CN105295175A - 一种熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材及其制备方法,熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材使用的原料及助剂组成包含:聚乙烯70-90份;木粉10-30份;相容剂5-10份;润滑剂0.9-3份;增塑剂0.9-3份;稳定剂0.1-0.5份,聚乙烯/木粉复合丝材因木粉的添加使得聚乙烯的结晶得到抑制,熔融沉积成型制件的收缩变形降低,制件的成型精度得到提升。同时,经熔融沉积成型得到的制件具有更好的韧性,力学性能得到提升,实用性更强。另外,本发明还提供了聚乙烯/木粉复合丝材的制备方法,易于操作,工艺条件和生产设备要求较低,能够实现大规模的推广生产,具有广阔的市场前景,极佳的市场效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材及其制备方法,涉及3D打印技术和塑料加工领域。
背景技术
3D打印技术又称增材制造技术,诞生于20世纪80年代后期,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打印技术涉及信息技术、材料科学、精密机械等多个方面,在当今制造业中越来越具有竞争力,因此被称为“具有工业革命意义的制造技术”。3D打印技术包括熔融沉积成型、选择性激光烧结、立体光固化成型等技术,大大拓展了材料成型的方法,特别是对于无法通过熔融加工成型的材料而言,3D打印技术是一种很好的解决方案。
作为3D打印技术的一种,熔融沉积成型(FusedDepositionMolding,FDM)是一种将热塑性丝材经固体-熔体-固体两次相变加工成型的方法。热塑性丝材由供丝机构送进喷头,在喷头中加热至熔融态。熔融态材料从喷头中挤出,按计算机给出的二维截面信息,随加热喷头的运动,选择性进行涂覆。一层完成后,喷头上升一个层高(或工作台下降一个层高),再进行下一层的涂覆,如此循环,最终形成三维制件。目前,市场上用于FDM的3D打印材料主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和聚乳酸(PLA)两种。其中,ABS力学性能好,尤其是韧性高,但在打印时会产生刺激性气味,不适合办公室等环境,并且不透明;PLA在打印熔融时无刺激性气味,可降解,但是耐热性差、力学性能差,尤其是易发生脆性断裂,极大的限制了打印物件的使用。开发新的FDM用材料因此成为3D打印领域的一项重要研究内容。
聚乙烯(PE)是由乙烯单独聚合或乙烯与其它烯烃共聚合得到的聚合物,具有密度小、强度高、耐热、绝缘性好、化学性质稳定以及价格低廉等优点,在FDM领域具有广泛的应用前景。但是,在FDM过程中,PE冷却成型时会发生结晶,导致打印的制件容易收缩变形产生翘曲、产品偏脆等缺陷,这使得PE在FDM领域应用受到了限制。
综合以上内容,为推广PE在FDM领域的应用,需要抑制PE的结晶行为,增加PE的韧性,这能够降低FDM制件的收缩变形,提高制件的成型精度,以满足FDM工艺的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材,以克服现有熔融沉积成型用聚乙烯材料的缺陷,木粉的加入能够抑制聚乙烯的结晶,增强聚乙烯材料的韧性,从而降低FDM制件的收缩变形,提高制件的成型精度。
本发明的另一目的是提供一种熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材的制备方法,工艺简单,成本低廉,能够快速生产出符合熔融沉积成型要求的聚乙烯/木粉复合丝材。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材,它是由下述重量份数的原料制成的:聚乙烯60-90、木粉10-30、相容剂5-10、润滑剂0.9-3、增塑剂0.9-3、稳定剂0.1-0.5。
所述聚乙烯为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯或线性低密度聚乙烯中的一种或几种的混合。
所述木粉为秸秆、稻糠、木质边角料、锯末中的一种或几种的混合,木粉粒径为200-300目。
所述相容剂为马来酸酐接枝型相容剂,优选为马来酸酐接枝型聚乙烯。
所述润滑剂为聚烯烃、硬脂酰胺类润滑剂或聚乙二醇中的一种或几种的混合。
所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯、环氧大豆油、甘油、合成植物酯中的一种或几种的混合。
所述稳定剂为受阻酚类大分子型抗氧剂、亚磷酸类抗氧剂和烷酯类抗氧剂中的一种或几种的混合。
所述稳定剂为抗氧剂1010和四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯的混合物或抗氧剂168和三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯的混合物。
一种熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材的制备方法,包含以下步骤:
(1)原材料的处理:准备各原料,将木粉通过制粉机加工成粉末状,木粉经筛粉后粒径控制在200-300目,然后将聚乙烯、木粉进行烘干操作,将残留在聚乙烯、木粉中的水分蒸发,控制聚乙烯与木粉的含水率在10%以下;
(2)试剂与原材料混合:先向搅拌机中放入聚乙烯,再添加润滑剂,期间不停搅拌混合,搅拌均匀后添加增塑剂,搅拌均匀,待混合完成后,再添加木粉进行后续混合,继续混合2分钟,最后得到混合原料;
(3)加热挤出:将混合原料加入到双螺杆挤出机中,加料速度保持均匀流畅,保证在挤出过程中不产生堵塞,出丝稳定流畅;
(4)卷丝:通过在双螺杆挤出机的出口加装口模,限定出丝的直径在1.75±0.05mm,最后通过圆盘装置绕丝收集成型丝材。
所述步骤(3)加热挤出中双螺杆挤出机第一段温度未160℃,第二段温度为170℃,第三段温度为165℃。
借由上述技术方案,本发明具有的优点和有益效果是:
1、本发明添加木粉后,聚乙烯/木粉复合丝材的结晶得到抑制,FDM制件的收缩变形降低,制件的成型精度得到提升。
2、本发明所述的聚乙烯/木粉复合丝材,经FDM(熔融沉积成型)得到的制件具有更好的韧性,力学性能得到提升,实用性更强。
3、本发明所述的聚乙烯/木粉复合丝材,木粉来自废弃秸秆、稻糠、木质边角料和锯末,添加极大地降低了材料的成本,有利于扩大聚乙烯材料在FDM领域的应用。
4、本发明所述的聚乙烯/木粉复合丝材的制备方法,易于操作,工艺条件和生产设备要求较低,能够实现大规模的推广生产,具有广阔的市场前景,极佳的市场效益。
具体实施方式
对于本领域的技术人员来说,通过阅读本说明书的公开内容,本发明的特征、有益效果和优点将变得显而易见。
除非另外指明,在本文中所有配制和测试发生在25℃的环境。
配制和使用方法
无需进一步详细说明,相信本领域技术人员使用以上所述即可最大限度地使用本发明。下面的实施例目的在于进一步介绍和展示在本发明范围内的具体实施方案。因此,实施例应理解为仅用于更详细地展示本发明,而不以任何方式限制本发明的内容。
实施例1
本实施例的熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材,它是由下述原料制成的:聚乙烯(高密度聚乙烯)80g、木粉(秸秆)10g、马来酸酐接枝型聚乙烯10g、润滑剂(聚乙二醇)0.9g、增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯)0.9g、稳定剂(抗氧剂1010和四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯的混合物)0.2g。
本实施例的熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材的制备方法,包括以下步骤:
(1)原材料的处理:准备各原料,所述木粉通过制粉机加工成粉末状,木粉经筛粉后粒径控制在240目,然后将聚乙烯、木粉进行烘干操作,将残留在聚乙烯、木粉中的水份蒸发,控制聚乙烯与木粉的含水率在10%以下;
(2)试剂与原材料混合:先向搅拌机中放入聚乙烯,再添加润滑剂,期间不停搅拌混合,待聚乙烯颗粒表面均泛液体亮光,即搅拌均匀,然后添加增塑剂,搅拌直到颗粒表面均泛液体亮光,即搅拌均匀,待混合完成后,再添加木粉进行后续混合,继续混合2分钟,最后得到混合原料。
(3)加热挤出:将混合原料加入到双螺杆挤出机中,加料速度保持均匀流畅,保证在挤出过程中不产生堵塞,出丝稳定流畅,双螺杆挤出过程中第一段温度160°C,第二段温度170°C,第三段温度165°C。
(4)卷丝:通过在挤出机的出口加装口模,限定出丝的直径在1.75±0.05mm,最后通过圆盘装置绕丝收集成型丝材。
实施例2
本实施例的熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材,它是由下述原料制成的:聚乙烯(高密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯)90g、木粉(秸秆和稻糠)15g、马来酸酐接枝型聚乙烯8g、润滑剂(聚烯烃和聚乙二醇)1.2g、增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯和合成植物酯)1.5g、稳定剂(抗氧剂168和三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯的混合物)0.5g。
本实施例的熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材的制备方法,同实施例1.
实施例3
本实施例的熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材,它是由下述原料制成的:聚乙烯(线性低密度聚乙烯)70g、木粉(秸秆和锯末)20g、马来酸酐接枝型聚乙烯10g、润滑剂(聚烯烃和硬脂酰胺类润滑剂)2g、增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯和甘油)2g、稳定剂(抗氧剂1010和四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯的混合物)0.2g。
本实施例的熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材的制备方法,同实施例1。
实施例4
本实施例的熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材,它是由下述原料制成的:聚乙烯(低密度聚乙烯)85g、木粉(木质边角料和锯末)25g、马来酸酐接枝型聚乙烯5g、润滑剂(硬脂酰胺类润滑剂)1.5g、增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯)1.2g、稳定剂(抗氧剂168和三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯的混合物)0.1g。
本实施例的熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材的制备方法,同实施例1。
实施例5
本实施例的熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材,它是由下述原料制成的:聚乙烯(低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯)60g、木粉(秸秆)30g、马来酸酐接枝型聚乙烯10g、润滑剂(聚乙二醇)3g、增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯)3g、稳定剂(抗氧剂1010和四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯的混合物)0.2g。
本实施例的熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材的制备方法,同实施例1。
熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材实施例1-5和对比例1
根据表1中对比例1和实施例1-5的各组分组成,按照实施例1的制备方法制备聚乙烯/木粉复合丝材。
表1实施例1-5及对比例1材料配方(各组分单位均为g)
熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材性能测试
实施例1-5和对比例1样品拉伸性能测试按GB/T1040标准进行,弯曲性能测试按GB/T9341标准进行,简支梁冲击性能测试按GB/T1043标准进行。表2是实施例1-5及对比例1样品性能测试结果。
表2实施例1-5及对比例1样品性能测试结果
由表2可知,与对比例1相比较,聚乙烯中添加木粉后,随着木粉含量的增加,聚乙烯/木粉复合材料的拉伸强度和弯曲强度都有所提高,力学性能可以满足3D打印。
本文所公开的量纲和数值不应理解为所述精确值的严格限制。除非另外说明,每个这样的量纲旨在表示所述值和围绕该值的功能上等同的范围。例如,公开为“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。
在发明内容中引用的所有文件都在相关部分中以引用方式纳入本文中。对于任何文件的引用不应当解释为承认其是有关本发明的现有技术。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业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本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材,其特征在于它是由下述重量份数的原料制成的:聚乙烯60-90、木粉10-30、相容剂5-10、润滑剂0.9-3、增塑剂0.9-3、稳定剂0.1-0.5。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯/木粉复合丝材,其特征在于:所述聚乙烯为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯或线性低密度聚乙烯中的一种或几种的混合。
3.根据权利要求1所述的聚乙烯/木粉复合丝材,其特征在于:所述木粉为秸秆、稻糠、木质边角料、锯末中的一种或几种的混合,木粉粒径为200-300目。
4.根据权利要求1所述的聚乙烯/木粉复合丝材,其特征在于:所述相容剂为马来酸酐接枝型相容剂。
5.根据权利要求1所述的聚乙烯/木粉复合丝材,其特征在于:所述润滑剂为聚烯烃、硬脂酰胺类润滑剂或聚乙二醇中的一种或几种的混合。
6.根据权利要求1所述的聚乙烯/木粉复合丝材,其特征在于:所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯、环氧大豆油、甘油、合成植物酯中的一种或几种的混合。
7.根据权利要求1所述的聚乙烯/木粉复合丝材,其特征在于:所述稳定剂为受阻酚类大分子型抗氧剂、亚磷酸类抗氧剂和烷酯类抗氧剂中的一种或几种的混合。
8.根据权利要求7所述的聚乙烯/木粉复合丝材,其特征在于:所述稳定剂为抗氧剂1010和四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯的混合物或抗氧剂168和三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯的混合物。
9.权利要求1~8所述的熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材的制备方法,其特征在于包含以下步骤:
(1)原材料的处理:准备各原料,将木粉通过制粉机加工成粉末状,木粉经筛粉后粒径控制在200-300目,然后将聚乙烯、木粉进行烘干操作,将残留在聚乙烯、木粉中的水分蒸发,控制聚乙烯与木粉的含水率在10%以下;
(2)试剂与原材料混合:先向搅拌机中放入聚乙烯,再添加润滑剂,期间不停搅拌混合,待聚乙烯颗粒表面均泛液体亮光,即搅拌均匀,然后添加增塑剂,搅拌直到颗粒表面均泛液体亮光,即搅拌均匀,待混合完成后,再添加木粉进行后续混合,继续混合2分钟,最后得到混合原料;
(3)加热挤出:将混合原料加入到双螺杆挤出机中,加料速度保持均匀流畅,保证在挤出过程中不产生堵塞,出丝稳定流畅;
(4)卷丝:通过在双螺杆挤出机的出口加装口模,限定出丝的直径在1.75±0.05mm,最后通过圆盘装置绕丝收集成型丝材。
10.根据权利要求9所述的熔融沉积成型用聚乙烯/木粉复合丝材的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)加热挤出中双螺杆挤出机第一段温度未160℃,第二段温度为170℃,第三段温度为165℃。
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