[发明专利]用于3D打印的碳纳米管改性TPU材料及其制备方法

说明书

本发明属于高分子材料合成领域，具体涉及一种用于3D打印的碳纳米管改性TPU材料及其制备方法。包括以下原料：热塑性聚氨酯弹性体、改性碳纳米管、耐水解剂、紫外线吸收剂、增塑剂和抗氧剂；本发明将碳纳米管进行表面氧化处理，引入羰基、羟基官能团，随后经硅烷化处理，引入活性位点，最后对碳纳米管表面接枝修饰，引入氨基官能团，得到改性碳纳米管。本发明兼具TPU和碳纳米管的优异性能，碳纳米管经改性后，可显著提升碳纳米管和基体材料之间的相容性，使其能够均匀地分散于TPU基体材料中，改性后的TPU材料具有优异的耐磨性能、抗静电性能，热稳定性，可以作为一种3D打印材料。

技术领域

本发明属于高分子材料合成领域，具体涉及一种用于3D打印的碳纳米管改性TPU材料及其制备方法。

背景技术

热塑性聚氨酯弹性体(Thermoplastic polyurethane，TPU)材料凭借其优异的综合性能在各领域得到了广泛的应用。然而TPU材料本身性能也存在一些缺点，限制了其应用，相对于其他的工程塑料，目前TPU材料存在着耐磨性能不足、抗静电性能不足的缺点，因此TPU材料很难单独做为结构材料。碳纳米材料作为潜在价值很高的纳米填充物，可以极大提高各类材料的强度、耐磨性、抗静电性能。因此碳纳米管成为聚合物复合材料理想的增强体，但由于碳纳米管易聚集成束或缠绕，其表面是相对“惰性”的，在常见的有机溶剂或聚合物材料中的分散度低，这极大地制约了其广泛应用。目前，碳纳米管掺杂TPU的关键问题是如何实现碳纳米管在基体材料中的相容性及分散性问题，从而充分发挥碳纳米管的优异性能，增强TPU材料的综合性能。

近年来，3D打印技术在国内高速发展，3D打印最重要的一部分就是3D打印耗材的选择。TPU作为一种新型的有机高分子合成材料，各项性能优异，将此优异性能的材料推广并充分应用于3D打印技术，最大的瓶颈是如何制备性能优异的3D打印材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于3D打印的碳纳米管改性TPU材料，具有优异的耐磨性能、抗静电性能，热稳定性，可以作为一种3D打印材料；本发明还提供其制备方法。

本发明所述的用于3D打印的碳纳米管改性TPU材料，包括以下原料：热塑性聚氨酯弹性体、改性碳纳米管、耐水解剂、紫外线吸收剂、增塑剂和抗氧剂；改性碳纳米管为将碳纳米管进行氧化处理、硅烷化处理和氨基化处理得到。

其中：改性碳纳米管的制备方法如下：

(1)氧化处理碳纳米管

将碳纳米管超声分散，加热，依次加入浓硫酸和浓硝酸，进行氧化反应，反应完成后，经后处理得到氧化处理的碳纳米管；

(2)硅烷化处理氧化碳纳米管

将氧化处理的碳纳米管、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、无水乙醇和去离子水混合超声分散；再加热进行硅烷化反应，反应过程中全程通N₂，反应完成后，经后处理得到硅烷化碳纳米管；

(3)硅烷化碳纳米管的氨基化处理

向反应瓶中通入氮气，将硅烷化碳纳米管、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、去离子水和过硫酸钾水溶液依次加入反应瓶中，形成混合液，再超声分散，然后加热搅拌进行聚合反应，反应完成后，经后处理得到改性碳纳米管。

目前碳纳米管的制备方法有电弧放电法、化学气相沉积法(碳氢气体热解法)、固相热解法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。本发明改性前的碳纳米管为化学气相沉积法制备的，改性时先超声剥离减少多层纳米管以及团聚现象。

步骤(1)中碳纳米管、浓硫酸和浓硝酸的投料比为5：95-105：45-55，碳纳米管以g计，浓硫酸和浓硝酸以mL计；步骤(1)中氧化反应的温度为48-52℃，反应时间为95-105分钟。