本發明屬于聚苯乙烯微球材料的快速成型改性領域，具體提供了一種超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料及其制備方法。
背景技術：
快速成型技術成功解決了產品設計、模型制備和后期修正的時效性問題，加快了傳統開發的速度，提高了開發設計的效率。其中選擇性激光燒結以構建速度快、無需支撐結構和無環境污染等優點，成為快速成型領域的一種重要成型方式。選擇性激光燒結以特定波長和強度的激光為能量來源，通過鋪粉輥等組件將粉末材料布局后加以加熱融化并燒結，再利用垂直方向的移動實現制件的三維構造。選擇性激光燒結技術常用原料包含樹脂、金屬和陶瓷等粉末材料，其中常用樹脂原料存在力學強度低、耐磨性差和成型速度慢等不足，且原料來源通常需要經過物理粉化或化學析出，在成型時存在力學性能和化學污染的弊端。
本發明創新性地以聚苯乙烯微球為基體，以超短玻纖為改性材料，制備了一種用于快速成型領域的超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料。其中聚苯乙烯微球是一種粒徑可控的高分子量聚苯乙烯微球材料，較傳統材料而言無需物理粉化或化學析出，且具有良好的分散性；超短玻纖可以有效提高復合材料的力學強度并加快整體成型速度。
技術實現要素：
本發明提供了一種用于激光燒結快速成型領域的超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料及其制備方法，所制備的復合材料具有力學強度大、耐熱性好、耐磨性優良以及成型速度較快的特點，同時超短玻纖的引入大幅降低了復合材料的整體成本。此外本發明所涉及的制備工藝簡單且無污染，所制備復合材料可直接應用于激光燒結快速成型領域，制備具有復雜結構的三維制件。
為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
一種超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料，由以下重量份的組分制成：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纖5～45份，
偶聯劑1～5份，
抗氧劑0.05～0.13份，
潤滑劑0.05～0.17份，
熱穩定劑0.05～0.25份。
所述的聚苯乙烯微球直徑10～100μm。
所述的超短玻纖長度為50～500μm。
所述的偶聯劑為γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ―(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
所述的抗氧劑為n,n'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺、三[2，4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯和雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯中的一種或兩種以上的混合物。
所述的潤滑劑為乙烯-丙烯酸共聚物或季戊四醇硬脂酸酯。
所述的熱穩定劑為硬脂酸鈣或硬脂酸鋇。
一種超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）在容器中陸續加入聚苯乙烯微球100份、超短玻纖5～45份、偶聯劑1～5份、抗氧劑0.05～0.13份、潤滑劑0.05～0.17份及熱穩定劑0.05～0.25份，在45～85℃條件下高速攪拌10～30min至分散均勻；
（2）所得預混料經激光燒結成型制備為所需制件。
本發明具有以下有益效果：
1、聚苯乙烯微球無需物理粉化或化學析出，并且通過偶聯劑可以很好地與超短玻纖結合，提高了復合材料的力學強度；
2、超短玻纖的耐熱性遠高于樹脂材料，引入后可以大幅提升復合材料的耐熱性；
3、在成型過程中超短玻纖有效地均勻分布于體系之中，可以顯著提高聚苯乙烯微球的耐磨性；
4、超短玻纖在燒結成型時可以起到支撐和連接作用，提高了聚苯乙烯微球的固化效率，加快了復合材料的成型速度；此外超短玻纖的引入顯著降低了復合材料的綜合生產成本；
5、本發明所涉及的制備工藝簡單且無污染，所制備復合材料可直接應用于激光燒結快速成型領域，制備具有復雜結構的三維制件。
具體實施方法
下面結合具體實例對本發明內容進行進一步的說明，但所述實施例并非是對本發明實質精神的簡單限定，任何基于本發明實質精神所作出的簡單變化或等同替換均應屬于本發明所要求保護的范圍之內。如無特別說明，各實例中所述份數均為重量份。
制備的樣品在23℃、50%濕度環境下調節后，分別采用astmd6110、astmd648和astmd1242檢測復合材料的沖擊強度、熱變形溫度和耐磨性，同時記錄制件成型速度。
本發明的具體實施例如下：
實施例1
（1）在容器中陸續加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纖5份，
偶聯劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷1份，
抗氧劑n,n'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺0.02份，
抗氧劑三[2,4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯0.03份，
潤滑劑乙烯-丙烯酸共聚物0.05份，
熱穩定劑硬脂酸鈣0.05份；
（2）混合后的物料在45℃條件下高速攪拌10min至分散均勻；
（3）所得預混料經激光燒結成型制備為所需制件，并檢測相關性能。
所制得超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料性能見表一。
實施例2
（1）在容器中陸續加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纖15份，
偶聯劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷2份，
抗氧劑n,n'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺0.03份，
抗氧劑三[2,4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯0.04份，
潤滑劑乙烯-丙烯酸共聚物0.08份，
熱穩定劑硬脂酸鈣0.10份；
（2）混合后的物料在55℃條件下高速攪拌15min至分散均勻；
（3）所得預混料經激光燒結成型制備為所需制件，并檢測相關性能。
所制得超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料性能見表一。
實施例3
（1）在容器中陸續加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纖25份，
偶聯劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷3份，
抗氧劑n,n'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺0.04份，
抗氧劑三[2,4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯0.05份，
潤滑劑乙烯-丙烯酸共聚物0.11份，
熱穩定劑硬脂酸鈣0.15份；
（2）混合后的物料在65℃條件下高速攪拌20min至分散均勻；
（3）所得預混料經激光燒結成型制備為所需制件，并檢測相關性能。
所制得超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料性能見表一。
實施例4
（1）在容器中陸續加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纖35份，
偶聯劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷4份，
抗氧劑n,n'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺0.05份，
抗氧劑三[2,4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯0.06份，
潤滑劑乙烯-丙烯酸共聚物0.14份，
熱穩定劑硬脂酸鈣0.20份；
（2）混合后的物料在75℃條件下高速攪拌25min至分散均勻；
（3）所得預混料經激光燒結成型制備為所需制件，并檢測相關性能。
所制得超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料性能見表一。
實施例5
（1）在容器中陸續加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纖45份，
偶聯劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷5份，
抗氧劑n,n'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺0.06份，
抗氧劑三[2,4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯0.07份，
潤滑劑乙烯-丙烯酸共聚物0.17份，
熱穩定劑硬脂酸鈣0.25份；
（2）混合后的物料在85℃條件下高速攪拌30min至分散均勻；
（3）所得預混料經激光燒結成型制備為所需制件，并檢測相關性能。
所制得超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料性能見表一。
實施例6
（1）在容器中陸續加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纖5份，
偶聯劑γ―(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷1份，
抗氧劑n,n'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺0.02份，
抗氧劑雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯0.03份，
潤滑劑季戊四醇硬脂酸酯0.05份，
熱穩定劑硬脂酸鋇0.05份；
（2）混合后的物料在45℃條件下高速攪拌10min至分散均勻；
（3）所得預混料經激光燒結成型制備為所需制件，并檢測相關性能。
所制得超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料性能見表一。
實施例7
（1）在容器中陸續加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纖15份，
偶聯劑γ―(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷2份，
抗氧劑n,n'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺0.03份，
抗氧劑雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯0.04份，
潤滑劑季戊四醇硬脂酸酯0.08份，
熱穩定劑硬脂酸鋇0.10份；
（2）混合后的物料在55℃條件下高速攪拌15min至分散均勻；
（3）所得預混料經激光燒結成型制備為所需制件，并檢測相關性能。
所制得超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料性能見表一。
實施例8
（1）在容器中陸續加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纖25份，
偶聯劑γ―(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷3份，
抗氧劑n,n'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺0.04份，
抗氧劑雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯0.05份，
潤滑劑季戊四醇硬脂酸酯0.11份，
熱穩定劑硬脂酸鋇0.15份；
（2）混合后的物料在65℃條件下高速攪拌20min至分散均勻；
（3）所得預混料經激光燒結成型制備為所需制件，并檢測相關性能。
所制得超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料性能見表一。
實施例9
（1）在容器中陸續加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纖35份，
偶聯劑γ―(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷4份，
抗氧劑n,n'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺0.05份，
抗氧劑雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯0.06份，
潤滑劑季戊四醇硬脂酸酯0.14份，
熱穩定劑硬脂酸鋇0.20份；
（2）混合后的物料在75℃條件下高速攪拌25min至分散均勻；
（3）所得預混料經激光燒結成型制備為所需制件，并檢測相關性能。
所制得超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料性能見表一。
實施例10
（1）在容器中陸續加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
超短玻纖45份，
偶聯劑γ―(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷5份，
抗氧劑n,n'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺0.06份，
抗氧劑雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯0.07份，
潤滑劑季戊四醇硬脂酸酯0.17份，
熱穩定劑硬脂酸鋇0.25份；
（2）混合后的物料在85℃條件下高速攪拌30min至分散均勻；
（3）所得預混料經激光燒結成型制備為所需制件，并檢測相關性能。
所制得超短玻纖改性苯乙烯微球復合材料性能見表一。
對照實例1
（1）在容器中陸續加入所需原料：
聚苯乙烯微球100份，
抗氧劑n,n'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺0.02份，
抗氧劑三[2.4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯0.03份，
潤滑劑乙烯-丙烯酸共聚物0.05份，
熱穩定劑硬脂酸鈣0.05份；
（2）混合后的物料在45℃條件下高速攪拌10min至分散均勻；
（3）所得預混料經激光燒結成型制備為所需制件，并檢測相關性能。
所制得苯乙烯微球復合材料性能見表一。
表一：
由表一數據可知，本發明制備的超短玻纖改性聚苯乙烯微球復合材料沖擊強度最大為34j/m，較改性前（對照實例1）提高36%；熱變形溫度最高為113℃，較改性前提高50.7%；泰伯磨耗最小為11mg/1000次，較改性前降低45.0%，成型速度最快為39cm3/h，較改性前提高62.5%。本發明制備的復合材料具有力學強度大、耐熱性好、耐磨性優良以及成型速度較快的特點，同時超短玻纖的引入大幅降低了復合材料的整體成本。此外本發明所涉及的制備工藝簡單且無污染，所制備復合材料可直接應用于激光燒結快速成型領域，制備具有復雜結構的三維制件。
上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。