[发明专利]一种石墨烯3D打印线材及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯3D打印线材及其制备方法。属于非金属材料成形制造技术领域，具体为功能化石墨烯粉末的制备、薄膜基材制备、微粉喷射、一次冷却、脱模、预制体组装、加热挤压变形、二次冷却等多个工艺环节。

背景技术

3D打印线材是熔融沉积制造(FDM)特有的使用材料形式，一般是热塑性材料，如ABS、PLA、尼龙、聚碳酸酯等，以丝状供料，材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。但这种线材存在两个缺点：其一，强度不高，打印出来的产品只能作为参观物，很难广泛用于机械部件；其二，难以满足打印元器件日益增长的功能化需求：如复杂三维导电电路、电子屏蔽器件等。

石墨烯具有良好的导电性、导热性、化学稳定性和机械特性，但由于其表面能高，极易产生团聚现象，从而导致在基材中分散不均匀，分散范围不可控。目前，分散方法主要有：原位聚合法、溶液法、机械混合法；原位聚合法制备石墨烯复合材料时，将基材聚合过程、石墨剥离过程和石墨烯分散过程相统一，一步完成，大大缩减了制备过程所需时间，又能得到分散较为均匀的石墨烯纳米复合材料，但这种方法反应条件较为苛刻，适用范围有限，限制了它的广泛应用；溶液法分散性较好，能够制备出高浓度的母料，但由于要用到大量有机溶剂，又难以回收利用，对环境不是很友好；相比较上述两种方法，机械共混制备法具有通用性、环保性和经济性，不过该方法仍很难实现石墨烯在聚合物基体中的良好分散，导致材料力学性能得不到明显提高，甚至导致一定的降低。随着现代工业对通用性、环保性、经济性和石墨烯分散范围的可控性等苛刻要求的增多，上述三种工艺方法难以满足要求。

发明内容

本发明目的在于提供了一种石墨烯3D打印线材及其制备方法，经功能化石墨烯的制备、薄膜基材制备、微粉喷射、一次冷却、脱模、预制体组装、加热挤压变形、二次冷却形成具有导电性良好、抗拉强度高、柔韧性佳的石墨烯3D打印线材。

微粉喷射作为一种新的分散方法，具有工艺简单、分散范围可控且分散均匀、对环境无污染等特点。其分散范围为圆形区域，喷射的微粉在近圆心处密集，远圆心处稀疏。如图1所示，喷射区域都遵循上述规律。熔融树脂薄膜的宽度和金属模具型腔的宽度D是一致的，在生产过程中，通过调节金属模具型腔宽度D的大小来获得不同宽度的熔融树脂薄膜，经喷射后，最终获得不同宽度的预制体。喷射时，取密集处进行微粉喷射，会出现薄膜上中间大部分区域密集，两边小部分区域稀疏的情况，通过控制喷射区域间距L来调节重叠区域的大小，使两个相邻喷射区域的稀疏区域部分重合，从而使薄膜中喷射区域两边的小部分稀疏处变得密集且均匀，如此，使得整个喷射区的微粉密集和均匀程度保持一致，达到分散范围可控的要求，使功能化石墨烯粉末在熔融树脂薄膜中起到相对均匀的分散效果。

本发明是这样实现上述目的的：

(1)功能化石墨烯的制备

制备功能化石墨烯粉末，该功能化石墨烯粉末的质量分数组成为偶联剂：石墨烯＝0.006～0.02；

上述偶联剂为γ-氨基三乙氧基硅烷偶联剂。

在烧杯中将高倍率膨胀石墨粉末、偶联剂和溶剂混合，放入磁力搅拌器中，搅拌速度100～150r/min，搅拌时间为20～40min，将各物质混合均匀；然后放入180w、40khz超声波清洗器中，60℃～70℃水浴条件下超声5～10h；最后将所得混合液干燥、研磨，制得功能化石墨烯粉末；

按质量计，上述高倍率膨胀石墨为1～10份，偶联剂为0.006～0.2份，溶剂89～99份。其中膨胀石墨倍率为800～1000。

上述溶剂为水和乙醇的混合物，其质量比为0.10～0.45。

(2)薄膜基材制备

将热塑性树脂粉末倒入宽度可调的金属模具型腔中，铺平后，进行加热，使之熔融，刮平，获得熔融树脂薄膜基材；

上述热塑性树脂粉末粒径为60目。

上述金属模具型腔宽度可调，通过调节模具宽度，可以生产出不同宽度的预制体。

上述铺平方式和刮平方式均为滚动式。

上述加热方式为电阻加热或电磁感应加热，加热温度为170℃～230℃，熔融树脂薄膜基材厚度为0.1～0.6mm，宽度为0.2～3.5mm。

(3)微粉喷射

将功能化石墨烯粉末以微粉喷射的方式均匀喷射到熔融树脂薄膜基材中；