一种适用于快速原型技术的树脂复合材料

摘要

本发明涉及一种复合材料3D实物成型领域，特别涉及一种快速原型技术的树脂复合材料。其特征在于：该树脂复合材料由树脂、颗粒材料和助剂组成；其中树脂为环氧树脂、不饱和树脂、酚醛树脂、呋喃树脂等，树脂含量为总体质量的0.5%-25%；颗粒材料为陶瓷颗粒、石墨、铝粉、石英砂等，其含量为总体质量的45%～95%，其颗粒大小要求：50目～100目为40%，100目～150目为10%，150～180目为10%，180目～200目为10%，200目～250目为10%，大于250目为20%；助剂为固化剂或稀释剂中的一种或两种，助剂的含量为余量。本发明的目的在于解决现有的快速原型技术中存在树脂含量高、成本高、造型材料强度不够，易造成废品等方面存在的问题。

说明书

技术领域：本发明涉及一种复合材料3D实物成型领域，特别涉及一种快速 原型技术的树脂复合材料。

背景技术：为了提高产品的市场竞争力，高精度、低成本及快速制造成为 现代企业的基本要求。在此理念上研究人员开发了许多快速成型技术，这些技 术统称为快速原型技术，其工艺方法都是在材料累加成型的基础上结合激光、 烧结、热融等方法来实现的。树脂复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、加 工成型方便、成本低等显著特点适宜快速原型技术。常规的树脂复合材料是采 用树脂作为基体材料，通过添加的颗粒材料作为增强材料，混合后添加固化剂 与其他助剂形成具有一定形状与力学性能的材料。其添加的颗粒材料粒径通常 为同一规格或一定范围，没有考虑到添加颗粒材料的粒径级配与颗粒的真圆度 对造型材料的影响。致使其树脂含量多、成本高，树脂复合材料的品质波动直 接影响最终造型材料的质量，容易造成废品。

发明内容：

发明目的：本发明提供一种适用于快速原型技术的树脂复合材料，其目的 在于解决现有的快速原型技术中存在树脂含量高、成本高、造型材料强度不够， 易造成废品等方面存在的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实施的：

一种适用于快速原型技术的树脂复合材料，其特征在于：该树脂复合材料 由树脂、颗粒材料和助剂组成；其中树脂为环氧树脂、不饱和树脂、酚醛树脂、 呋喃树脂、聚乙烯醇树脂、聚丙烯树脂、水玻璃中的一种、两种或它们的多种 组成，其树脂含量为总体质量的0.5%-25%；颗粒材料为陶瓷颗粒、石墨、铝粉、 锡粉、石英砂中的一种或多种组成，其含量为总体质量的45%～95%，其颗粒大 小要求：50目～100目为40%，100目～150目为10%，150～180目为10%，180 目～200目为10%，200目～250目为10%，大于250目为20%；助剂为固化剂或 稀释剂中的一种或两种，助剂的含量为余量。

颗粒材料的颗粒真圆度比要求球形与非球形颗粒的比例为7:3。

优点及效果：通过调整颗粒材料的级配能够有效的区分不同颗粒的粒径， 将不同目数的颗粒按合理的级配方案混合使用后，小颗粒能够添入到大颗粒的 缝隙中，显著提高材料的密实度，大颗粒能够起到骨架支持作用，提高造型材 料的强度指标；通过调整颗粒的真圆度（真圆度以其实际轮廓相对于理想圆的 径向偏移量来表示，亦即相对于同一圆心之最大半径与最小半径的比值来表示， 通常将比值小于1.2定义为球形）考虑球形颗粒为小粒径颗粒能够促进树脂复合 材料流动性，非球形颗粒为大粒径颗粒能够堆积在一起起到骨架作用；通过调 整颗粒材料的特征减少了树脂用量，降低生产成本，减少固化时间，降低固化 时气味排放，保证操作人员的健康。

附图说明：

图1为本发明在10倍光学显微镜放大下颗粒实物图片；

图2为本发明颗粒直方图像示意图；

图3为本发明颗粒二值图像示意图；

图4为本发明颗粒的膨胀与腐蚀处理结果图像示意图；

图5为本发明颗粒形状统计图；其中图5a为75～45μm粒径；图5b为55～ 45μm粒径；图5c为37～20μm粒径。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明进行具体说明：

本发明为克服现有技术的不足，提供一种降低树脂含量，而且通过调整添 加颗粒材料的粒径级配，并考虑颗粒的真圆度比例，来获得的高强度快速原型 技术树脂复合材料。

本发明的树脂复合材料，由树脂，颗粒材料，助剂组成；其中树脂为环氧 树脂、不饱和树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、聚乙烯醇树脂、聚丙烯树脂、水玻 璃中的一种或它们的两元、多元组合物，其树脂含量为总体质量的0.5%-25%； 颗粒材料为陶瓷颗粒、石墨、铝粉、锡粉、石英砂中的一种或多种组合物，其 特点在于颗粒材料的级配良好，即颗粒大小组成合理，如50目-100目40%，100 目-150目10%，150-180目10%，180目-200目10%，200目-250目10%，大于 250目20%，与适宜的颗粒真圆度比例，如球形与非球形颗粒的比例为7:3，则 可以用较低的树脂含量满足造型材料的性能要求，其含量为总体质量的 45%-95%；助剂为固化剂（如二乙烯三胺、环烷酸钻苯乙烯等）与稀释剂（苯 乙烯、苯甲醇等）。

制备的复合树脂材料是将填充颗粒按照设定好的级配与真圆度比例进行混 合，而后加入树脂进行搅拌并添加适量的固化剂与助剂。由于填充颗粒级配合 理，树脂的粘结效率提高，树脂需用量减少，具体的复合树脂材料配比需根据 原材料的特性以及使用要求等因素制定。为了加深对本发明的理解，下面将结 合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本 发明保护范围的限定。

实施实例1

原料及配方：填充颗粒：陶瓷颗粒35份（质量分数，下同）级配比例为： 50目-100目40%，100目-150目10%，150-180目10%，180目-200目10%，200 目-250目10%，﹥250目20%，真圆度比例为：50目-100目中真圆度小于1.2 占10%，100目-180目中真圆度小于1.2占50%,180目-250目中真圆度小于1.2 占80%，石墨颗粒27份级配比例为150目-200目50%，200目-250目30%，﹥ 250目20%，真圆度比例为：150目-250目中真圆度小于1.2占10%，﹥250目 中真圆度小于1.2占80%，铝粉20份级配比例为200目-250目50%，250目-300 目30%，﹥300目20%，真圆度比例为：200目-300目中真圆度小于1.2占10%， ﹥300目中真圆度小于1.2占10%，树脂：环氧树脂16份；助剂：固化剂（二 乙烯三胺等）0.5份，稀释剂1.5份。

制备方法：按照配方将称量好的环氧树脂到入容器，加入稀释剂和陶瓷颗 粒、石墨、铝粉，充分搅拌均匀，加入适量固化剂和其他添加剂，不断搅拌， 待充分混合均匀后倒入成型模具中成型，脱模后置于恒温箱中充分固化。

表1树脂复合材料中颗粒粒径与形状对材料性能影响

实施实例2

原料及配方：填充颗粒：陶瓷颗粒40份（质量分数，下同）级配比例为50 目-100目40%，100目-150目20%，150-200目10%，200目-250目10%，﹥250 目20%，真圆度比例为：50目-100目中真圆度小于1.2占10%，100目-250目 中真圆度小于1.2占50%,﹥250目中真圆度小于1.2占90%，石英砂37份级配 比例为50目-70目10%，70目-80目15%，80目-90目15%，90目-100目40%， ﹥100目20%，真圆度比例为：50目-80目中真圆度小于1.2占20%，80目-100 目中真圆度小于1.2占50%，﹥100目中真圆度小于1.2占90%；树脂：不饱和 树脂20份；助剂：与树脂配套的固化剂（环烷酸钻苯乙烯等）1份，稀释剂2 份。

制备方法：按照配方将称量好的不饱和树脂到入容器，加入稀释剂和陶瓷 颗粒、石英砂，充分搅拌均匀，加入适量固化剂和其他添加剂，不断搅拌，得 到复合树脂固化材料。

表2树脂复合材料中颗粒粒径与形状对材料性能影响

实施实例3

原料及配方：填充颗粒：锡粉颗粒60份（质量分数，下同）级配比例为： 100目-200目80%，200目-300目10%，﹥300目10%，真圆度比例为：100目 -200目中真圆度小于1.2占10%，200目-300目中真圆度小于1.2占50%,﹥300 目中真圆度小于1.2占90%，铝粉22份级配比例为200目-250目50%，250目 -300目30%，﹥300目20%，真圆度比例为：200目-300目中真圆度小于1.2占 30%，﹥300目中真圆度小于1.2占90%，树脂：环氧树脂15份；助剂：固化剂 （环烷酸钻苯乙烯等）1份，稀释剂2份。

制备方法：按照配方将称量好的环氧树脂到入容器，加入稀释剂和锡粉、 铝粉，充分搅拌均匀，加入适量固化剂和其他添加剂，不断搅拌，待充分混合 均匀后倒入成型模具中成型，脱模后置于恒温箱中充分固化。

表3树脂复合材料中颗粒粒径与形状对材料性能影响

颗粒粒度及真圆度比例测量过程

1试验仪器

试验所用的仪器为XJB-1型光学系统显微镜，配有成像设备及图像存储器。 该试验仪器可对颗粒边缘进行自动识别强化，减少了手工操作识别边界带来的 误差。颗粒实物照片如图1所示。

2图像分析

2.1直方图灰度处理

统计颗粒信息，首先需要将颗粒显微图像中颗粒提取出来，建立图像的直 方图是图像的重要统计特征。图像的直方图是图像灰度分布密度函数的近似与 像素所在的位置有关。其密度函数可以表示为：

$p\left(z\right)=\frac{1}{S}\underset{D}{\int \int }P(z;x,y)\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

其中，P(z;x，y)为图像在点(x，y)上的灰度分布函数，D是图像的定义域， S是定义域D的面积。建立颗粒图像的直方图如图3所示，根据直方图设定固定 阀值为150将真彩图像转换为二值图像如图2所示。

2.2形态学运算

数学形态学是图像处理和模式识别的新方法，其基本思想是用具有一定形 态的结构元素区量度和提取图像中的对应形状，以便于识别和分析。常见的形 态学运算有腐蚀(Erosion)和膨胀(Dilation)两种。腐蚀是一种消除边界点，使 边界向内部收缩的过程，其表达式为：

膨胀是将与物体接触的所有背景点合并到该物体中，使边界向外扩张的过 程，其表达式为：

从图像上任意一点出发，对二值化后的结构元进行连续膨胀操作，使得各 颗粒长大，长大的颗粒达到一定程度时，不同的颗粒开始接触，当有接触点时 终止膨胀。然后再进行腐蚀操作使得各个颗粒缩小最终达到分离如图4所示。

2.3试验结果及分析

2.3.1颗粒长宽比统计分析

运用上述方法，对试验所得的显微照片进行分析，并根据式(1)求解出各颗 粒的真圆度，统计如图5所示。由图5中的颗粒形状统计可以得出图5a中，标准 颗粒个数为47个，其中真圆度（ρ<1.2）的比例为70.2%；图5b中等颗粒个数为 169个，其中真圆度（ρ<1.2）的比例为95.3%；图5c细颗粒个数为219个，其中真 圆度（ρ<1.2）的比例为96.4%。以上结果表明在相同工艺条件下颗粒粒度越细 小，颗粒形状越接近球形。