本發(fā)明主要涉及一種3D打印導電線材的制備方法，屬于3D打印(增材制造)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
3D打印(3D printing，又稱三維打印)是一種快速成形技術(shù)，它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體。由于其在制造工藝方面的創(chuàng)新，被認為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。在學術(shù)上，3D打印技術(shù)又被稱為“添加制造”(additive manufacturing)技術(shù)，也被稱為增材制造或增量制造。3D打印技術(shù)具有數(shù)字制造、降維制造(分成制造)、堆積制造、直接制造和快速制造等特點，決定了這項技術(shù)擁有可設(shè)計性、柔化制造過程、制造更靈活、簡單、快速、高效等優(yōu)勢。
在3D打印技術(shù)中，熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM技術(shù))最簡單，容易設(shè)計，且制造和維護的成本也最低，是目前使用最廣泛的3D打印技術(shù)之一，熔融沉積技術(shù)是指對絲狀材料(這里主要指的是工程塑料)進行熔融后由噴頭逐層擠出堆積成形的一種快速成形方法，這種工藝不用激光，刻刀，而是使用噴頭。目前市場上的成熟3d打印機基本都是這種成形技術(shù)，成形材料有ABS,PLA,PC,尼龍，人造橡皮，石蠟等，其中主要以PLA、ABS為主。FDM3D打印技術(shù)可用于制作模型和一些實際承載能力要求較低的零件，可變化性很強，應用范圍較廣。
聚乳酸(PLA)是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。淀粉原料經(jīng)由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌種發(fā)酵制成高純度的乳酸，再通過化學合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環(huán)境，這對保護環(huán)境非常有利，是公認的環(huán)境友好材料。
炭黑(carbon black)，是一種無定形碳，一般是指碳單質(zhì)微粒，一般是由于有機物燃燒不充分，其中的氫元素和氧元素轉(zhuǎn)化為水，而碳元素燃燒不充分，就會脫離分子，形成炭黑。導電粒子接觸的幾何學研究認為，炭黑填充量越大，處于分散狀態(tài)的炭黑粒子或炭黑粒子集合體的密度也越大，粒子間的平均距離越小，相互接觸的幾率越高，炭黑粒子或炭黑粒子集合體形成的導電通路也越多。在多組分基體樹脂與炭黑組成的共混體系中，由于不同基體的極性不同，填充炭黑會產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，這時導電性能取決于炭黑粒子在偏析相中的濃度和分布狀態(tài)，還取決于偏析相高聚物所占比例。炭黑容易獲得且價格低廉，可以很好地滿足輕工業(yè)的需求。
聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作為一種合成水溶性高分子化合物，具有水溶性高分子化合物的一般性質(zhì)，膠體保護作用、成膜性、粘結(jié)性、吸濕性、增溶或凝聚作用，同時具有一定的分散作用，且最具特色的是其優(yōu)異的溶解性能及生理相容性，因而受到人們的重視。在合成高分子中像PVP這樣既溶于水，又溶于大部分有機溶劑、毒性很低、生理相溶性好的并不多見，特別是在醫(yī)藥、食品、化妝品這些與人們健康密切相關(guān)的領(lǐng)域中，隨著其原料丁內(nèi)酯價格的降低，必將展示其發(fā)展的良好前景。
目前，3D塑料線條耗材生產(chǎn)廠生產(chǎn)的產(chǎn)品功能有限，無法滿足一些需要具有如一定導電性能的特殊功能的零部件產(chǎn)品，而專業(yè)實驗室生產(chǎn)的3D導電打印線材價格比較高昂，無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，因此需要一種簡單、導電性能優(yōu)良且價格較為低廉的3D導電打印線材的生產(chǎn)方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種3D打印導電線材的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案概述如下：
一種3D打印導電線材的制備方法，包括如下步驟：
(1)將聚乳酸原料粉碎，得到粒徑為0.5mm以下的聚乳酸粉末；
(2)在攪拌下，按質(zhì)量比為1:2～5的比例，將炭黑與聚乳酸粉末混合均勻，加入相當于炭黑與聚乳酸粉末總質(zhì)量3-5倍的無水乙醇，超聲分散10-20min；
(3)稱取炭黑與聚乳酸粉末總質(zhì)量的5％～15％的聚乙烯吡咯烷酮，在攪拌下，加入到步驟(2)獲得的混合液中，超聲分散30-45min；在水浴溫度為60-80℃的條件下，水浴加熱并不斷攪拌，直到混合液中液體揮發(fā)，得到干燥的混合粉末；
(4)將干燥的混合粉末加入拉絲機中進行拉絲，得到3D打印導電線材。
步驟(4)所述3D打印導電線材的直徑為1.75mm和3mm。
本發(fā)明的優(yōu)點是：
1.本發(fā)明開發(fā)出一種安全、環(huán)保、導電性能良好的3D打印導電線材，生產(chǎn)工藝簡單、工序少、生產(chǎn)效率高、所需設(shè)備少、成本低，適合小規(guī)?；虼笠?guī)模生產(chǎn)，具有廣闊的應用前景；
2.本發(fā)明獲得的3D打印導電線材，直徑優(yōu)選為1.75mm和3mm，也可根據(jù)需要來定制其他直徑大小的線材。
3.本發(fā)明獲得的3D打印導電線材通過3D打印方法所獲得的產(chǎn)品，產(chǎn)品具有功能多、力學性能多變等特點，可以應用于導電、防腐、耐磨等一種或多種工況。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明，但這些實施例僅用于說明本發(fā)明，但不限制其發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域其他技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均屬于本申請所附權(quán)利要求限定的范圍。
實施例1
一種3D打印導電線材的制備方法，包括如下步驟：
(1)將聚乳酸80000原料粉碎，得到粒徑為0.5mm以下的聚乳酸粉末；
(2)在攪拌下，按質(zhì)量比為1:4的比例，將炭黑與聚乳酸粉末混合均勻，加入相當于炭黑與聚乳酸粉末總質(zhì)量3倍的無水乙醇，超聲分散15min；
(3)稱取炭黑與聚乳酸粉末總質(zhì)量的10％的聚乙烯吡咯烷酮，在攪拌下，加入到步驟(2)獲得的混合液中，超聲分散30min；在水浴溫度為60℃的條件下，水浴加熱并不斷攪拌，直到混合液中液體揮發(fā)，得到干燥的混合粉末；
(4)將干燥的混合粉末加入拉絲機中進行拉絲，拉絲機溫度控制在210～220℃范圍內(nèi),得到直徑為3mm的3D打印導電線材。
為測試其力學、電學和熱力學性能，打印了若干測試試樣，將普通PLA線材3D打印的試樣，與本實施例的3D打印導電線材3D打印得到的試樣進行力學、電學和熱力學性能的對比測試(測試結(jié)果取平均值)，見表1。
表1
實施例2
一種3D打印導電線材的制備方法，包括如下步驟：
(1)將聚乳酸80000原料粉碎，得到粒徑為0.5mm以下的聚乳酸粉末；
(2)在攪拌下，按質(zhì)量比為1:2的比例，將炭黑與聚乳酸粉末混合均勻，加入相當于炭黑與聚乳酸粉末總質(zhì)量4倍的無水乙醇，超聲分散10min；
(3)稱取炭黑與聚乳酸粉末總質(zhì)量的5％的聚乙烯吡咯烷酮，在攪拌下，加入到步驟(2)獲得的混合液中，超聲分散30min；在水浴溫度為70℃的條件下，水浴加熱并不斷攪拌，直到混合液中液體揮發(fā)，得到干燥的混合粉末；
(4)將干燥的混合粉末加入拉絲機中進行拉絲，得到3D打印導電線材。
實施例3
一種3D打印導電線材的制備方法，包括如下步驟：
(1)將聚乳酸80000原料粉碎，得到粒徑為0.5mm以下的聚乳酸粉末；
(2)在攪拌下，按質(zhì)量比為1:5的比例，將炭黑與聚乳酸粉末混合均勻，加入相當于炭黑與聚乳酸粉末總質(zhì)量5倍的無水乙醇，超聲分散20min；
(3)稱取炭黑與聚乳酸粉末總質(zhì)量的5％的聚乙烯吡咯烷酮，在攪拌下，加入到步驟(2)獲得的混合液中，超聲分散45min；在水浴溫度為80℃的條件下，水浴加熱并不斷攪拌，直到混合液中液體揮發(fā)，得到干燥的混合粉末；
(4)將干燥的混合粉末加入拉絲機中進行拉絲，得到3D打印導電線材。
實驗證明，實施例2、3制備的3D打印導電線材進行3D打印，得到的試樣抗拉強度與實施例1相似。均導電，導熱系數(shù)也與實施例1相似。
在添加炭黑與PLA聚乳酸的過程中，為了保證導電性，加入炭黑，但炭黑量多時，可能導致出絲時發(fā)生螺桿粘連現(xiàn)象，或線材無法成型，從而降低線材的可塑性；但添加炭黑量不足，又會導致線材導電性差，因此在添加材料過程中需要把握好炭黑與PLA粉末之間的比例，達到線材良好的導電性和可塑性之間的平衡。同時，PVP的添加量也要適度，要保證在起到良好的黏著效果的同時也具有良好的分散效果。