一种新型全溶性不软化3D打印材料
技术领域
本发明涉及3D打印领域,尤其涉及一种新型全溶性不软化3D打印水溶性材料及其制备方法。
背景技术
目前,3D打印技术发展迅猛,3D打印材料是支撑3D打印行业发展的三大关键技术之一。对于FDM成型来说,为了保证打印的完整和精密性,水溶性支撑材料是不可或缺的,直接会影响到FDM机器的广泛应用。
目前,市场上的支撑材料多为PVA材料或碱溶性材料。PVA与空气接触,极易变软;PVA作为打印材料,与PLA、ABS等材料的粘接性很差;打印模型也不光滑。对于碱溶性材料来说,必须使用5%NaOH水溶液溶解,用户使用不方便,有可能会损害基体材料的性能。
为了促进3D打印技术的发展,需要开发出无污染、打印流畅、打印模型光滑,综合性能优良的3D打印水溶性支撑材料。这种新型3D打印水溶性支撑材料具有广阔的应用前景。
发明内容
发明的目的:为了提供一种效果更好的新型全溶性不软化3D打印水溶性材料及其制备方法。
为了达到如上目的,本发明采取如下技术方案
方案一:制备基础水溶性材料
基础水溶性材料的原料包含以下物质:单体间苯二甲酸、己二酸的摩尔比为1∶1~9∶1,间苯二甲酸和己二酸的总摩尔量与乙二醇的摩尔比1∶(1.1-1.5)。采用如下步骤制备而成,包含以下步骤:
步骤如下:
(1)按比例,将单体间苯二甲酸、己二酸和乙二醇,和聚酯催化剂、稳定剂,搅拌均匀,在230℃下进行酯化反应,所属单体间苯二甲酸、己二酸的摩尔比为1∶1~9∶1,间苯二甲酸和己二酸的总摩尔量与乙二醇的摩尔比为1∶(1.1-1.5);
(2)酯化结束后,加入苯二甲酸磺酸盐,搅拌1小时,在240~280℃下进行缩聚,制备得到基础水溶性材料。
本发明进一步技术方案在于,所述步骤(1)中还包含占间苯二甲酸和己二酸总重量的8~25%的苯二甲酸磺酸盐;占间苯二甲酸和己二酸总重量的0.003~0.02%稳定剂;占间苯二甲酸和己二酸总重量的0.01~0.1%的聚酯催化剂;
上述的苯二甲酸磺酸盐包括1,3-苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠、1,3-苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钾、对苯二甲酸二甲酯-2-磺酸钠、对苯二甲酸二甲酯-2-磺酸钾中任意一种或者数种;
上述的稳定剂包括磷酸三苯酯或亚磷酸三苯酯中的一种或者两种;
上述的聚酯催化剂包括三氧化二锑、乙二醇锑中的一种或者两种。
方案二:利用基础水溶性材料配置混合材料,制备3D打印丝
本发明进一步技术方案在于,利用如上所述的方法制备的基础水溶性材料作为基础配置混合材料;混合材料基本的配方如下(按重量份数):
基础水溶性材料:100份;增韧剂:0-30份;石蜡:0-1份;增塑剂:0.1-1份;PLA或ABS:0-30份;相容剂:0-10份;填料:0-1份;抗氧剂:0-0.5份;其它组分:0-2份;
上述增韧剂包括橡胶类、热塑性弹性体、共聚物、核壳结构材料,及其改性结构材料,例如EVA、POE-g-MAH、POE-g-GMA和ACR,以上物质中的一种或数种;
上述增塑剂包括邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异辛酯、柠檬三丁酯、PEG-2000中的一种或数种;
上述相容剂包括聚乙烯接枝马来酸酐、聚丙烯接枝马来酸酐、聚苯乙烯接枝马来酸酐、聚乳酸接枝马来酸酐、ABS接枝马来酸酐,以上物质中的一种或数种;
填料包括高岭土、硅藻土、白炭黑、蒙脱土、滑石粉,以上物质中的一种或数种;
上述抗氧剂包括包括芳香类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂和辅助抗氧剂中的一种或两种;
其它组分是指颜料、流变性能改性剂。
本发明进一步技术方案在于,还包含表面活性剂,所述表面活性剂为KH550、KH560或者超分子表面改性剂,为了改善填料和基体材料的粘接性能。
本发明进一步技术方案在于,所述混合材料在双螺杆挤出机中造粒,其挤出温度不超过180℃。
本发明进一步技术方案在于,造粒后还包含成型的步骤,其特征在于,通过单螺杆挤出机进行制备,包含以下步骤:
(1)将上述的改性水溶性材料的粒料进行干燥,干燥温度60-65℃,干燥时间为3.5-4.5小时:
(2)将干燥好的粒料加入单螺杆挤出机的料筒,挤出成型,出口模后采用风冷,直至定型;
(3)缠绕成卷:选取匀速拉力牵引,可得到直径为1.75mm和直径为3.00mm的均匀3D打印丝。
方案三:3D打印材料的消融
3D打印材料的消融方法,其特征在于,采用如上的3D打印材料,在40-60℃温水中浸泡。
方案四:3D打印材料的打印
一种新型全溶性不软化3D打印方法,其特征在于,包含如下步骤,
步骤A:制备如权利要求8所述的材料;
步骤B:将材料进行如下参数设置的打印:
打印喷头温度设置:175-210℃;打印平台温度设置:0-60℃;喷头打印速度:40-50mm/min;喷头空走速度:80-90mm/min。采用如上技术方案的本发明,相对于现有技术有如下有益效果:(1)在40-60℃的水里,该材料迅速溶解;(2)该材料空置在空气中,材料不再变软;(3)此种材料在打印过程中与基材的粘接性好;(4)当作为支撑材料使用时,只需在40-60℃温水中浸泡,支撑部分能完全水溶不残留,同时经过温水浸泡后基材性能不会下降,不会软化;(5)打印时不拉丝;(6)材料的韧性好;(7)材料具有光泽。
具体实施方式
下面对本发明的实施例进行说明,实施例不构成对本发明的限制:
实施例一:
将900kg(5.42*103mol)间苯二甲酸、100kg(0.68*103mol)己二酸、500kg(8.06*103mol)乙二醇(EG)、聚合催化剂三氧化二锑0.35kg,稳定剂磷酸三甲酯0.20kg投入反应釜,在230℃温度下常压酯化,加入200kg的对苯二甲酸二甲酯-2-磺酸钠的乙二醇溶液(溶液浓度为40%),搅拌60分钟,在温度260~275℃聚合得到水溶性材料。出料粉碎得到基础的水溶性材料。上述单体间苯二甲酸和己二酸的摩尔比为7.97∶1,间苯二甲酸和己二酸的总摩尔数与乙二醇的摩尔比为:1∶1.32。
将1公斤基础水溶性材料,200gPLA和10g纳米蒙脱土进行干燥,然后与5g邻苯二甲酸二辛酯,3g石蜡,50g EVA,50g PLA-g-MAH进行预混合,混合均匀后加入双螺杆挤出机挤出造粒,所设置的温度依次为130℃,170℃,180℃,175℃,170℃。所得的粒料为改性水溶性材料的粒料。
将所得粒料在60-65℃干燥,干燥时间为3.5小时,然后采用单螺杆挤出机进行挤出成型。挤出条件如下:螺杆比1∶28,第一区间进料温度160℃;第二区间温度180℃;第三区间温度185℃;第四区间温度180℃;第五区间温度为180℃;螺杆速度30转/min,电机转速800-900转/min。出口模后,在距离模口50cm处,冷风吹,促使丝线高速旋转;第一段冷却完毕,空置50cm长度,再进行微风冷却;然后空置自然风冷却,直至定型。最后选取匀速拉力牵引,牵引力拉力机显示为16-17赫兹,缠绕成卷,此时可以定型为直径1.75mm的均匀打印丝。即为所得的3D打印材料(sting3D水溶材料),然后对此种材料进行打印测试。
3D打印基本参数设置如下一:
打印喷头温度:185℃;
打印平台温度:60℃;
喷头打印速度:50mm/S;
喷头空走速度:90mm/S;
基本参数设置如下二:
打印喷头温度:195℃
打印平台温度:50℃
喷头打印速度:60mm/s
喷头空走速度:100mm/s;
基本参数设置如下三:
打印喷头温度:205℃
打印平台温度:60℃
喷头打印速度:70mm/s
喷头空走速度:100mm/s;
以下为本发明的材料和其它水溶3D打印的材料的性能对比。
实施例二:
将500kg(3.01*103mol)间苯二甲酸、400kg(2.74*103mol)己二酸、500kg(8.06*103mol)乙二醇(EG)、聚合催化剂三氧化二锑0.3kg、稳定剂磷酸三甲酯0.10kg投入反应釜,在230℃温度下常压酯化,加入300kg的对苯二甲酸二甲酯-2-磺酸钠的乙二醇溶液(溶液浓度60%),搅拌60分钟,温度260~275℃聚合得到水溶性材料。出料粉碎得到基础的水溶性材料。上述单体间苯二甲酸和己二酸的摩尔比为1.1∶1,间苯二甲酸和己二酸的总摩尔数与乙二醇的摩尔比为1∶1.4。
将1公斤基础水溶性材料,100gABS和10g纳米蒙脱土进行干燥,然后与3g邻苯二甲酸二辛酯,3g石蜡,30g Ax-8900,50g POE-g-GMA,15gABS进行预混合,混合均匀后加入双螺杆挤出机进行挤出造粒,所设置的温度依次为130℃,170℃,180℃,175℃,170℃。即为改性水溶性材料的粒料。
对改性水溶性材料的粒料进行干燥,然后与适量的红色颜料进行共混,混合均匀后加入单螺杆挤出机进行挤出成型,挤出条件如下:螺杆比1∶28,第一区间进料温度185℃;第二区间温度190℃;第三区间温度195℃;第四区间温度195℃;第五区间温度为185℃;螺杆速度40转/min,电机转速1100-1200转/min。出口模后,在距离模口50cm处,冷风吹,促使丝线高速旋转;第一段冷却完毕,空置50cm长度,再进行微风冷却;然后空置自然风冷却,直至定型,缠绕成卷,即为所得的3D打印材料(sting3D水溶材料),然后对此种材料进行打印测试,3D打印参数设置如下:
3D打印基本参数设置如下一:
打印喷头温度:185℃;
打印平台温度:60℃;
喷头打印速度:50mm/S;
喷头空走速度:90mm/S;
基本参数设置如下二:
打印喷头温度:195℃
打印平台温度:50℃
喷头打印速度:60mm/s
喷头空走速度:100mm/s;
基本参数设置如下三:
打印喷头温度:205℃
打印平台温度:60℃
喷头打印速度:70mm/s
喷头空走速度:100mm/s;
以下为本发明的材料和原始水溶3D打印的材料的对比。
实施例三:
将800kg(4.82*103mol)间苯二甲酸、200kg(1.37*103mol)己二酸、500kg(8.06*103mol)乙二醇(EG)、聚合催化剂三氧化二锑0.35kg,稳定剂磷酸三甲酯0.20kg投入反应釜,在230℃温度下常压酯化,加入250kg的对苯二甲酸二甲酯-2-磺酸钠的乙二醇溶液(溶液浓度为40%),搅拌60分钟,温度260~275℃聚合得到水溶性材料。出料粉碎得到基础的水溶性材料。上述单体间苯二甲酸和己二酸的摩尔比为3.52∶1,间苯二甲酸和己二酸的总摩尔数与乙二醇的摩尔比为1∶1.3。
将1公斤基础水溶性材料,200gPLA和10g纳米蒙脱土进行干燥,然后与5g邻苯二甲酸二辛酯,3g石蜡,50g PTW,50g PS-g-MAH和PLA-g-MAH进行预混合,与由KH550处理的10g白炭黑混合后加入双螺杆挤出机进行挤出造粒,所设置的温度依次为130℃,170℃,180℃,175℃,170℃。即为改性水溶性材料的粒子。
对改性水溶性材料的粒子进行干燥,然后与适量的颜料进行共混,混合均匀后加入单螺杆挤出机进行挤出成型,挤出条件如下:螺杆比1∶28,第一区间进料温度185℃;第二区间温度190℃;第三区间温度195℃;第四区间温度195℃;第五区间温度为185℃;螺杆速度34-37转/min,电机转速1100-1200转/min。出口模后,在距离模口50cm处,冷风吹,促使丝线高速旋转;第一段冷却完毕,空置50cm长度,再进行微风冷却;然后空置自然风冷却,直至定型。最后选取匀速拉力牵引,牵引力拉力计显示为19-20赫兹,可以形成直径为1.75mm的3D打印丝;牵引计调整为7-8赫兹,可以加工成3.00mm的3D打印丝,缠绕成卷,即为所得的3D打印材料(sting3D水溶材料),然后对此种材料进行打印测试,3D打印参数设置如下:
3D打印基本参数设置如下一:
打印喷头温度:185℃;
打印平台温度:60℃;
喷头打印速度:50mm/s;
喷头空走速度:90mm/S;
基本参数设置如下二:
打印喷头温度:195℃
打印平台温度:50℃
喷头打印速度:60mm/s
喷头空走速度:100mm/s;
基本参数设置如下三:
打印喷头温度:205℃
打印平台温度:60℃
喷头打印速度:70mm/s
喷头空走速度:100mm/s;
以下为本发明的材料和原始水溶3D打印的材料的对比。
实施例四:
将900kg(5.42*103mol)间苯二甲酸、100kg(0.68*103mol)己二酸、500kg(8.06*103mol)乙二醇(EG)、聚合催化剂三氧化二锑0.35kg,稳定剂磷酸三甲酯0.20kg投入反应釜,在230℃温度下常压酯化,加入200kg的对苯二甲酸二甲酯-2-磺酸钠的乙二醇溶液(溶液浓度为40%),搅拌60分钟,温度260~275℃聚合得到水溶性材料。出料粉碎得到基础的水溶性材料。上述的间苯二甲酸和己二酸的摩尔比为7.97∶1,间苯二甲酸和己二酸的总摩尔数与乙二醇的摩尔比为1∶1.32。
将1公斤基础水溶性材料,200gABS和10g纳米蒙脱土进行干燥,然后与5g邻苯二甲酸二辛酯,1g石蜡,50g EVA,50g PLA-g-MAH和适量的流变改性剂进行预混合,混合均匀后加入双螺杆挤出机挤出造粒,所设置的温度依次为130℃,170℃,180℃,175℃,170℃。所得的粒料为改性水溶性材料的粒料。
对改性水溶性材料的粒料进行干燥,然后与适量的颜料进行共混,混合均匀后加入单螺杆挤出机进行挤出成型,挤出条件如下:螺杆比1∶28,第一区间进料温度185℃;第二区间温度190℃;第三区间温度195℃;第四区间温度195℃;第五区间温度为185℃;螺杆速度30-32转/min,电机转速900-1000转/min。出口模后,在距离模口50cm处,冷风吹,促使丝线高速旋转;第一段冷却完毕,空置50cm长度,再进行微风冷却;然后空置自然风冷却,直至定型。最后选取匀速拉力牵引,牵引计显示为5-6赫兹,可以形成直径为3.00mm的3D打印丝;调整牵引计为13-14赫兹,即可成为直径为1.75mm的3D打印机丝,缠绕成卷,即即为所得的3D打印材料(sting3D水溶材料),然后对此种材料进行打印测试,3D打印参数设置如下:
3D打印基本参数设置如下一:
打印喷头温度:185℃;
打印平台温度:60℃;
喷头打印速度:50mm/S;
喷头空走速度:90mm/S;
基本参数设置如下二:
打印喷头温度:195℃
打印平台温度:50℃
喷头打印速度:60mm/s
喷头空走速度:100mm/s;
基本参数设置如下三:
打印喷头温度:205℃
打印平台温度:60℃
喷头打印速度:70mm/s
喷头空走速度:100mm/s;
以下为本发明的材料和其它水溶3D打印的材料的性能对比。
实施例五:
将500kg(3.01*103mol)间苯二甲酸(PTA)、400kg(2.74*103mol)己二酸、500kg(8.06*103mol)乙二醇(EG)、聚合催化剂三氧化二锑0.35kg、稳定剂磷酸三甲酯0.20kg投入反应釜,在230℃温度下常压酯化,加入300kg的对苯二甲酸二甲酯-2-磺酸钠的乙二醇溶液(溶液浓度60%),搅拌60分钟,温度260~275℃聚合得到水溶性材料。出料粉碎得到基础的水溶性材料。上述的间苯二甲酸和己二酸的摩尔比为1.1∶1,间苯二甲酸和己二酸的总摩尔数与乙二醇的摩尔比为1∶1.4。
将1公斤基础水溶性材料,100gPLA和10g纳米蒙脱土进行干燥,然后与3g邻苯二甲酸二辛酯,2g石蜡,30g Ax-8900,50g POE-g-GMA和适量的流变改性剂进行预混合,混合均匀后加入双螺杆挤出机进行挤出造粒,所设置的温度依次为130℃,170℃,180℃,175℃,170℃。即为改性水溶性材料的粒料。
对改性水溶性材料的粒料进行干燥,然后与适量的红色颜料进行共混,混合均匀后加入单螺杆挤出机进行挤出成型,挤出条件如下:螺杆比1∶28,第一区间进料温度185℃;第二区间温度190℃;第三区间温度195℃;第四区间温度195℃;第五区间温度为185℃;螺杆速度28-29转/min,电机转速750-850转/min。出口模后,在距离模口50cm处,冷风吹,促使丝线高速旋转;第一段冷却完毕,空置50cm长度,再进行微风冷却;然后空置自然风冷却,直至定型。最后选取匀速拉力牵引,牵引计显示为11-12赫兹,可以形成直径为1.75mm的3D打印丝;牵引计调整为4-5赫兹,即可成为3.0mm的打印材料,缠绕成卷,即为所得的3D打印材料(sting3D水溶材料),然后对此种材料进行打印测试,3D打印参数设置如下:
3D打印基本参数设置如下一:
打印喷头温度:185℃;
打印平台温度:60℃;
喷头打印速度:50mm/s;
喷头空走速度:90mm/s;
基本参数设置如下二:
打印喷头温度:195℃
打印平台温度:50℃
喷头打印速度:60mm/s
喷头空走速度:100mm/s;
基本参数设置如下三:
打印喷头温度:205℃
打印平台温度:60℃
喷头打印速度:70mm/s
喷头空走速度:100mm/s;
以下为本发明的材料和原始水溶3D打印的材料的对比。
实施例六:
将800kg(4.82*103mol)间苯二甲酸、200kg(1.37*103mol)己二酸、500kg(8.06*103mol)乙二醇(EG)、聚合催化剂三氧化二锑0.35kg,稳定剂磷酸三甲酯0.20kg投入反应釜,在230℃温度下常压酯化,加入250kg的对苯二甲酸二甲酯-2-磺酸钠的乙二醇溶液(溶液浓度为40%),搅拌60分钟,温度260~275℃聚合得到水溶性材料。出料粉碎得到基础的水溶性材料。上述的间苯二甲酸和己二酸的摩尔比为3.52∶1,间苯二甲酸和己二酸的总摩尔数与乙二醇的摩尔比为1∶1.3。
将1公斤基础水溶性材料,200gPLA和10g纳米蒙脱土进行干燥,然后与5g邻苯二甲酸二辛酯,3g石蜡,50g PTW,50g PS-g-MAH和PLA-g-MAH,适量的流变改性剂进行预混合,与由KH550处理的10g白炭黑混合后加入双螺杆挤出机进行挤出造粒,所设置的温度依次为130℃,170℃,180℃,175℃,170℃。即为改性水溶性材料的粒子。对改性水溶性材料的粒子进行干燥,然后与适量的颜料进行共混,混合均匀后加入单螺杆挤出机进行挤出成型,挤出条件如下:螺杆比1∶28,第一区间进料温度185℃;第二区间温度190℃;第三区间温度195℃;第四区间温度195℃;第五区间温度为185℃;螺杆速度40-41转/min,电机转速1200-1300转/min。出口模后,在距离模口50cm处,冷风吹,促使丝线高速旋转;第一段冷却完毕,空置50cm长度,再进行微风冷却;然后空置自然风冷却,直至定型。最后选取匀速拉力牵引,牵引计显示为19-20赫兹,可以形成直径为1.75mm的3D打印丝;牵引计调整为10-11赫兹,即可以成为3.0mm大阴司。缠绕成卷,即为所得的3D打印材料(sting3D水溶材料),然后对此种材料进行打印测试,3D打印参数设置如下:
3D打印基本参数设置如下一:
打印喷头温度:185℃;
打印平台温度:60℃;
喷头打印速度:50mm/s;
喷头空走速度:90mm/s;
基本参数设置如下二:
打印喷头温度:195℃
打印平台温度:50℃
喷头打印速度:60mm/s
喷头空走速度:100mm/s;
基本参数设置如下三:
打印喷头温度:205℃
打印平台温度:60℃
喷头打印速度:70mm/s
喷头空走速度:100mm/s;
以下为本发明的材料和原始水溶3D打印的材料的对比。
需要说明的是,本专利提供的多个方案包含本身的基本方案,相互独立,并不相互制约,但是其也可以在不冲突的情况下相互组合,达到多个效果共同实现。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的范围内。