[发明专利]用于MJR3D打印还原氧化石墨烯包裹碳纤维增强尼龙12复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种用于MJR3D打印还原氧化石墨烯包裹碳纤维增强尼龙12复合材料及其制备。为了改善碳纤维（CF）与尼龙12（PA12）的界面结合，在预处理碳纤维表面直接合成热还原氧化石墨烯制备碳纤维复合材料，以增强碳纤维与基体的界面。首先将碳纤维经过硝酸预处理，通过将紫胶单步低温退火直接转化为RGO，在CF表面形成保形和坚固的RGO涂层，得到RGO@CF复合材料，从而在复合材料界面上形成氢键和机械联锁。最后将RGO和PA12颗粒加入无水乙醇中，同时添加质量分数为尼龙0.5%的硬脂酸钙和抗氧剂1010，随之转移至高温高压反应釜中，得到RGO@CF增强尼龙12复合粉末用于MJR3D打印机。

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种用于MJR3D打印还原氧化石墨烯包裹碳纤维增强尼龙12复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳纤维（CF）因其优异的性能如高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电好、热传导性能性优和热膨胀系数低。因此，碳纤维及其复合材料作为结构材料和功能材料在航空航天、运动休闲产品、汽车、风力发电叶片等领域得到了广泛的应用。碳纤维增强树脂基复合材料是一种以碳纤维为增强材料，合成树脂为基体材料，采用多种成型工艺制成的新型结构材料，是目前最先进的复合材料之一。但CF表面是非极性的，且具有化学活性基团，导致CF在大多数基体中没有良好的润湿性和吸附性，因此CF与基体间的界面结合强度较弱，无法将载荷有效地从基体转移到CF中。碳纤维在使用前应进行表面处理。目前已发展出多种方法来修饰表面，包括热处理、湿化学、电化学氧化，等离子体处理，气相氧化，辐照处理，涂层处理等。这些表面处理的目的是增加表面能、化学活性官能团和改变CF表面的微观结构。

尼龙12基体材料通过添加填料改性，可以获得不同力学性能的材料，从而适应不同的应用场合，目前没有文献报道纤维材料增强尼龙12相关内容，且国内更没有纤维材料增强尼龙12在MJR应用中的研究。

基于此，本发明提出一种用于MJR3D打印还原氧化石墨烯包裹碳纤维增强尼龙12复合材料及其制备方法和应用，开发出国产的碳纤维/尼龙12复合粉末，打破国外垄断。

发明内容

本发明的目的在于针对现有3D打印技术材料短缺及纯尼龙3D打印力学性能不足等问题，提供一种用于MJR3D打印还原氧化石墨烯包裹碳纤维增强尼龙12复合材料及其制备，为了改善碳纤维（CF）与尼龙12（PA12）的界面结合，在预处理碳纤维表面直接合成热还原氧化石墨烯（RGO）制备碳纤维（CF）复合材料，以增强碳纤维与基体的界面。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于MJR3D打印还原氧化石墨烯包裹碳纤维增强尼龙12复合材料及其制备方法，所述的碳纤维增强尼龙12复合材料是首先将首先将碳纤维经过硝酸预处理，通过将紫胶单步低温退火直接转化为RGO，在CF表面形成保形和坚固的RGO涂层，得到RGO@CF复合材料，从而在复合材料界面上形成氢键和机械联锁。最后将RGO@CF复合材料和PA12颗粒加入无水乙醇中，同时添加质量分数为尼龙0.5%的硬脂酸钙和抗氧剂1010，随之转移至高温高压反应釜中，得到RGO@CF增强尼龙12复合粉末用于MJR3D打印机。其制备方法包括以下步骤：

（1）碳纤维（CF）预处理

将CF和浓硝酸依次加入烧瓶中，加热至120℃，回流8 h。然后将悬液稀释、过滤，冷却至室温后反复洗涤至中性。最后，碳纤维在真空烘箱中干燥备用。

（2）紫胶（SF）溶液的制备

将紫胶片溶于异丙醇溶液中，在60℃水浴锅搅拌1h，然后在超声处理0.5h，使紫胶充分溶解在异丙醇溶液中。

（3）RGO@CF复合材料的制备

先将步骤（1）预处理好的碳纤维与步骤（2）制备好的紫胶溶液充分搅拌均匀，然后将溶液转移至65℃烘箱干燥12h；随后将干燥后的SF@CF复合材料在不同温度下，管式炉中以3℃/min的升温速率退火30min，研磨后制得RGO@CF复合材料。