一种任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料的制造方法，首先将原砂与固化剂混合均匀，得到原砂混合料；再通过3D打印工艺，粘合剂发生固化反应，将逐层状态的原砂混合料粘结成整体，形成任意几何构型的原砂基体；然后原砂基体吸收液态组分直至原砂基体的质量不再发生变化，从而达到吸收平衡；最后将砂型进行梯度恒温处理，然后降至室温，得到任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料。本发明专利技术通过3D打印成型孔洞结构适宜的原砂基体为聚四氟乙烯成型提供了模板，结合后续的加工工序解决聚四氟乙烯基复杂构件难成型的问题，同时由于砂质基体的存在，聚四氟乙烯基构件硬度显著提高，刚性增强，抗蠕变性变好，更为耐磨，尺寸稳定性更佳。寸稳定性更佳。寸稳定性更佳。

【技术实现步骤摘要】
一种任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料的制造方法


[0001]本专利技术涉及复合材料制造领域，具体为一种任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料的制造方法。

技术介绍

[0002]3D打印是一种快速成型技术，别名增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用金属、聚合物以及无机非金属材料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着3D打印技术的发展以及设备性能的提升，将细砂一层一层堆叠，再利用特殊设计的喷头按照零件截面的形状喷射特殊粘合剂，就可以将砂子粘结在一起，通过反复铺砂
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选择性喷射粘结用粘合剂的操作，就可制备出几何结构复杂的砂型。这样打印出的砂型绝大多数应用于铸造领域，大大改观了传统铸造工艺繁复、自动化程度低、制造精度低的问题，为3D打印砂型工厂带来了效益。
[0003]为避免同质化竞争，有些3D打印砂型工厂开始探索3D打印砂型在装饰、艺术、建筑、户外、文创以及特种聚合物、异型塑料件、异型耐火材料件成型模具等领域的应用。尽管如此，3D打印砂型成型原理是使用粘合剂将砂粒逐层粘结固化，粘合剂固化后在砂粒表面形成的粘合剂层呈现热固性，刚性强、韧性差，特殊的成型过程又使得3D打印砂型的孔隙率极高，易负面影响3D打印砂型的强度，且打印的砂型在X、Y、Z三个方向上存在力学各向异性，这种情况下，3D打印砂型在面对新应用时就会在强度与韧性方面显现出不足，再加上砂子的天然亲水性，3D打印砂型易吸湿变潮，特别是在户外或者湿度大的环境中，其强度会因吸湿而变得更差，因此，目前3D打印砂型在其他领域的应用受到了极大限制。
[0004]聚四氟乙烯(PTFE)为一种高性能聚合物，其具有优异的耐高低温性能、化学稳定性、电绝缘性、非粘附性、耐候性、不燃性以及良好的润滑性，已在化工、石油、纺织、电子电气、医疗、机械等领域获得广泛应用。尽管如此，PTFE也拥有众多缺陷：PTFE制品硬度低，抗蠕变性差，需加入某些填料以增强其性能；耐磨性不理想，刚性不够，需加入耐磨材料进行改进；PTFE熔体粘度高，不能采用其它热塑性塑料的成型方法加工，许多零部件经常通过模压和挤出的方法制成半成品，然后再精加工制得成品；PTFE的热膨胀系数偏大，其线膨胀系数随着温度的变化而发生很不规律的变化，冷热收缩变化大，导致其加工尺寸稳定性不理想。由于上述缺陷，PTFE的应用亦受到限制。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料的制造方法。
[0006]本专利技术解决所述技术问题的技术方案是，提供一种任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0007](1)将原砂与固化剂混合均匀，得到原砂混合料；
[0008](2)将原砂混合料分配至3D打印机的铺沙模块中，将粘合剂引入3D打印机的喷头
中；在3D打印机的铺沙模块进行逐层铺设原砂混合料的过程中，3D打印机的喷头按照每层的截面形状进行逐层喷射粘合剂；在固化剂的作用下，粘合剂发生固化反应，将逐层状态的原砂混合料粘结成整体，形成任意几何构型的原砂基体；
[0009](3)将原砂基体置于液态组分中，使原砂基体吸收液态组分直至原砂基体的质量不再发生变化，从而达到吸收平衡，得到任意几何构型的砂型；
[0010]所述液态组分由水、聚四氟乙烯乳液和磷酸二氢铝复配而成；
[0011](4)将砂型进行梯度恒温处理，然后降至室温，得到任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料。
[0012]与现有技术相比，本专利技术有益效果在于：
[0013](1)本专利技术通过3D打印成型的孔洞结构适宜的任意几何构型的原砂基体为聚四氟乙烯成型提供了模板，结合后续的加工工序可轻易解决聚四氟乙烯基复杂构件难成型的问题，同时由于砂质基体的存在，聚四氟乙烯基构件硬度显著提高，刚性增强，抗蠕变性变好，更为耐磨，且尺寸稳定性更佳，为聚四氟乙烯复杂构件的制备与应用开辟了新的途径。
[0014](2)本专利技术基于芯吸机理将聚四氟乙烯微粒引入原砂基体的孔洞中，结合后续的梯度恒温处理，聚四氟乙烯在3D打印砂型孔隙中熔融、粘合，形成新的骨架，而粘合剂则完全分解，粘合剂的固化产物施加给砂型的刚性不复存在，再加上新生骨架韧性出众，因此，3D打印砂型的韧性得以优化，由于新生骨架占据了原有的孔隙，3D打印砂型孔隙率高的问题得到有效解决，且由于新骨架的生成以及粘合剂的完全分解，3D打印砂型在X、Y、Z三个方向上不再存在力学各向异性，其强度显著改善，由于新生的聚四氟乙烯骨架拥有优异的疏水性，3D打印砂型的亲水问题彻底被解决，为3D打印砂型在铸造之外其他领域应用创造了条件。
[0015](3)本专利技术在打印过程中，基于对砂粒尺寸以及喷粘合剂频率与分辨率的调控，可打印出不同孔径、孔隙率的原砂基体，利用孔径、孔隙率的差异可进一步调控液态组分在原砂基体中的量与分布，通过调配液态组分的组成可进一步控制聚四氟乙烯在原砂基体中的量，结合后续的梯度恒温处理，最终制备组成可控、结构迥异的砂/聚四氟乙烯复合材料，适应不同应用领域对复合材料性能提出的不同要求，可极大推动任意几何构型砂/聚四氟乙烯复合材料的应用范围。
[0016](4)本专利技术自行配置的液态组分，可长期稳定存储，不分层、不沉淀，液态组分可均匀进入原砂基体的孔隙中，液态组分中多种物质的存在为梯度恒温处理创造了条件，一方面负责引入PTFE组分，另一方面又含有耐高温粘合剂，耐高温粘合剂在后续分段升温过程中负责粘结因粘合剂分解而倾向分散的砂子，保证砂型的完整性，随后基于分段升温以及降温工序在蒸发液态物质、避免产生气泡的同时使耐高温粘合剂发挥作用，保证砂型的强度，特别是使PTFE熔融、粘合，与砂子形成互穿网络，成型为任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例1的八字块构型原砂基体的抗拉强度图；
[0018]图2为本专利技术实施例1的八字块构型砂/聚四氟乙烯复合材料的抗拉强度图；
[0019]图3为本专利技术实施例1制备的复合材料模具的数码照片；
[0020]图4为本专利技术实施例1的复合材料模具制备得到的齿轮的数码照片；
[0021]图5为本专利技术实施例1的复合材料模具制备得到的螺旋管的数码照片；
[0022]图6为本专利技术实施例1制备的复合材料盛水容器的数码照片；
[0023]图7为本专利技术实施例1制备的用于塑料发泡的复合材料模具的数码照片。
具体实施方式
[0024]下面给出本专利技术的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本专利技术，不限制本申请权利要求的保护范围。
[0025]本专利技术提供了一种任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料的制造方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0026](1)将原砂与固化剂充分混合均匀，得到原砂混合料；
[0027]优选地，步骤(1)中，原砂与固化剂采用搅拌混合，搅拌速度为100～400r/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将原砂与固化剂混合均匀，得到原砂混合料；(2)将原砂混合料分配至3D打印机的铺沙模块中，将粘合剂引入3D打印机的喷头中；在3D打印机的铺沙模块进行逐层铺设原砂混合料的过程中，3D打印机的喷头按照每层的截面形状进行逐层喷射粘合剂；在固化剂的作用下，粘合剂发生固化反应，将逐层状态的原砂混合料粘结成整体，形成任意几何构型的原砂基体；(3)将原砂基体置于液态组分中，使原砂基体吸收液态组分直至原砂基体的质量不再发生变化，从而达到吸收平衡，得到任意几何构型的砂型；所述液态组分由水、聚四氟乙烯乳液和磷酸二氢铝复配而成；(4)将砂型进行梯度恒温处理，然后降至室温，得到任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料。2.根据权利要求1所述的任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，原砂与固化剂采用搅拌混合，搅拌速度为100～400r/min，时间为1～10min。3.根据权利要求1所述的任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，固化剂以雾化的形式与原砂混合。4.根据权利要求1所述的任意几何构型的砂/聚四氟乙烯复合材料的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，所述固化剂为强酸水溶液、乌洛托品水溶液、液态有机酸酯、氯化铵水溶液、硫酸铵水溶液、硝酸铵水溶液或磷酸铵水溶液中的至少一种。5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴成杰，徐乃库，韩炜，张常飞，侯建华，
申请(专利权)人：爱司达智能制造江苏有限公司，
类型：发明
国别省市：