CN106349630A - Dlp型3d打印用三重固化材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种DLP型3D打印用三重固化材料,该材料由如下重量配比的组分制成:2‑羟基‑3‑苯氧丙基丙烯酸酯5~10份,脂肪酸改性环氧二丙烯酸酯2~6份,双((3,4‑环氧环己基)甲基)己二酸酯20~40份,六官能团脂肪族改性聚氨酯丙烯酸酯15~25份,双官能团氧杂环丁烷10~15份,环氧树脂用橡胶结构改性剂1~3份,气相二氧化硅2~10份,纳米三氧化二铝2~10份,潮气固化型丙烯酸树脂20~40份,1,4‑丁二醇二缩水甘油醚2~10份;将该三重固化材料应用于牙科3D打印,可实现分步高效固化,制备得到高韧性、高强度、低成本的牙科用类陶瓷材料。
Description
技术领域
本发明属于3D打印材料技术领域,尤其涉及一种DLP型3D打印用三重固化材料及其制备方法,以及该种材料在牙科3D打印中的应用。
背景技术
随着工业4.0高科技战略计划的发展以及人们生活水平的不断提高,个性化定制的需求愈来愈多,同时催生了3D打印技术并得以快速发展。目前在国外尤其是美国,由于传统植牙方法费用昂贵,时间长,患者体验较差,牙齿种植舒适度和精度低,无法数据化存储和传送等,带动了3D打印技术在牙科上的应用,采用3D技术打印牙齿、牙桥、牙套以及牙夹板等正如火如荼地发展。通常用口腔扫描仪扫描出三维数字模型,再利用3D打印机打印,大大提高了植牙速度、精度和患者舒适度。但在中国,由于3D打印材料被国外行业巨头垄断,国内牙科相关3D打印材料基本依赖进口,主要是德国Envisiontec牙科3D打印材料,其价格昂贵,通常高达3000~7000rmb/kg,且韧性较差,钻孔容易开裂,强度较低,运输过程中容易变形、破损,造成我国牙科行业3D打印应用进展缓慢,基本处于起步阶段,目前仍主要采用传统方法制造牙模。
国内现有3D打印材料主要集中在SLA型(立体光固化成型法)3D打印材料上,材料固化方式以自由基和阳离子光固化为主。如:中国专利CN 105713332A“一种用于激光3D打印的紫外光固化树脂复合材料及其制备方法”,中国专利CN 104570603 A“一种紫外光固化3D打印用光敏树脂的制备方法和应用”,中国专利CN 104559140“一种基于3D打印的光固化材料及其制备方法”。上述SLA型3D打印通常要求的紫外光强度能量在200~600mw/cm2,而牙科相关3D打印以DLP型(数字投影成型)为主,紫外光强度能量在8~20mw/cm2,这就限制了国内现有打印材料在牙科上的应用。
中国专利CN105462134A“多重固化并增强的3D打印材料及其制造方法”公开了一种可同时发生UV光/潮气/阳离子三种方式固化反应的3D打印材料,一次快速成型,但该种材料并不适用于牙科上DLP型3D打印,比如:DLP型3D打印特有的紫外光条件无法实现自由基和阳离子固化同时高效进行;DLP型3D打印因其激光器对湿度很敏感,湿度过高会大幅降低激光器的功率,所以要求作业环境严格控制湿度小于30%(即为干燥的条件),而该专利采用硅烷作为潮气固化树脂,要求较潮湿(通常湿度大于80%)的作业环境,显然无法应用在DLP型3D打印中;此外,该专利还采用了乙醇蒸馏、超声波震动、加热活化和研磨等特殊工艺,耗时长(6个小时),存在安全隐患,且设备要求和成本高,不适合工业化生产。
综上,亟需开发出一款适应DLP型3D打印的具备高韧性、高强度等优异关键性能且成本低廉的牙科类陶瓷材料,以填补国内该领域的技术空白,从而推动中国牙科3D打印走向普及化和大众化。
发明内容
针对目前国内牙科3D打印存在的技术空白,本发明的目的之一在于提供一种适用于DLP型3D打印的三重固化材料,该材料由如下重量配比的组分制成:
本发明的另一目的在于提供一种上述DLP型3D打印用三重固化材料的制备方法,该方法包括以下步骤:
(1)将5~10份2-羟基-3-苯氧丙基丙烯酸酯、2~6份脂肪酸改性环氧二丙烯酸酯和20~40份双((3,4-环氧环己基)甲基)己二酸酯投入反应缸中混合,以550~650转/分钟的转速搅拌25~35分钟,得到预混料;
(2)向上述预混料中加入15~25份六官能团脂肪族改性聚氨酯丙烯酸酯和10~15份双官能团氧杂环丁烷,搅拌均匀后再添加1~3份环氧树脂用橡胶结构改性剂,以650~700转/分钟的转速搅拌10~15分钟;从添加六官能团脂肪族改性聚氨酯丙烯酸酯开始至搅拌结束,保持搅拌釜加盖,并采用充分去除水汽的压缩空气保护;搅拌结束后确认混合料粘度:粘度<45s时合格,粘度≥45s时继续搅拌至粘度合格;
(3)向步骤(2)所得混合料加入20~40份潮气固化型丙烯酸树脂和2~10份1,4-丁二醇二缩水甘油醚,边搅拌边添加2~10份气相二氧化硅和2~10份纳米三氧化二铝,以800~1000转/分钟的转速搅拌10~15分钟,确认混合料细度<15μm;
(4)将步骤(3)所得混合料过80目滤网,即得DLP型3D打印用三重固化材料。
优选地,保持步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)的操作温度为5℃~55℃。
优选地,步骤(4)采用80目钢丝滤网过滤。
本发明的又一目的在于提供一种上述三重固化材料在牙科DLP型3D打印中的应用,所述3D打印施工参数如下:紫外光强度16~24mw/cm2,温度20~25℃,湿度20~30%;成型工件于55~65℃,75~85%恒温恒湿箱中静置28~32分钟,完成最终固化,得到牙科用类陶瓷材料。
优选地,3D打印施工参数如下:紫外光强度20mw/cm2,温度25℃,湿度20~30%。
优选地,所述恒温恒湿箱参数设置为:温度60℃,湿度80%,静置30分钟。
本发明具有如下有益技术效果:
本发明申请人针对目前国内牙科相关DLP型3D打印存在的技术缺陷和技术空白,巧妙运用自由基-阳离子光固化及潮气固化的不同反应机理,通过不断摸索特定组分、重量配比及最佳制备工艺,创造性地开发出一款能高效适应DLP型3D打印特殊打印条件(如8~20mw/cm2低紫外光强,<30%低湿度环境)的可高效固化类陶瓷材料,区别于传统3D打印材料的一次快速成型,本发明类陶瓷材料为分步固化模式:首先利用自由基在低紫外光强下固化,材料初步固化;再利用阳离子“暗反应”机制,材料进一步固化;工件3D打印成型,最后利用丙烯酸树脂的潮气固化性实现最终固化,获得具有高韧性和高强度的牙科用类陶瓷材料。本发明充分利用了三种固化体系的优点,规避各自缺点,有机结合为一个固化反应整体,混杂后的体系可在光引发效率、体积变化、性能调节等方面产生很好的互补和协同效应,同时减弱副反应,经测试,完全固化成型后的类陶瓷材料具备优异的物理性能(高强度和高韧性),可大幅提升现有3D打印材料的性能特性,能替代并超越同类进口产品,同时大幅降低了制备成本(原材料成本在200rmb/kg左右),无需任何特殊工艺,条件温和(只需常温搅拌),十分适合工业化规模生产,有利于推动牙科3D打印走向普及化和大众化。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明。
制备实施例
实施例1~实施例5各组分重量配比如表1所示:
表1体系各组分重量配比(重量份)
实施例1
(1)将5份2-羟基-3-苯氧丙基丙烯酸酯、6份脂肪酸改性环氧二丙烯酸酯和20份双((3,4-环氧环己基)甲基)己二酸酯投入反应缸中混合,以600转/分钟的转速搅拌30分钟,得到预混合料;此步控制操作温度5~55℃。
(2)向预混合料中加入25份六官能团脂肪族改性聚氨酯丙烯酸酯和10份双官能团氧杂环丁烷,混匀后再添加3份环氧树脂用橡胶结构改性剂,以650转/分钟的转速搅拌15分钟;从添加六官能团脂肪族改性聚氨酯丙烯酸酯开始至包装结束,需给搅拌釜加盖,并用充分去除水汽的压缩空气保护,以尽量减少涂料和水气接触时间;搅拌结束确认混合料的粘度,将混合料温度调至25℃,用NK-2粘度杯检测粘度,粘度小于45s时为合格,若粘度不合格,以650转/分钟的转速再次搅拌5~15分钟,直到粘度合格;此步控制操作温度5~55℃。
(3)向步骤(2)得到的混合料中加入20份潮气固化型丙烯酸树脂和10份1,4-丁二醇二缩水甘油醚,边搅拌边添加2气相二氧化硅和10纳米级三氧化二铝,以900转/分钟的转速搅拌15分钟,确认混合料的细度小于15μm;此步控制操作温度5~55℃。
(4)将步骤(3)得到的混合料经过80目钢丝滤网进行过滤,过滤后即得到3D打印用三重固化类陶瓷材料成品。
实施例2
同实施例1操作步骤,步骤(1)搅拌转速550转/分钟,搅拌时间35分钟,控制操作温度5~55℃;步骤(2)搅拌速度700转/分钟,搅拌时间10分钟,控制操作温度5~55℃;步骤(3)搅拌转速800转/分钟,搅拌时间10分钟,控制操作温度5~55℃;步骤(4)过80目钢丝滤网过滤。
实施例3
同实施例1操作步骤,步骤(1)搅拌转速650转/分钟,搅拌时间25分钟,控制操作温度5~55℃;步骤(2)搅拌速度650转/分钟,搅拌时间12分钟,控制操作温度5~55℃;步骤(3)搅拌转速1000转/分钟,搅拌时间12分钟,控制操作温度5~55℃;步骤(4)过80目钢丝滤网过滤。
实施例4
同实施例1操作步骤,步骤(1)搅拌转速600转/分钟,搅拌时间35分钟,控制操作温度5~55℃;步骤(2)搅拌速度700转/分钟,搅拌时间10分钟,控制操作温度5~55℃;步骤(3)搅拌转速1000转/分钟,搅拌时间10分钟,控制操作温度5~55℃;步骤(4)过80目钢丝滤网过滤。
实施例5
同实施例1操作步骤,步骤(1)搅拌转速500转/分钟,搅拌时间30分钟,控制操作温度5~55℃;步骤(2)搅拌速度650转/分钟,搅拌时间15分钟,控制操作温度5~55℃;步骤(3)搅拌转速900转/分钟,搅拌时间15分钟,控制操作温度5~55℃;步骤(4)过80目钢丝滤网过滤。
应用实施例
将实施例1~3所制3D打印用三重固化材料用Envisiontec 3D打印机Ultra2Dental打印50*50*3mm的平板,具体施工参数为:光强20mw/cm2,温度25℃,湿度20~30%。成型工件在60℃,80%湿度的恒温恒湿箱中静置30分钟,实现完全固化,获得牙科用类陶瓷材料。
取出恒温恒湿箱内类陶瓷材料测试品,冷却至室温后对各项关键性能参数进行测定,并与国外同类进口3D打印材料进行对比,测试依据及测试结果如表2所示:
表2性能指标测试结果
上述测试数据证明,相比于国外同类进口产品,本发明所制类陶瓷材料大幅度提高了强度、韧性等关键物理性能。其中,实施例1为最佳实施例。
如无特殊说明,以上实施例所涉及原料和设备和试剂均为市售产品,所使用设备均为本领域常规设备。
可以理解的是,以上关于本发明的具体描述,仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或等同替换,以达到相同的技术效果;只要满足使用需要,都在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.DLP型3D打印用三重固化材料,其特征在于由如下重量配比的组分制成:
。
2.权利要求1所述的DLP型3D打印用三重固化材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)将5~10份2-羟基-3-苯氧丙基丙烯酸酯、2~6份脂肪酸改性环氧二丙烯酸酯和20~40份双((3,4-环氧环己基)甲基)己二酸酯投入反应缸中混合,以550~650转/分钟的转速搅拌25~35分钟,得到预混料;
(2)向上述预混料中加入15~25份六官能团脂肪族改性聚氨酯丙烯酸酯和10~15份双官能团氧杂环丁烷,搅拌均匀后再添加1~3份环氧树脂用橡胶结构改性剂,以650~700转/分钟的转速搅拌10~15分钟;从添加六官能团脂肪族改性聚氨酯丙烯酸酯开始至搅拌结束,保持搅拌釜加盖,并采用充分去除水汽的压缩空气保护;搅拌结束后确认混合料粘度:粘度<45s时合格,粘度≥45s时继续搅拌至粘度合格;将混合料温度调节至25℃;
(3)向步骤(2)所得混合料加入20~40份潮气固化型丙烯酸树脂和2~10份1,4-丁二醇二缩水甘油醚,边搅拌边添加2~10份气相二氧化硅和2~10份纳米三氧化二铝,以800~1000转/分钟的转速搅拌10~15分钟,确认混合料细度<15μm;
(4)将步骤(3)所得混合料过80目滤网,即得DLP型3D打印用三重固化材料。
3.根据权利要求2所述的DLP型3D打印用三重固化材料的制备方法,其特征在于:保持步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)的操作温度为5℃~55℃。
4.权利要求1所述的DLP型3D打印用三重固化材料在牙科3D打印中的应用,其特征在于所述3D打印施工参数如下:紫外光强度16~24mw/cm2,温度20~25℃,湿度20~30%;成型工件于55~65℃,75~85%恒温恒湿箱中静置28~32分钟,完成最终固化,得到牙科用类陶瓷材料。
5.根据权利要求5所述的DLP型3D打印用三重固化材料在牙科3D打印中的应用,其特征在于所述3D打印施工参数如下:紫外光强度20mw/cm2,温度25℃,湿度20~30%。
6.根据权利要求5所述的DLP型3D打印用三重固化材料在牙科3D打印中的应用,其特征在于所述恒温恒湿箱参数设置为:温度60℃,湿度80%,静置30分钟。
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