一种导热功能材料的选择性激光烧结成型方法.pdf

本发明公开了一种导热功能材料的选择性激光烧结成型方法：将偶联剂在醇水混合液中分散，加入导热填料粉体充分搅拌均匀，经恒温干燥箱干燥，得到偶联后的导热填料，将其与聚合物基体在搅拌机中混合搅拌后，在双螺杆挤出机中于200～250℃混炼并挤出造粒，在液氮冷却的条件下，将所得复合颗粒料粉碎，在选择性激光烧结成型机中于氮气保护下成型，将所得成型制件进行热处理，得到所述的导热功能材料；本发明方法通过混炼挤出、低温破碎、热处理相结合的工艺，可制备高性能且外观规整的SLS成型制品，且工艺流程简单易行，对设备要求不高。

1.  一种导热功能材料的选择性激光烧结成型方法，其特征在于，所述方法按如下步骤进行：
(1)将偶联剂在醇水混合液中分散，得到偶联剂醇水溶液，将所得偶联剂醇水溶液与导热填料粉体混合，充分搅拌均匀，经恒温干燥箱干燥，得到偶联后的导热填料；其中，所述偶联剂为γ-氨丙基三乙基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷或钛酸酯偶联剂；所述导热填料粉体为Al₂O₃粉、Al粉或AlN粉；所述偶联剂与导热填料粉体的质量比为0.5～1：100；
(2)将步骤(1)所得偶联后的导热填料与聚合物基体按质量比1：0.25～1在搅拌机中混合搅拌后，在双螺杆挤出机中于200～250℃混炼并挤出造粒，得到复合颗粒料；其中，所述聚合物基体为尼龙12；
(3)在液氮冷却的条件下，将步骤(2)所得复合颗粒料进行粉碎，得到粒径为20～150μm的复合导热粉体材料；
(4)氮气保护下，将步骤(3)制备的复合导热粉体材料在选择性激光烧结成型机中成型，得到成型制件；
(5)将步骤(4)所得成型制件进行热处理，所述热处理的方法为：将所述成型制件放入恒温干燥箱中，氮气保护下，于180～200℃保温处理0.5～1.5h，之后在氮气氛围下自然冷却至室温，得到所述的导热功能材料。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述醇水混合液中，醇与水的质量比为1：0.5～1.5，所述醇为乙醇。

3.  如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述醇水混合液的体积用量以导热填料的质量计为0.20～0.35mL/g。

4.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述导热填料粉体的粒径为0.1～10μm。

5.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述经恒温干燥箱干燥的方法为：在70℃干燥2～4h，再于110℃干燥4～8h。

6.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述复合导热粉体材料在选择性激光烧结成型机中成型，其中，所述复合导热粉体材料的预热温度为170℃，成型层厚度设置为0.1mm。

一种导热功能材料的选择性激光烧结成型方法
(一)技术领域
本发明属于快速成型技术领域，具体涉及一种导热功能材料的选择性激光烧结成型方法，所述方法包括导热功能材料的制备、成型和制件后处理工艺。
(二)技术背景
选择性激光烧结(Selected Laser Sintering，SLS)成型是一种先进制造技术，基于离散/堆积原理，通过CAD/Pro-E等设计软件或者三维实体扫描得到目标成型模型，将三维模型经程序切片后在成型机粉床中逐层选择性烧结堆积成型三维实体。综合利用了计算机科学与工程，机械制造自动化及控制工程，激光工程和材料科学工程等多门学科，是一种不同于传统减材制造的增材制造技术。因其具有高度自动化，数字化，高精度等特点，被广泛运用于建筑、医疗、航空、汽车工业机械及通讯等领域的产品研发和模型制造。
目前成熟运用于SLS材料多为塑料粉末，如美国DTM公司推出的标准PA粉、PC粉，EOS推出的PA3200GF等。然而，大部分塑料制件不具备功能特性，不适用于制备功能元器件。随着该技术的应用推广，越来越多的人尝试着利用SLS成型功能器件。在该领域，目前多通过粉末机械共混法或溶剂沉淀包覆法制备用于SLS成型的复合粉体。如武汉工程大学汪艳等通过机械共混尼龙粉末和硅灰石(塑料工业，2006年，第34卷第12期)、玻璃微珠(中国塑料，2004年，第18卷第11期)得到混合粉体，直接SLS成型功能件；华中科技大学史玉升(专利申请号：200710051863.1)和华曙高科许小曙等(专利申请号：201010597529.8)都分别公布了多种通过溶剂沉淀包覆法制备无机物填充有高分子材料的复合粉体，得到的复合粉体包覆效果好，颗粒尺寸可控。机械共混法虽然操作简单，成本低，但存在混合不均匀，成型致密性差等缺点；溶剂沉淀包覆法虽能制得较为理想的复合粉体，但对设备和生产条件有严苛要求，生产成本高，在大规模生产中有一定局限性。
本发明基于长期对注塑成型导热复合材料的研究，提出了一种通过熔融共混结合低温破碎的方法制备选择性激光烧结成型导热复合材料的制备工艺，该工艺简单易行，成本低，适合大规模生产，制得填料分散均匀，基体包覆和结合良好 导热功能粉体。该工艺可以弥补现有方法的缺陷，获得具有更好微结构和更优性能的快速成型元器件。
然而，不管是利用何种方法制备出的SLS复合粉体，在SLS成型复合材料功能器件时，因为激光照射时间短，透过深度有限，粉体颗粒间来不及完全熔融结合致密化，容易出现粉体颗粒间结合不致密，导致之间密实度差，影响制件的强度和功能特性。针对这一问题，有人通过热等静压技术辅助改善制件内部结合强度，提高颗粒之间密实程度，如华中科技大学史玉升等(应用激光，2013年，第33卷第1期)通过对SLS成型Al₂O₃/EP06制件进行等静压下保压处理改善制件密度，然而这种方法需要静压设备，工艺要求高，过程复杂，性价比不高。也有人采用通过在成型件中渗入环氧树脂液体树脂或烧除原基体后渗入其他基体等方法使其致密化，如东北林业大学郭艳玲等(电加工与模具，2011年，第6期)通过在SLS成型木粉/PES制件中渗蜡达到致密化的目的。前者虽能一定程度改善制件密度，但渗入树脂与制件间结合不佳，后者虽能使制件得到较大密实程度，然而却要破坏之间原有形状，且工艺复杂成本高。
本发明针对该问题，结合对SLS工艺过程的理解，认为SLS成型虽能快速有效的成型各种形状的成型制件，然而在成型功能复合材料过程中不但要求有规整的外形还要求具有良好的实用性和功能性，故对其密实程度要求较高，因而如何简单高效地解决成型制件结合强度不大的问题显得很有意义。故提出了一种选择性激光烧结成型高分子基复合材料制件后处理工艺。该工艺简单易行，对设备要求不高，节能环保效果佳，且能很大程度改善SLS制件的密实程度。
(三)发明内容
本发明采用如下技术方案：
一种导热功能材料的选择性激光烧结成型方法，所述方法按如下步骤进行：
(1)将偶联剂在醇水混合液中分散，得到偶联剂醇水溶液，将所得偶联剂醇水溶液与导热填料粉体混合，充分搅拌均匀，经恒温干燥箱干燥，得到偶联后的导热填料；其中，所述偶联剂为γ-氨丙基三乙基硅烷(KH550)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)或钛酸酯偶联剂；所述导热填料粉体为Al₂O₃粉、Al粉或AlN粉；所述偶联剂与导热填料粉体的质量比为0.5～1：100；
(2)将步骤(1)所得偶联后的导热填料与聚合物基体按质量比1：0.25～1 在搅拌机中混合搅拌后，在双螺杆挤出机中于200～250℃混炼并挤出造粒，得到复合颗粒料；其中，所述聚合物基体为尼龙12(PA12)；
(3)在液氮冷却的条件下，将步骤(2)所得复合颗粒料进行粉碎，得到粒径为20～150μm的复合导热粉体材料；
(4)氮气保护下，将步骤(3)制备的复合导热粉体材料在选择性激光烧结成型机中成型，得到成型制件；
(5)将步骤(4)所得成型制件进行热处理，所述热处理的方法为：将所述成型制件放入恒温干燥箱中，氮气保护下，于180～200℃保温处理0.5～1.5h，之后在氮气氛围下自然冷却至室温，得到所述的导热功能材料。
本发明导热功能材料的选择性激光烧结成型方法，其中，步骤(1)所述醇水混合液中，醇与水的质量比可以为1：0.5～1.5，优选醇与水的质量比为1：1，并且所述醇为乙醇。推荐所述醇水混合液的体积用量以导热填料的质量计为0.20～0.35mL/g。
优选步骤(1)所述导热填料粉体的粒径为0.1～10μm。
步骤(1)所述经恒温干燥箱干燥的方法推荐为：在70℃干燥2～4h，再于110℃干燥4～8h。当干燥时间过短，则水分会有残留，影响后面混炼时聚合物的性能；当干燥时间过长，填料会变硬，影响后面混炼过程中填料的分散。
步骤(2)中，要求所述聚合物基体的熔融温度在170～230℃，优选尼龙12，且在80℃下干燥后备用。
步骤(2)中，推荐所述偶联后的导热填料与聚合物基体的质量比1：0.25～1，其中，若偶联后的导热填料和聚合物基体的质量比小于1：1，则所得复合颗粒料热导率低；而若偶联后的导热填料和聚合物基体的质量比大于1：0.25，则导热填料过量，在熔融挤出加工过程中易发生堵塞，不易加工，且在SLS中不易成型。
步骤(2)所述偶联后的导热填料与聚合物基体在搅拌机中混合搅拌时，优选所述搅拌机的转速为1000～1200rpm，搅拌时间为10～30min。
步骤(2)所述在双螺杆挤出机中混炼并挤出造粒时，优选所述双螺杆挤出机的螺杆转速为160～300rpm。
步骤(3)中，将所述复合颗粒料在液氮冷却的环境下进行低温破碎，过筛 回收细粉，粗粉继续粉碎，要求最终得到的复合导热粉体材料粒径在20～150μm。
步骤(4)中所述复合导热粉体材料在选择性激光烧结成型机中成型，其中，推荐所述复合导热粉体材料的预热温度为170℃，成型层厚度设置为0.1mm。
步骤(5)中，所述的热处理温度应该在待处理成型制件的聚合物基体熔融温度以上。若热处理温度过低，则热处理无效果；若热处理温度过高，则易使制件熔融变形，故热处理温度设定在高于待处理成型制件的聚合物基体熔融温度的10～30℃为佳。特别地，不宜将成型制件在空气环境下热处理。
步骤(5)中，所述的热处理时间以0.5～1.5h为佳，所述热处理时间不包括恒温干燥箱由室温升至设定温度的时间。若热处理时间过短，则制件内部来不及熔融致密；热处理时间过长，对制件密实度增长无益且能耗高。
步骤(5)中，热处理结束后，将制件在恒温干燥箱中，于氮气保护条件下自然冷却至室温。特别地，不宜将热处理后的制件暴露在空气中冷却。
本发明提出的一种导热功能材料的选择性激光烧结成型方法，相对常规的注塑成型而言，其优势在于，成型过程对复合材料熔融流动性没有要求，可以快速有效地得到高填充的导热功能材料且成型结构复杂的制件。通过混炼挤出、低温破碎、热处理相结合的工艺方法，可制备高性能且外观规整的SLS成型制品，与常规的机械共混法或溶液共混法相比，采用现在塑料加工中常用的挤出造粒设备，工艺流程简单易行、对设备要求不高。
(四)具体实施方式
下面通过具体实施例来对本发明进行进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
(1)将100gKH550(γ-氨丙基三乙基硅烷)在5000mL乙醇与水质量比1:1的混合溶液中分散，然后加入20kgAl₂O₃粉体(粒径为3μm)，充分搅拌均匀后，置于恒温干燥箱中，先于70℃干燥2h，再于110℃干燥6h，得到偶联后的Al₂O₃粉体；
(2)先将尼龙12(PA12)颗粒料在80℃条件下干燥，然后，称取16kg根据步骤(1)制备的偶联后的Al₂O₃粉体和4kg干燥后的尼龙12颗粒料，将二者置于搅拌机中，在1000rpm下搅拌10min后，再置于双螺杆挤出机中于220℃， 240rpm条件下两次挤出造粒，得到复合颗粒料；
(3)将根据步骤(2)制备的复合颗粒料在液氮冷却的条件下进行粉碎，粉碎后过120目筛，筛上料重新粉碎，筛下细粉为复合导热粉体材料(粒径在20～150μm之间)，该料为用于SLS成型的Al₂O₃/PA12复合粉体材料；
(4)氮气保护下，将根据步骤(3)制备的复合粉体材料在选择性激光烧结成型机中进行烧结成型，其中预热温度170℃，成型层厚0.1mm，成型完毕后得到外形规整的成型制件；经测试所得成型制件密度达到1.85g/cm³，相对密度达到73.7％；
(5)取根据步骤(4)制备的成型制件，在恒温干燥箱中，氮气保护下进行热处理，热处理温度为120℃，保温1h，然后在氮气氛围下冷却至室温后取出，即得最终SLS成型制品；用阿基米德法密度天平测试其热处理后的密度(参照GB/T1033-2008)，对比热处理前后密度变化，计算该热处理温度和时间下试样密度变化率，具体数据见表1。
实施例2
方法同实施例1，不同之处是步骤(5)中，热处理温度为150℃，保温1h处理；用阿基米德法密度天平测试其热处理后的密度，对比热处理前后密度变化，计算该热处理温度和时间下试样密度变化率，具体数据见表1。
实施例3
方法同实施例1，不同之处是步骤(5)中，热处理温度为180℃，保温1h处理；用阿基米德法密度天平测试其热处理后的密度，对比热处理前后密度变化，计算该热处理温度和时间下试样密度变化率，具体数据见表1。
实施例4
方法同实施例1，不同之处是步骤(5)中，热处理温度为200℃，保温1h处理；用阿基米德法密度天平测试其热处理后的密度，对比热处理前后密度变化，计算该热处理温度和时间下试样密度变化率，具体数据见表1。
实施例5
方法同实施例1，不同之处是步骤(5)中，热处理温度为230℃，保温1h处理；用阿基米德法密度天平测试其热处理后的密度，对比热处理前后密度变化，计算该热处理温度和时间下试样密度变化率，具体数据见表1。
实施例6
方法同实施例1，不同之处是步骤(5)中，热处理温度为200℃，保温10min处理；用阿基米德法密度天平测试其热处理后的密度，对比热处理前后密度变化，计算该热处理温度和时间下试样密度变化率，具体数据见表1。
实施例7
方法同实施例1，不同之处是步骤(5)中，热处理温度为200℃，保温30min处理；用阿基米德法密度天平测试其热处理后的密度，对比热处理前后密度变化，计算该热处理温度和时间下试样密度变化率，具体数据见表1。
实施例8
方法同实施例1，不同之处是步骤(5)中，热处理温度为200℃，保温1.5h处理；用阿基米德法密度天平测试其热处理后的密度，对比热处理前后密度变化，计算该热处理温度和时间下试样密度变化率，具体数据见表1。
表1实施例1～8的热处理结果


实施例9
(1)将75gKH550(γ-氨丙基三乙基硅烷)在3750mL乙醇与水质量比1:1的混合溶液中分散，然后加入15kgAl₂O₃粉体(粒径为3μm)，充分搅拌均匀后，置于恒温干燥箱中，先于70℃干燥2h，再于110℃干燥6h，得到偶联后的Al₂O₃粉体；
(2)先将尼龙12(PA12)颗粒料在80℃条件下干燥，然后，称取10kg根据步骤(1)制备的偶联后的Al₂O₃粉体和10kg干燥后的尼龙12颗粒料，将二者置于搅拌机中，在1000rpm下搅拌10min后，再置于双螺杆挤出机中于220℃，240rpm条件下两次挤出造粒，得到复合颗粒料；
(3)将根据步骤(2)制备的复合颗粒料在液氮冷却的条件下进行粉碎，粉碎后过120目筛，筛上料重新粉碎，筛下细粉为复合导热粉体材料(粒径在20～150μm之间)，该料为用于SLS成型的Al₂O₃/PA12复合粉体材料；
(4)氮气保护下，将根据步骤(3)制备的复合粉体材料在选择性激光烧结成型机中进行烧结成型，其中预热温度170℃，成型层厚0.1mm，成型完毕后得到外形规整的成型制件；
(5)取根据步骤(4)制备的成型制件，在恒温干燥箱中，氮气保护下进行热处理，热处理温度为200℃，保温1h，然后在氮气氛围下冷却至室温后取出，即得最终SLS成型制品。
实施例10
(1)将200g钛酸酯偶联剂在6000mL乙醇与水质量比1:1的混合溶液中分散，然后加入20kgAl粉体(粒径为5μm)，充分搅拌均匀后，置于恒温干燥箱中，先于70℃干燥2h，再于110℃干燥7h，得到偶联后的Al粉体；
(2)先将尼龙12(PA12)颗粒料在80℃条件下干燥，然后，称取14.5kg根据步骤(1)制备的偶联后的Al粉体和5.5kg干燥后的PA12颗粒料，将二者置于搅拌机中，在1000rpm下搅拌10min后，再置于双螺杆挤出机中于230℃， 260rpm条件下两次挤出造粒，得到复合颗粒料；
(3)将根据步骤(2)制备的复合颗粒料在液氮冷却的条件下进行粉碎，粉碎后过120目筛，筛上料重新粉碎，筛下细粉为复合导热粉体材料(粒径在20～150μm之间)，该料为用于SLS成型的Al/PA12复合粉体材料；
(4)氮气保护下，将根据步骤(3)制备的复合粉体材料在选择性激光烧结成型机中进行烧结成型，其中预热温度170℃，成型层厚0.1mm，成型完毕后得到外形规整的成型制件；
(5)取根据步骤(4)制备的成型制件，在恒温干燥箱中，氮气保护下进行热处理，热处理温度为200℃，保温1h，然后在氮气氛围下冷却至室温后取出，得到最终SLS成型制品。
实施例11
(1)将100gKH570偶联剂在5000mL乙醇与水质量比1:1的混合溶液中分散，然后加入20kgAlN粉体(粒径为2μm)充分搅拌均匀后，置于恒温干燥箱中，先于70℃干燥2h，再于110℃干燥6h，得到偶联后的AlN粉体；(2)先将尼龙12(PA12)颗粒料在80℃条件下干燥，然后，称取14kg根据步骤(1)制备的偶联后的AlN粉体和6kg干燥后的PA12颗粒料，将二者置于搅拌机中，在1000rpm下搅拌10min后，再置于双螺杆挤出机中于220℃，240rpm条件下两次挤出造粒，得到复合颗粒料；
(3)将根据步骤(2)制备的复合颗粒料在液氮冷却的条件下进行粉碎，粉碎后过120目筛，筛上料重新粉碎，筛下细粉为复合导热粉体材料(粒径在20～150μm之间)，该料为用于SLS成型的AlN/PA12复合粉体材料；
(4)氮气保护下，将根据步骤(3)制备的复合粉体材料在选择性激光烧结成型机中进行烧结成型，其中预热温度170℃，成型层厚0.1mm，成型完毕后得到外形规整的成型制件；
(5)取根据步骤(4)制备的成型制件，在恒温干燥箱中，氮气保护下进行热处理，热处理温度为200℃，保温1h，然后在氮气氛围下冷却至室温后取出，得到最终SLS成型制品。