[发明专利]一种聚苯乙烯/石墨烯3D打印球形粉末及其制备方法

说明书

本发明公开了一种聚苯乙烯/石墨烯3D打印球形粉末及其制备方法，由以下方法制备而成：1）石墨烯改性：将石墨烯分散到溶剂中，加入改性剂，反应结束后固液分离，干燥后得到改性石墨烯；2）乳液聚合：将苯乙烯、乳化剂、引发剂和水加入反应容器中，搅拌，反应得到乳液；3）喷雾干燥：将改性石墨烯加入乳液中，机械处理得到含改性石墨烯的聚苯乙烯分散乳液，喷雾干燥。本发明通过改变喷雾条件，可以有效控制粒径。且所得打印粉末的残余单体和杂质在喷雾干燥过程中有效去除，纯度较高，有利于打印。本发明能在喷雾过程中被聚苯乙烯有效的包覆，有效防止了石墨烯的裸露，同时喷雾干燥使聚苯乙烯乳液形成了高球形度的外观，从而提高了打印性能。

技术领域

本发明涉及3D打印技术，具体地说，涉及一种聚苯乙烯/石墨烯3D打印球形粉末及其制备方法。

背景技术

3D打印技术是第三次工业革命最主要的技术之一，其中选择性激光烧结(SLS)打印高分子材料具有无需支撑、应用面广、易工业化应用等优势，从而在各类3D打印技术中占据重要地位。但是，SLS 3D打印技术对打印粉末在球形度、粒径、分子量、流动性方面有着严格的要求。球形度高、粒径合适的打印粉末流动性好，利于铺粉；打印粉末粒径过小流动性差，打印粉末粒径过大激光难以熔透烧结；打印粉末的分子量及其分布有利于打印稳定性。因此，需要对打印粉末的粒径、球形度、分子量进行严格控制。

在各类打印材料中，聚苯乙烯价格低廉、收缩率较小、加工温度低、易于合成，很适合作为打印材料使用，但导电和导热性能差，难以在相关领域得到应用，而石墨烯可以很好的赋予聚苯乙烯导电和导热性能。石墨烯是一种由碳原子构成的纳米单层片状结构的材料，具有质量轻、强度高、导电性好的特点，石墨烯与3D打印的结合拓宽并加速了其在海水淡化、污水处理、电池、超级电容器、传感器等方面的应用。目前，SLS 3D打印石墨烯复合粉末的制备有以下方法：①将高分子粉末与石墨烯粉末物理混合：中国专利CN106146864A将将表面功能化的石墨烯均匀地分散在水溶液中，加入聚丙烯粉末，剧烈搅拌，旋转加热蒸发，烘干研磨过筛得到复合粉末材料用于SLS 3D打印。该方法存在球形度差、粒径分布不可控、石墨烯呈片状且粒径较小导致流动性差难以铺粉、裸露的石墨烯在激光下难以烧结导致的打印性能欠佳。②溶解析出沉淀：中国专利CN105038212A将物理混合的氧化石墨烯与尼龙在加温加压条件下溶解在有机溶剂中，再冷却泄压得到混合悬浊液，然后经过滤筛分后得到氧化石墨烯增强尼龙材料。该方法制备的粉末材料粒径不可控，球形度欠佳、溶剂消耗量大、操作条件苛刻、环境污染大。聚苯乙烯/石墨烯球形粉末的制备方法通常通过物理作用将石墨烯负载在聚苯乙烯微球表面。中国专利CN104650521A将自制的阳离子聚苯乙烯微球与氧化石墨烯混合，然后将氧化石墨烯还原得到聚苯乙烯/石墨烯复合微球，该方法聚苯乙烯表面的石墨烯因高温不熔导致激光烧结不良、石墨烯易与聚苯乙烯分离、成本昂贵。另外，研究发现聚苯乙烯合成时引入石墨烯，石墨烯会消除自由基，所以合成时加入得不到高分子量聚苯乙烯，分子量无法控制，因此分子量可控、分子量高、分子量分布窄的聚苯乙烯/石墨烯球形粉末是研究的一个新方向。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种聚苯乙烯/石墨烯3D打印球形粉末及其制备方法，该材料中的聚苯乙烯将石墨烯完全包覆，具有球形度高、分子量和粒径可控、分子量高、分子量分布窄、聚苯乙烯和石墨烯结合力强的特点，解决了石墨烯裸露造成的铺粉和烧结问题，特别适用于SLS 3D打印，同时制备方法简单、环保、成本低廉、适合规模化生产。本发明的技术方案如下：

一种聚苯乙烯/石墨烯3D打印球形粉末，由以下方法制备而成：

1）石墨烯改性：将石墨烯分散到溶剂中，然后加入改性剂，在60~100℃下持续搅拌反应2~6 h，反应结束后固液分离，最后在80~120℃干燥后得到改性石墨烯；其中石墨烯、改性剂、溶剂质量份数之比为100:10~40:300~1000；