CN104193908A - 3d打印用聚苯硫醚复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种3D打印用聚苯硫醚复合材料及其制备方法。该复合材料的制备方法为将N-乙烯基吡咯烷酮溶于乙醇中，加入过氧化苯甲酰，室温放置，再依次加入对苯二甲酸、α-氰基丙烯酸乙酯，室温搅拌，然后加入聚苯硫醚颗粒，加热搅拌，冷却至室温，得3D打印用聚苯硫醚复合材料。本发明制备的聚苯硫醚复合材料可在40~70℃的温度范围内进行3D打印，不会堵塞3D打印机喷头，避免了聚苯硫醚耗材3D打印需在高温条件下将高分子聚合物熔融的缺点；制备工艺简单，生产成本低，便于推广和应用；丰富了3D打印耗材的种类。

Description

3D打印用聚苯硫醚复合材料及其制备方法

技术领域

    本发明属于复合材料技术领域，涉及一种3D打印用聚苯硫醚复合材料及其制备方法。

背景技术

目前3D打印技术发展的最大阻碍就在于成型所需的材料，主要包括粉末和粘结剂两部分。从三维打印技术的工作原理可以看出，其成型粉末需要具备材料成型性好、成型强度高、粉末粒径较小、不易团聚、滚动性好、密度和孔隙率适宜、干燥硬化快等性质，可以使用的原型材料有石膏粉末、淀粉、陶瓷粉末、金属粉末、热塑材料或者是其他一些有合适粒径的粉末等。用于打印头喷射的粘结剂要求性能稳定，能长期储存，对喷头无腐蚀作用，粘度低，表面张力适宜，以便按预期的流量从喷头中挤出。且不易干涸，能延长喷头抗堵塞时间，低毒环保等。打印过程结束之后，需要将打印的模具静置一段时间，使得成型的粉末和粘结剂之间通过交联反应、分子间作用力等作用固化完全。

聚苯硫醚（PPS），是一种综合性能优异的特种工程塑料。PPS具有优良的耐高温、耐腐蚀、耐辐射、阻燃、均衡的物理机械性能和极好的尺寸稳定性以及优良的电性能等特点，被广泛用作结构性高分子材料，通过填充、改性后广泛用作特种工程塑料。同时，还可制成各种功能性的薄膜、涂层和复合材料，在电子电器、航空航天、汽车运输等领域获得成功应用。PPS为一种白色粉末，密度为1.3-1.8克每立方厘米，PPS有十分有意的热性能。用玻纤增强后的热性能指标更高，它的最高连续使用温度达400度，PPS的热稳定性优良，加热至500度时重量损失不明显，至700度时才会完全降解，它的力学性能随温度的升高下降很少，改性后的PPS能在长期负荷和热负荷的作用下保持高的力学性能和尺寸稳定性，因而可应用于温度高的受力环境中。

目前，以PPS为主体的3D打印耗材尚不多见，主要是PPS的熔化温度较高，熔融堆积成型时容易堵塞喷头。另一方面，PPS难溶于常规溶剂，不便于高分子材料改性。3D打印技术目前无法大规模推广和应用，主要限制于3D打印材料。目前用于3D打印的材料种类还比较少，无法满足工业应用的要求。另外，常规3D打印技术中的粘合成型技术还需要完善，需进一步探索条件降低成型材料所需成本以及三维打印机的成本，改进材料性能，加快模具硬化干燥速度，简化后处理过程，进一步体现“快”的特点，并且将此技术向生产更大规模的产品发展，充分发挥其作用。

本发明制备的复合材料可制成各种功能性的薄膜、涂层和复合材料，在电子电器、航空航天、汽车运输等领域获得应用，市场前景广阔。

发明内容

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种3D打印用聚苯硫醚复合材料及其制备方法。该聚苯硫醚复合材料的制备方法的特征为将N-乙烯基吡咯烷酮溶于乙醇中，加入过氧化苯甲酰，室温放置，再依次加入对苯二甲酸、α-氰基丙烯酸乙酯，室温搅拌，然后加入聚苯硫醚颗粒，加热搅拌，冷却至室温，得3D打印用聚苯硫醚复合材料。本发明制备的聚苯硫醚复合材料应用领域广泛，包括：（1）电子方面：电视机、电脑上的高压元件、外壳、插座、接线柱，电动机的起动线圈、叶片，电刷托架及转子绝缘部件，接触开关，继电器，电熨斗，吹风机，灯头，暖风机，F级薄膜等。（2）汽车工业：适用于排气再循环阀及水泵叶轮，及汽化器、排气装置、排气调节阀、灯光反射器、轴承、传感部件等。（3）机械工业：用作轴承、泵、阀门、活塞、精密齿轮、以及复印机、照相机、计算机零部件，导管、喷雾器、喷油嘴、仪器仪表零件等。（4）化工领域：用于制作耐酸碱的阀门管道、管件、阀门、垫片及潜水泵或叶轮等耐腐蚀零部件。（5）工程塑料：制造汽车零部件、防腐涂层、电器绝缘材料等。

本发明提出的3D打印用聚苯硫醚复合材料，其特征在于：

①由下列重量比的原料组成：

聚苯硫醚                      40~60%，

α-氰基丙烯酸乙酯              5~20%，

N-乙烯基吡咯烷酮             5~20%，

乙醇                         10~30%，

过氧化苯甲酰                 1~2%，

对苯二甲酸                   1~5%。

②制备步骤如下：

1）将数均分子量为10000-50000的聚苯硫醚树脂粉碎成100~120目的颗粒；

2）按重量配比称取原料；

3）在氮气氛围下，将N-乙烯基吡咯烷酮溶于乙醇中，加入过氧化苯甲酰，室温放置30~60分钟，再依次加入对苯二甲酸、α-氰基丙烯酸乙酯，室温搅拌90~120分钟，然后加入聚苯硫醚颗粒，加热至60~80℃，搅拌180~240分钟，冷却至室温，得3D打印用聚苯硫醚复合材料。

将该材料在40~70℃进行3D打印，测试成型后材料的密度、拉伸强度、弯曲模量及收缩率。

本发明的优点在于：（1）将难溶性PPS制成100~120目的微小颗粒，便于其在低沸点溶剂乙醇中分散，将聚苯硫醚与α-氰基丙烯酸乙酯、N-乙烯基吡咯烷酮等复合，添加过氧化苯甲酰、对苯二甲酸等辅助剂，配置成具有一定粘度的复合材料，在40~70℃的温度范围内进行3D打印，成型后乙醇挥发，过氧化苯甲酰引发固化，得3D打印产品。（2）本发明制备的3D打印材料是一种溶胶凝胶材料，打印过程不会堵塞3D打印机喷头，适用于现有的多数3D打印机。（3）制备工艺简单，生产成本低，便于推广和应用。

具体实施方式

   下面通过实施例进一步描述本发明

实施例1

将40g数均分子量为10000-50000的聚苯硫醚树脂粉碎成100~120目的颗粒；在氮气氛围下，将20g N-乙烯基吡咯烷酮溶于30g 乙醇中，加入1g过氧化苯甲酰，室温放置30分钟，再依次加入4g对苯二甲酸、5g α-氰基丙烯酸乙酯，室温搅拌90分钟，然后加入40g聚苯硫醚颗粒，加热至60℃，搅拌180分钟，冷却至室温，得3D打印用聚苯硫醚复合材料。

将该材料在40℃进行3D打印，成型后材料的密度为1.38g/cm³，拉伸强度为119MPa，弯曲模量为3290MPa，收缩率为2.12%。

实施例2

将60g数均分子量为10000-50000的聚苯硫醚树脂粉碎成100~120目的颗粒；在氮气氛围下，将5g N-乙烯基吡咯烷酮溶于23g 乙醇中，加入2g过氧化苯甲酰，室温放置60分钟，再依次加入5g对苯二甲酸、5g α-氰基丙烯酸乙酯，室温搅拌120分钟，然后加入60g聚苯硫醚颗粒，加热至80℃，搅拌240分钟，冷却至室温，得3D打印用聚苯硫醚复合材料。

将该材料在70℃进行3D打印，成型后材料的密度为1.33g/cm³，拉伸强度为103MPa，弯曲模量为3170MPa，收缩率为1.19%。

实施例3

将48g数均分子量为10000-50000的聚苯硫醚树脂粉碎成100~120目的颗粒；在氮气氛围下，将20g N-乙烯基吡咯烷酮溶于10g 乙醇中，加入1g过氧化苯甲酰，室温放置40分钟，再依次加入1g对苯二甲酸、20g α-氰基丙烯酸乙酯，室温搅拌100分钟，然后加入48g聚苯硫醚颗粒，加热至70℃，搅拌200分钟，冷却至室温，得3D打印用聚苯硫醚复合材料。

将该材料在75℃进行3D打印，成型后材料的密度为1.34g/cm³，拉伸强度为115MPa，弯曲模量为3410MPa，收缩率为1.32%。

实施例4

将55g数均分子量为10000-50000的聚苯硫醚树脂粉碎成100~120目的颗粒；在氮气氛围下，将10g N-乙烯基吡咯烷酮溶于20g 乙醇中，加入2g过氧化苯甲酰，室温放置45分钟，再依次加入3g对苯二甲酸、10g α-氰基丙烯酸乙酯，室温搅拌90分钟，然后加入55g聚苯硫醚颗粒，加热至75℃，搅拌210分钟，冷却至室温，得3D打印用聚苯硫醚复合材料。

将该材料在75℃进行3D打印，成型后材料的密度为1.37g/cm³，拉伸强度为127MPa，弯曲模量为3190MPa，收缩率为1.18%。

实施例5

将45g数均分子量为10000-50000的聚苯硫醚树脂粉碎成100~120目的颗粒；在氮气氛围下，将5g N-乙烯基吡咯烷酮溶于30g 乙醇中，加入2g过氧化苯甲酰，室温放置60分钟，再依次加入3g对苯二甲酸、15g α-氰基丙烯酸乙酯，室温搅拌120分钟，然后加入45g聚苯硫醚颗粒，加热至65℃，搅拌240分钟，冷却至室温，得3D打印用聚苯硫醚复合材料。

将该材料在65℃进行3D打印，成型后材料的密度为1.29g/cm³，拉伸强度为123MPa，弯曲模量为3250MPa，收缩率为1.24%。

Claims (2)

1.一种3D打印用聚苯硫醚复合材料，其特征在于：由下列重量比的原料组成：

聚苯硫醚                      40~60%，

α-氰基丙烯酸乙酯              5~20%，

N-乙烯基吡咯烷酮             5~20%，

乙醇                         10~30%，

过氧化苯甲酰                 1~2%，

对苯二甲酸                   1~5%。

2.一种3D打印用聚苯硫醚复合材料的制备方法，其特征在于：其步骤如下：

1）将数均分子量为10000-50000的聚苯硫醚树脂粉碎成100~120目的颗粒；

2）按重量配比称取原料；

3）在氮气氛围下，将N-乙烯基吡咯烷酮溶于乙醇中，加入过氧化苯甲酰，室温放置30~60分钟，再依次加入对对苯二甲酸、α-氰基丙烯酸乙酯，室温搅拌90~120分钟，然后加入聚苯硫醚颗粒，加热至60~80℃，搅拌180~240分钟，冷却至室温，得3D打印用聚苯硫醚复合材料。