一种可快速成型的3D打印材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印材料技术领域，具体涉及一种可快速成型的3D打印材料及其制备方法。
背景技术
3D打印技术出现在20世纪90年代中期，是一种是利用光固化和纸层叠等技术实体快速成型制造技术，它采用离散-堆积原理，综合了计算机图形处理、数字化信息和控制、光机电技术和材料技术等多项技术的优势，通过逐层不同图形的积累，最终形成一个三维物体。
传统制造业一般需要对原材料进行切割或钻孔，即减材制造，可大规模生产；3D打印则是将材料一层层堆叠粘合、熔合，即增材制造；可实现快速个性化制造，可制造出传统制造业无法完成的形状。
随着3D打印技术的发展和应用，所用材料成为限制3D打印技术未来走向的关键因素之一，在某种程度上，所用材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前3D打印材料主要包括高分子材料、金属材料、无机非金属材料和食品材料等。
综上，制备一种可快速成型的3D打印材料，提高材料的可堆积性能和耐久性能，提高3D打印成型率很有必要。
中国专利CN109485380A公开了一种快速成型的3D打印陶瓷材料及打印方法，所述陶瓷材料由以下原料组成：木岱瓷土，黏土，氧化铝，氧化锆，铁粉，助剂；打印方法，包括以下步骤：(1)将木岱瓷土、黏土、氧化铝、氧化锆和助剂混合均匀，通入氮气以排除空气，再加入铁粉边通氮气边搅拌，至铁粉搅拌均匀后得到所述陶瓷材料；(2)将陶瓷材料放置于3D打印机料槽内，所述料槽内氧浓度≦10ppm；(3)启动3D打印机打印陶瓷初坯，再经后期加工和打磨，得到最终陶瓷产品。技术方案在常温常压下实现快速成型，缩短成型周期，节约成本，工艺条件简单，易于实现，可大规模应用。
中国专利CN106380173B公开了一种用于激光烧结3D打印快速成型黑陶粉体的制备方法，其特征在于，首先将黑陶陶土进行造粒制备成粒径在30～100μm范围内造粒黑陶分体；然后，在搅拌机中加入，造粒黑陶粉体，硬脂酸钙，二丙烯三胺，加热使温度达到120～140℃，在搅拌下，加入a-氰基丙烯酸酯，热塑性环氧树脂，在300转/分钟的转速下继续搅拌至温度降到室温，得到用于激光烧结3D打印快速成型黑陶粉体，所得到的用于激光烧结3D打印快速成型黑陶粉体的粒径为40～120μm的范围内。该粉体材料采用激光烧结可可直接成型，球形度高，流动性好，成型精度高，而且具有制备工艺简单，条件易于控制，生产成本低，易于工业化生产。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种可快速成型的3D打印材料及其制备方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种可快速成型的3D打印材料由以下重量份的原料制备而成：纳米氧化铝20份～26份、丁腈橡胶4份～6份、炭黑0.05份～0.15份、低密度聚乙烯3.5份～4.5份、粘土4份～7份、高岭土3.2份～3.8份、石墨烯2.3份～3.6份、聚乙烯醇3.6份～4.6份、氯化钾2.2份～3.2份。
本发明可快速成型的3D打印材料的原料中以纳米氧化铝作为主要原料，辅以丁腈橡胶、低密度聚乙烯、粘土、高岭土、石墨烯；其中纳米氧化铝具有较高的表面活性，可塑性高，强度好，丁腈橡胶可以改善可快速成型的3D打印材料的韧性和耐温性能，满足多种环境下使用，低密度基乙烯可以增强可快速成型的3D打印材料的柔软性和成型性，提高3D打印效率，粘土和高岭土可以增强可快速成型的3D打印材料的力学强度和稳定性，提高可堆积性能，石墨烯可增强可快速成型的3D打印材料的成型性和稳定性，提高综合性能。
进一步的，可快速成型的3D打印材料由以下重量份的原料制备而成：纳米氧化铝22份～24份、丁腈橡胶4.5份～5.5份、炭黑0.07份～0.13份、低密度聚乙烯3.7份～4.3份、粘土5份～6份、高岭土3.4份～3.6份、石墨烯2.6份～3.2份、聚乙烯醇3.8份～4.2份、氯化钾2.4份～3.0份。
进一步的，纳米氧化铝的粒径为20nm～30nm。
进一步的，丁腈橡胶中丙烯腈的含量为31％～35％
本发明的另一发明目的在于提供一种可快速成型的3D打印材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、所述重量份的粘土和高岭土混合均匀，在温度为380℃～420℃的条件下煅烧3小时～6小时，之后冷却至55℃～65℃，并粉碎至200目～240目，然后研磨1小时～2小时，干燥得到粉末Ⅰ；
步骤二、所述重量份的纳米氧化铝、石墨烯和聚乙烯醇以450转/分钟～650转/分钟的速率混合研磨1小时～2小时，然后加入所述重量份的丁腈橡胶和炭黑、低密度聚乙烯，以400转/分钟～600转/分钟的速率继续研磨30分钟～60分钟，过筛得到混合物Ⅱ；
步骤三、步骤一得到的粉末Ⅰ和步骤二得到的混合物Ⅱ混合均匀，然后加入所述重量份的氯化钾，最后以550转/分钟～850转/分钟的速率研磨分散60分钟～90分钟，干燥后过300目～400目筛得到可快速成型的3D打印材料。
进一步的，步骤一中，煅烧之前在温度为80℃～120℃的条件下预烧20分钟～30分钟。
更进一步的，步骤一中，研磨的过程中按1g～1.5g：8mL的比例加入乙醇-乙酸乙酯混合液。
更进一步的，乙醇-乙酸乙酯混合液中乙醇和乙酸乙酯的质量比为5：0.5～0.8。
进一步的，步骤二中，过筛采用的筛网为260目～300目。
进一步的，步骤三中，干燥的具体条件为：在温度为75℃～95℃的条件下干燥2.5小时～4.5小时。
本发明的优点是：
(1)本发明制备的可快速成型的3D打印材料，具有极好的可堆积性能和耐久性，成型稳定，耐温性耐压性较好，可用于多种环境要求的产品打印，应用领域广泛；
(2)本发明可快速成型的3D打印材料的制备过程中，对粘土和高岭土混合进行煅烧、研磨，可以提高粘土和高岭土的强度和表面能，添加到可快速成型的3D打印材料中，可以提高打印产品的成型稳定性和力学性能，用于制备的产品具有较长的使用寿命；
(3)本发明制备的可快速成型的3D打印材料，原料来源丰富，制备工艺简单，可操作性强，适合推广。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
一种可快速成型的3D打印材料
由以下重量份的原料制备而成：纳米氧化铝20kg、丁腈橡胶4kg、炭黑0.05kg、低密度聚乙烯3.5kg、粘土4kg、高岭土3.2kg、石墨烯2.3kg、聚乙烯醇3.6kg、氯化钾2.2kg；其中，纳米氧化铝的粒径为20nm；丁腈橡胶中丙烯腈的含量为31％。
通过以下方法制备：
步骤一、所述重量份的粘土和高岭土混合均匀，在温度为80℃的条件下预烧20分钟之后在温度为380℃的条件下煅烧3小时，之后冷却至55℃，并粉碎至200目，然后按1g：8mL的比例加入乙醇-乙酸乙酯混合液研磨1小时，干燥得到粉末Ⅰ；
其中，乙醇-乙酸乙酯混合液中乙醇和乙酸乙酯的质量比为5：0.5。
步骤二、所述重量份的纳米氧化铝、石墨烯和聚乙烯醇以450转/分钟的速率混合研磨1小时，然后加入所述重量份的丁腈橡胶和炭黑、低密度聚乙烯，以400转/分钟的速率继续研磨30分钟，采用260目的筛网过筛得到混合物Ⅱ；
步骤三、步骤一得到的粉末Ⅰ和步骤二得到的混合物Ⅱ混合均匀，然后加入所述重量份的氯化钾，最后以550转/分钟的速率研磨分散60分钟，在温度为75℃的条件下干燥2.5小时后过300目筛得到可快速成型的3D打印材料。
实施例2
一种可快速成型的3D打印材料
由以下重量份的原料制备而成：纳米氧化铝26kg、丁腈橡胶6kg、炭黑0.15kg、低密度聚乙烯4.5kg、粘土7kg、高岭土3.8kg、石墨烯3.6kg、聚乙烯醇4.6kg、氯化钾3.2kg；其中，纳米氧化铝的粒径为30nm；丁腈橡胶中丙烯腈的含量为35％。
通过以下方法制备：
步骤一、所述重量份的粘土和高岭土混合均匀，在温度为120℃的条件下预烧30分钟之后在温度为420℃的条件下煅烧6小时，之后冷却至65℃，并粉碎至240目，然后按1.5g：8mL的比例加入乙醇-乙酸乙酯混合液研磨2小时，干燥得到粉末Ⅰ；
其中，乙醇-乙酸乙酯混合液中乙醇和乙酸乙酯的质量比为5：0.8。
步骤二、所述重量份的纳米氧化铝、石墨烯和聚乙烯醇以650转/分钟的速率混合研磨2小时，然后加入所述重量份的丁腈橡胶和炭黑、低密度聚乙烯，以600转/分钟的速率继续研磨60分钟，采用300目的筛网过筛得到混合物Ⅱ；
步骤三、步骤一得到的粉末Ⅰ和步骤二得到的混合物Ⅱ混合均匀，然后加入所述重量份的氯化钾，最后以850转/分钟的速率研磨分散90分钟，在温度为95℃的条件下干燥4.5小时后过400目筛得到可快速成型的3D打印材料。
实施例3
一种可快速成型的3D打印材料
由以下重量份的原料制备而成：纳米氧化铝22kg、丁腈橡胶4.5kg、炭黑0.07kg、低密度聚乙烯3.7kg、粘土5kg、高岭土3.4kg、石墨烯2.6kg、聚乙烯醇3.8kg、氯化钾2.4kg；其中，纳米氧化铝的粒径为23nm；丁腈橡胶中丙烯腈的含量为32％。
通过以下方法制备：
步骤一、所述重量份的粘土和高岭土混合均匀，在温度为90℃的条件下预烧22分钟之后在温度为390℃的条件下煅烧4小时，之后冷却至57℃，并粉碎至210目，然后按1.1g：8mL的比例加入乙醇-乙酸乙酯混合液研磨1.2小时，干燥得到粉末Ⅰ；
其中，乙醇-乙酸乙酯混合液中乙醇和乙酸乙酯的质量比为5：0.6。
步骤二、所述重量份的纳米氧化铝、石墨烯和聚乙烯醇以500转/分钟的速率混合研磨1.2小时，然后加入所述重量份的丁腈橡胶和炭黑、低密度聚乙烯，以450转/分钟的速率继续研磨35分钟，采用270目的筛网过筛得到混合物Ⅱ；
步骤三、步骤一得到的粉末Ⅰ和步骤二得到的混合物Ⅱ混合均匀，然后加入所述重量份的氯化钾，最后以650转/分钟的速率研磨分散70分钟，在温度为80℃的条件下干燥3.0小时后过310目筛得到可快速成型的3D打印材料。
实施例4
一种可快速成型的3D打印材料
由以下重量份的原料制备而成：纳米氧化铝24kg、丁腈橡胶5.5kg、炭黑0.13kg、低密度聚乙烯4.3kg、粘土6kg、高岭土3.6kg、石墨烯3.2kg、聚乙烯醇4.2kg、氯化钾3.0kg；其中，纳米氧化铝的粒径为28nm；丁腈橡胶中丙烯腈的含量为34％。
通过以下方法制备：
步骤一、所述重量份的粘土和高岭土混合均匀，在温度为110℃的条件下预烧28分钟之后在温度为410℃的条件下煅烧5小时，之后冷却至63℃，并粉碎至230目，然后按1.4g：8mL的比例加入乙醇-乙酸乙酯混合液研磨1.8小时，干燥得到粉末Ⅰ；
其中，乙醇-乙酸乙酯混合液中乙醇和乙酸乙酯的质量比为5：0.7。
步骤二、所述重量份的纳米氧化铝、石墨烯和聚乙烯醇以600转/分钟的速率混合研磨1.8小时，然后加入所述重量份的丁腈橡胶和炭黑、低密度聚乙烯，以550转/分钟的速率继续研磨560分钟，采用290目的筛网过筛得到混合物Ⅱ；
步骤三、步骤一得到的粉末Ⅰ和步骤二得到的混合物Ⅱ混合均匀，然后加入所述重量份的氯化钾，最后以750转/分钟的速率研磨分散80分钟，在温度为90℃的条件下干燥4.0小时后过380目筛得到可快速成型的3D打印材料。
实施例5
一种可快速成型的3D打印材料
由以下重量份的原料制备而成：纳米氧化铝23kg、丁腈橡胶5.0kg、炭黑0.10kg、低密度聚乙烯4.0kg、粘土5.5kg、高岭土3.5kg、石墨烯2.8kg、聚乙烯醇4.0kg、氯化钾2.7kg；其中，纳米氧化铝的粒径为25nm；丁腈橡胶中丙烯腈的含量为33％
通过以下方法制备：
步骤一、所述重量份的粘土和高岭土混合均匀，在温度为100℃的条件下预烧25分钟之后在温度为400℃的条件下煅烧4.5小时，之后冷却至60℃，并粉碎至220目，然后按1.3g：8mL的比例加入乙醇-乙酸乙酯混合液研磨1.5小时，干燥得到粉末Ⅰ；
其中，乙醇-乙酸乙酯混合液中乙醇和乙酸乙酯的质量比为5：0.6。
步骤二、所述重量份的纳米氧化铝、石墨烯和聚乙烯醇以550转/分钟的速率混合研磨1.5小时，然后加入所述重量份的丁腈橡胶和炭黑、低密度聚乙烯，以500转/分钟的速率继续研磨45分钟，采用250目的筛网过筛得到混合物Ⅱ；
步骤三、步骤一得到的粉末Ⅰ和步骤二得到的混合物Ⅱ混合均匀，然后加入所述重量份的氯化钾，最后以700转/分钟的速率研磨分散75分钟，在温度为85℃的条件下干燥3.5小时后过360目筛得到可快速成型的3D打印材料。
实验例
为了进一步说明本发明的技术进步性，现采用实验进一步说明。
实验材料：由本发明实施例1～5所得到的可快速成型的3D打印材料制成的3D打印复合材料。
上述3D打印复合材料的性能测试结果见下表1。
表1.实施例1～5得到的可快速成型的3D打印材料制成的3D打印复合材料的测试结果
从上述表1结果可以看出，本发明实施例1～5得到的可快速成型的3D打印材料采用3D打印技术成型，得到的复合材料成型快，拉伸强度、撕裂强度、粘接强度均较好，而且具有较好的耐热性，可堆积率高，应用广泛，可满足多种作业要求。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
