[发明专利]反应挤出增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种反应挤出增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料及制备方法，涉及3D打印材料技术领域。按照配方将原料混合后，放入双螺杆挤出机中熔融反应挤出，冷却后得到反应挤出增韧改性碳纤维增强聚乳酸3D打印丝材。本发明采用的反应挤出增韧技术，克服了高碳纤维含量时丝材韧性较差和断裂伸长率较低的问题，有利于提高碳纤维与聚乳酸的界面相容性，有力保证了打印件打印过程的顺利进行，并且加工时间短、加工过程环保、避免使用大量混酸、减少环境污染，成本低廉，适于工业化生产。

技术领域

本发明涉及3D打印材料技术领域，尤其涉及一种反应挤出增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料及制备方法。

背景技术

3D打印技术，正以其独具的影响力改变着工业界的每个角落。3D打印技术的快速进步和普及，使得作为主要耗材的聚乳酸(PLA)耗材使用量激增，然而人们发现纯PLA的力学性能仍然不能满足人们对于打印件力学性能的要求。研究表明，添加碳纤维可以有效提高聚乳酸打印件的拉伸强度，然而也存在由于碳纤维与树脂基体相容性差，造成丝材韧性较差以及材料断裂伸长率较低的问题，制备的丝材在搬运和打印过程中容易断裂，使得打印中断，打印过程需要全程看护，降低了打印效率。对碳纤维增强聚乳酸材料进行增韧改性，提高该复合材料的断裂韧性和断裂伸长率成为解决这一问题的有效方法。

为了改善碳纤维与聚乳酸材料的界面相容性，短切碳纤维增强聚乳酸3D打印材料的制备工艺主要采用在加工前通过湿法工艺分散处理碳纤维，但是也带来增加加工成本、能耗、严重的环境问题以及健康问题。例如CN 201510852655.6和CN 201510952602.1都在加工工艺中采用了混酸或浓硝酸预处理短切碳纤维的湿法工艺，大量酸的使用、湿法处理工艺以及环保压力带来了加工时间和成本的大幅提高。

通过反应改性可以有效避免处理碳纤维表面带来的环境污染问题，东华大学何娇等人采用己二酸-1,2-丙二醇酯和4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯双组份与聚乳酸熔融共混来增容改性聚乳酸的方法，有效提高了材料的断裂伸长率和界面相容性，然而双组份的使用在挤出工艺中容易存在分布不均的问题，尤其是在高碳纤维填充量的情况下，同时异氰酸酯类易挥发剧毒原料的使用也对操作环境带来较大的挑战(反应型熔融共混改性聚乳酸柔韧性研究《塑料工业》)。

综上所述，现存的反应挤出增韧改性碳纤维增强聚乳酸主要存在以下问题：

(1)碳纤维的表面预处理，使用较多的强酸，带来严重的环境问题，加工成本居高不下；

(2)采用异氰酸酯与多元醇双组份反应挤出增韧改性方法在聚乳酸的反应挤出制备工艺中，容易存在物料分散不均匀、污染操作环境以及成本较高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反应增韧改性碳纤维增强聚乳酸3D打印材料及制备方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种反应挤出增韧碳纤维增强聚乳酸3D打印材料，由以下重量百分比的原料组成的配方制备而成：聚乳酸，60-80wt％；短切碳纤维，5-30wt％；反应型增韧改性剂，1-10wt％；硅烷偶联剂，0.1-2wt％；抗氧剂，0.1-2wt％；加工助剂，0.1-0.5wt％。

优选地，所述短切碳纤维的长度为50-1000μm，直径为4-12μm。

优选地，所述反应型增韧改性剂为双酚A二缩水甘油醚、马来酸酐改性乙烯-辛烯共聚物或聚醚型聚氨酯低聚物中的一种。

优选地，所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷中的一种。

优选地，所述抗氧剂为抗氧剂168、抗氧剂1010或抗氧剂164中的一种或几种。