[发明专利]石墨烯/尼龙复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种3D打印材料及其制备方法，尤其涉及一种石墨烯/尼龙复合材料及其制备方法和在3D打印中的应用。

背景技术

3D打印是一种“增材制造技术”，它具有制造成本低、生产周期短等明显优势，被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。与传统的去除材料加工技术不同，3D打印将多维制造变为简单的由下至上的二维叠加，从而大大降低了设计与制造的复杂度。但也是由于3D打印的成型原理，往往会导致成型物件的横向受力大为降低，加之3D打印高分子粉末材料需要通过激光烧结成型，烧结过程中难免会出现不均匀和空隙的现象，这样也会导致成型物件强度的降低。

尼龙作为3D打印材料，具有制品烧结成型性能优良、制品强度较高、质轻等特点，采用复合PA粉末SLS技术（选区激光烧结技术）生产的制品能够通过严格的性能测试，其制作的原型可以直接作为功能结构件使用，因而可以取代塑料，也可以直接用于实际模型进行性能检验，验证制品设计结构的合理性、制造工艺的可行性和外观的美观性，便于及时修改产品设计，以适应市场的需求，或者用于直接制造铸造用模具（模板、模样、型芯等），从而大大缩短新产品的开发周期，降低研制成本，使企业具有更强的市场竞争力。但是，由于尼龙材料的机械性能还不够完善，如在干燥的环境中质地会变脆，容易发生断裂，韧性不高容易挤压后造成不可恢复的后果，所以尼龙材料的使用还有一些局限性。若尼龙材料成型后的机械性能能够进一步增强，则应用领域会更为广阔，可在机械、化工、仪表、汽车等工业中制造轴承、齿轮、泵叶及其他零件替代相关的金属部件，同时在医疗和航天方面也有突出的贡献。

石墨烯是一种二维晶体，人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。石墨烯具有以下优势：第一，石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二，石墨烯是世界上导电性最好的材料。根据石墨烯的特性，石墨烯可应用于各材料领域，且能在相关方面起到很好的增强作用。但是，由于石墨烯质地太轻、片径太小，现有3D打印技术很难直接运用此种材料进行成型制造。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有较高的硬度、抗拉强度、弯曲强度的石墨烯/尼龙复合材料，还提供一种能够采用物理掺杂方式避免化学掺杂对材料产生破坏的石墨烯/尼龙复合材料的制备方法及其应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种石墨烯/尼龙复合材料，包括以下质量分数的组分：

尼龙粉末                   97.5%～98.5%，

石墨烯                       0.4%～0.6%，

流动助剂                    0.7%～1.8%，和

抗氧化剂                    0.2%～0.5%。

上述的石墨烯/尼龙复合材料中，优选的，所述石墨烯/尼龙复合材料的初熔点为180℃，熔程为2℃～4℃，弯曲强度为50MPa～80MPa，拉伸强度为50MPa～80MPa，硬度为80HV～90HV。

上述的石墨烯/尼龙复合材料中，优选的，所述尼龙粉末呈规则球形，所述尼龙粉末的粒径为40μm～70μm；所述尼龙粉末主要由尼龙原料经溶解沉淀制备得到，所述尼龙原料包括PA6、PA66、PA612、PA11、PA12、PA1010、PPA、PA46、PA6T和PA9T中的一种或多种。

上述的石墨烯/尼龙复合材料中，优选的，所述石墨烯具有以下性能参数：片径为2.6微米～500微米，吸光率为2.3%～5%，导热系数为4500W/（m·K）～5300W/（m·K），常温下的电子迁移率＞15000cm²/（V·s），电阻率为0.000001Ω·cm～0.00001Ω·cm。

上述的石墨烯/尼龙复合材料中，优选的，所述流动助剂包括碳化硅、二氧化硅，氧化铝、二氧化钛中的一种或多种；所述抗氧化剂包括2,2'-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的石墨烯/尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将尼龙原料置于一密闭高压容器中，先加水进行热处理，然后将热处理后的尼龙进行干燥，得到尼龙处理料；