CN104163929B - 一种3d打印用高分子尼龙粉末材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种3D打印用高分子尼龙粉末材料的制备方法。该方法的步骤如下：一、将尼龙材料、成核剂、酒精投入到高压反应釜中；二、开动高压反应釜，令其开始搅拌，并通入氮气保护，将高压反应釜料温加热到130℃‑160℃；三、保温溶解，对反应釜进行保温2‑3小时，同时充分搅拌，使得尼龙材料溶解；四、降温沉淀析出，即控制高压反应釜的搅拌速度，并对其缓慢降温，逐步完成尼龙粉末析出成型；五、过滤，将高压反应釜料温降温到70℃以下，将混合液转移至过滤槽，将溶剂与固体分离；六、离心分离，将滤渣转移到离心机进一步脱除溶剂；七、真空干燥，在真空干燥机中彻底清除溶剂；八、将干燥的尼龙粉末筛分，控制尼龙粉末粒径在35‑50μm，获得所需的材料。

Description

一种3D打印用高分子尼龙粉末材料的制备方法

技术领域：

本发明涉及3D打印材料技术领域，特指一种3D打印用高分子尼龙粉末材料的制备方法。

背景技术：

3D打印技术是近年来快速发展的一种快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印可以应用在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程以及其他领域都有所应用。

根据3D打印技术的快速发展，3D打印产业前景将非常广阔。作为由“制造业大国”向“创造业大国”转型的中国，需求非常旺盛。而制约3D技术产业化发展的因素是设备与耗材昂贵，特别是耗材，几乎被国外几家企业垄断，导致成本居高不下，进而影响国内3D打印产业的快速发展。

另外，目前的3D打印材料初金属材料以外，多采用热熔成型的塑胶材料，通常是将材料熔融后，通过打印机的喷嘴喷出，采用逐层打印，层层堆叠。材料在被打印喷嘴喷出后将快速固化，最终形成立体的打印物件。

目前，这种可热熔成型的3D打印材料一般采用热塑型树脂，例如ABS改性材料。见专利申请号为：201310595735.9的中国发明专利申请说明书，其公开了一种基于3D打印新型ABS材料的制备方法。这种材料在使用时均材料打印喷头经过热熔后喷出，这种打印工艺打印出的产品精度不高，并且表面光滑度不够，只能用于一般产品打印，对于工业级的3D打印材料而言，目前的国内还处于空白地带。

基于上述问题，本申请人经过多年的研发、实验，初步研制出了一种可以应用于工业3D打印领域的新型材料。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题就是克服现有技术的不足，提供一种3D打印用高分子尼龙粉末材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：第一步，将尼龙材料、成核剂、抗氧剂、酒精投入到高压反应釜中；第二步，开动高压反应釜，令其开始搅拌，并通入氮气保护，将高压反应釜料温加热到130℃-160℃；第三步，保温溶解，对反应釜进行保温2-3小时，同时充分搅拌，使得尼龙材料溶解；第四步，降温沉淀析出，即控制高压反应釜的搅拌速度，并对其缓慢降温，逐步完成尼龙粉末析出成型；第五步，过滤，将高压反应釜料温降温到70℃以下，将混合液转移至过滤槽，将溶剂与固体分离；第六步，离心分离，将滤渣转移到离心机进一步脱除溶剂；第七步，真空干燥，在真空干燥机中彻底清除溶剂；第八步，将干燥的尼龙粉末筛分，控制尼龙粉末粒径在35-50μm，获得所需的材料。

进一步而言，上述技术方案中，所述的尼龙材料为尼龙12，其化学名称为：聚十二酰胺，分子式为：[NH-(CH₂)₁₁-CO]_N。

进一步而言，上述技术方案中，所述的步骤三种，所述的高压反应釜加热到150℃。

进一步而言，上述技术方案中，所述的第四、五步中，采用自然降温与冷却水快速降温结合的方式进行降温。

进一步而言，上述技术方案中，所述的酒精作为尼龙材料的溶剂，其采用浓度大于96％的酒精溶液；所述的成核剂为纳米级二氧化硅材料；酒精、尼龙材料、成核剂、抗氧剂的重量比重为：尼龙材料：10-15％；成核剂：1％以下；抗氧剂：1％以下，剩余为酒精。

进一步而言，上述技术方案中，所述的高压反应釜与第一冷凝器连接，高压反应釜中挥发的酒精蒸汽将通过第一冷凝器冷凝后，存储到酒精存储罐中，再通过酒精存储罐将回收的酒精反馈至高压反应釜中。

进一步而言，上述技术方案中，所述的真空干燥机与第二冷凝器连接，真空干燥机中挥发的酒精蒸汽将通过第二冷凝器冷凝后，存储到酒精存储罐中，再通过酒精存储罐将回收的酒精反馈至高压反应釜中。

进一步而言，上述技术方案中，所述的真空冷凝罐采用双锥真空干燥机。

通过上述方法制备的尼龙粉末材料属于超微粉末，其颗粒的粒径通常在40μm(微米)左右，能打印出高精密产品。同时相对于目前的国外产品，其还具有以下优点：

1，均匀球形粉粒，材料的流动性好，完全适合3D打印设备对材料形状的苛刻要求。

2，材料粗细分布均匀，使打印出的产品表面光洁、细腻。

3，材料具有稳定的性能，优良的粘度和良好的再循环利用率(循环使用次数提升至8次以上，国外的5次左右)，可使材料成本大幅降低，成本仅是国外同类产品的30％左右，便于3D打印产业的快速推广。

附图说明：

图1是本发明制备设备的工艺流程图

具体实施方式：

结合图1所示，本发明的制作时，第一步需要准备相应的原料，以及准备一个高压反应釜1。该高压反应釜1应内置搅拌装置，其容积为3000升。所需要的原料为：尼龙材料、成核剂、抗氧剂、酒精。其中尼龙材料采用尼龙12，其化学名称为：聚十二酰胺，分子式为：[NH-(CH₂)₁₁-CO]_N。这种尼龙材料的熔点较低，其外观呈白色半透明状，相对密度较小。当然，也可采用尼龙11作为本发明的尼龙材料。将上述的原料投入到高压反应釜中。所述的酒精作为尼龙材料的溶剂，其采用浓度大于96％的酒精溶液；所述的成核剂为纳米级二氧化硅材料；酒精、尼龙材料、成核剂、抗氧剂的重量比重为：尼龙材料：10-15％；成核剂：1％以下；抗氧剂：1％以下，剩余为酒精。本是实施例中，原料的用量配比为：尼龙材料14％，成核剂：0.5％；抗氧剂：0.5％；酒精：85％。抗氧剂可采用抗氧剂1098(N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺)。或者抗氧剂168(三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯)，或者二者的结合。当然，材料中可根据需要加入热稳定剂、表面活性剂等其他助剂。

第二步，开动高压反应釜1，令其开始搅拌，并通入氮气保护，一般反应釜内的大气压强不超过1MPa。同时将高压反应釜料温加热到130℃-160℃，一般加温到150℃。随着温度的身高，尼龙12材料在高温、高压作用下溶解于酒精，即尼龙材料开始溶解。

第三步，保温溶解，对反应釜进行保温2-3小时，同时充分搅拌，使得尼龙材料充分溶解；

第四步，降温沉淀析出，即控制高压反应釜的搅拌速度，并对其缓慢降温，随着温度的降低，尼龙材料将会由酒精溶剂中析出，并以成核剂为核心形成微小的球形颗粒，从而逐步完成尼龙粉末析出成型。目前，这降温的过程中，国内外普遍采用分阶段降温的控制工艺，对物料的降温速率有着严格的要求，采用冷却盘管冷却、加热套内部冷却、风冷或者溶剂蒸馏的工艺进行降温，设备复杂、操作繁琐，不易控制。本发明克服了对降温速率的苛刻要求，降温要求温和，采用自然降温与冷却水快速降温相结合的方式，缩短了生产周期，通过这种降温工艺可以制得具有规则球形度的尼龙粉末颗粒，工艺简单易行，提高了尼龙粉末制备工艺的可控性；

第五步，过滤，将高压反应釜料温降温到70℃以下，打开高压反应釜的出料口，将内部析出的尼龙颗粒连同混合液转移至过滤槽，将溶剂与固体分离；

第六步，离心分离，将过滤后得到的滤渣转移到离心机，通过离心机进行进一步的脱除溶剂；

第七步，真空干燥，在真空干燥机中彻底清除溶剂；所述的真空冷凝罐采用双锥真空干燥机。

第八步，将干燥的尼龙粉末筛分，控制尼龙粉末粒径在35-50μm，获得所需的材料。

为了进一步提高生产效率，降低溶剂的使用量，本发明的高压反应釜与第一冷凝器连接，高压反应釜中挥发的酒精蒸汽将通过第一冷凝器冷凝后，存储到酒精存储罐中，再通过酒精存储罐将回收的酒精反馈至高压反应釜中。

同样的，所述的过滤槽过滤的酒精溶液、离心机分离出的酒精溶液可以直接回流到高压反应釜中，真空干燥机与第二冷凝器连接，真空干燥机中挥发的酒精蒸汽将通过第二冷凝器冷凝后，存储到酒精存储罐中，再通过酒精存储罐将回收的酒精反馈至高压反应釜1中。

采用本发明的技术方案所制作的尼龙粉末材料，其提高了尼龙粉末的规整度，制的的尼龙颗粒球形度更高、更规整，提高了尼龙粉体的流动性和表观密度，更有利于激光烧结中的粉体铺粉和烧结件的致密性，特别适合应用在采用烧结工艺的工业级3D打印领域。

当然，以上所述仅仅为本发明的实施例而已，并非来限制本发明范围，凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (7)

1.一种3D打印用高分子尼龙粉末材料的制备方法，其包括以下步骤：

第一步，将尼龙材料、成核剂、抗氧剂、酒精投入到高压反应釜中，高压反应釜内置搅拌装置；

第二步，开动高压反应釜，令其开始搅拌，并通入氮气保护，将高压反应釜料温加热到150℃-160℃；

第三步，保温溶解，对反应釜进行保温2-3小时，同时充分搅拌，使得尼龙材料溶解；

第四步，降温沉淀析出，即控制高压反应釜的搅拌速度，并对其缓慢降温，逐步完成尼龙粉末析出成型；

第五步，过滤，将高压反应釜料温降温到70℃以下，将混合液转移至过滤槽，将溶剂与固体分离；

第六步，离心分离，将滤渣转移到离心机进一步脱除溶剂；

第七步，真空干燥，在真空干燥机中彻底清除溶剂；

第八步，将干燥的尼龙粉末筛分，控制尼龙粉末粒径在35-50μm，获得所需的材料；

所述的第四、五步中，采用自然降温与冷却水快速降温结合的方式进行降温；所述的高压反应釜与第一冷凝器连接，高压反应釜中挥发的酒精蒸汽将通过第一冷凝器冷凝后，存储到酒精存储罐中，再通过酒精存储罐将回收的酒精反馈至高压反应釜中；所述的真空干燥机与第二冷凝器连接，真空干燥机中挥发的酒精蒸汽将通过第二冷凝器冷凝后，存储到酒精存储罐中，再通过酒精存储罐将回收的酒精反馈至高压反应釜中。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印用高分子尼龙粉末材料的制备方法，其特征在于：所述的尼龙材料为尼龙12，其化学名称为：聚十二酰胺，分子式为：[NH-(CH₂)₁₁-CO]_N。

3.根据权利要求1所述的一种3D打印用高分子尼龙粉末材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤三中，所述的高压反应釜加热到150℃。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种3D打印用高分子尼龙粉末材料的制备方法，其特征在于：

酒精、尼龙材料、成核剂、抗氧剂的重量比重为：

尼龙材料：10-15％；成核剂：1％以下；抗氧剂：1％以下，剩余为酒精。

5.根据权利要求4所述的一种3D打印用高分子尼龙粉末材料的制备方法，其特征在于：所述的真空干燥机采用双锥真空干燥机。

6.根据权利要求4所述的一种3D打印用高分子尼龙粉末材料的制备方法，其特征在于：所述的酒精作为尼龙材料的溶剂，其采用浓度大于96％的酒精溶液。

7.根据权利要求4所述的一种3D打印用高分子尼龙粉末材料的制备方法，其特征在于：所述的成核剂为纳米级二氧化硅材料。