硅烷、乙烯基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的至少一...
【专利技术属性】
技术研发人员：张建飞，郭建军，许高杰，陈晓敏，黄志杰，郑京连，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，中广核俊尔新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33
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