CN106592038A - 一种天然麻纤维增强的3d打印线材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种麻纤维增强3D打印线材及其制备方法，属于3D打印材料及其制备领域。原料包括：天然麻纤维、低熔点聚合物、相容剂和其他助剂组成，其中低熔点聚合物含量50～60％，天然麻纤维30～40％，其他助剂。本发明的天然麻纤维增强3D打印线材，利用天然麻纤维和低熔点聚合物纤维，经过表面改性处理、混纺、加热加压挤出、加捻形成一种3D打印线材，具有环保性能好、质量轻、刚度强度高，可用于替代一般的3D塑料耗材，无毒，环保，强度高，综合性能好，具有较高的经济价值和广泛的发展空间。

Description

一种天然麻纤维增强的3D打印线材及其制备方法
技术领域
本发明属于3D打印材料技术领域。
背景技术
3D打印是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。随着社会的进步，3D打印材料单一性在某种程度上也是制约了3D打印技术的发展。以FDM打印为例，能够实现打印的材料为ABS塑料类、熔丝线材、FDM陶瓷材料、木塑复合材料、FDM支撑材料等几种常规的材料。3D打印为了满足发展的需求，就仍然需要不断地开发新材料，使得3D打印材料向多元化发展，并能够建立相应的材料供应体系，这必将极大地拓宽3D打印技术应用场合。
现有的3D打印材料大都是高分子聚合物为主，例如：ABS、PP、PE等，ABS塑料，大多采用FDM打印，是目前使用最常见的塑料。然而，这是不完全环保的，而且其融化时会释放有害气体。现在人们对环境保护的意思越来越高，所以一种环保的，可降解的3D打印材料就显得越来越重要。目前常见的熔丝线材大都是颗粒状的固体熔混，然后制成线状3D打印材料。对于3D打印耗材，目前有采用秸秆为原材料的3D打印耗材，虽然解决了环保的问题，但是普遍都是采用粉碎秸秆形成颗粒物后，再和聚合物混合造粒。由于都是短纤维，制品的强度和刚度不能得到显著提高，对于需要高强度和刚度的零件来说就存在不足了。
天然麻纤维具有较高的强度，可再生、降解，环保性能好，是来自自然界的产物。用天然麻纤维增强聚合物，制备一种新型的环保3D打印材料就能很好的解决和匹配产品的环保和性能要求。
聚乳酸(PLA)可以自然降解，是一种新型的环保聚合物材料。PLA一般情况下不需要加热床，所以PLA容易使用，但是强度和刚度不好，比较脆。虽然PLA也能打印出强度相当高的物体，却比其他塑料脆弱。此外，PLA的打印温度为180～200℃。PLA的玻璃转化温度也是这种材料最大的缺点，仅有60℃左右，因此其应用受到很大的限制。PLA熔化后容易附着和延展经常会堵塞热端(尤其是全金属制的热端更是如此)，也不利于对其进行加工。
发明内容
本发明针对上述问题提出了一种环保型的3D线材，提出了一种利用天然麻纤维增强的3D打印线材。
一种天然麻纤维增强3D打印材料，其配方按照质量百分比计算，具体如下：
所述低熔点聚合物为平均分子量8000～15000mol.wt的聚乳酸(PLA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和ABS塑料中的一种，优选PLA。
天然麻纤维为汉麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维、剑麻纤维、苎麻纤维、竹纤维和椰壳纤维中一种或多种。
所述的相容剂为硅烷偶联剂和马来酸酐中的一种；
助剂为润滑剂、分散剂、热氧稳定剂中的一种或多种的混合。
天然纤维增强3D打印线材制备方法，如下：
1)、称量：按照原料配方进行称量。
2)、预处理：将麻纤维进行机械脱胶处理，对进行机械脱胶处理后的麻纤维通过喷淋相容剂和助剂对麻纤维进行表面改性处理，以改善麻纤维表面的极性；对选用的低熔点纤维喷淋相容剂和助剂处理。
3)、将低熔点聚合物纤维和麻纤维进行混纺混合：铺设一层精开松的低熔点聚合物纤维，再铺设一层精开松的麻纤维，交替铺设多层低熔点聚合物纤维和麻纤维以形成毛毡。
4)、对毛毡进行针刺处理，然后将毛毡收拢，卷成条状。
5)、将条状的毛毡通过加热加压设备进行在120～220℃条件下加热3～5分钟，经过挤出设备进行以3.2～4.5MPa的压力进行加压挤出，挤出成线材的同时对线材进行加捻处理。
6)、对加工好的线材进行冷却处理，得到产品。
本发明的有益效果：
本发明采用铺设纤维的方式进行纤维混合，对纤维分别进行精细梳理并铺层，控制每层纤维铺设的厚度，以利于两种纤维充分的接触，并增加针刺工艺，实现纤维间的勾连结合，待低熔点纤维热熔时能够充分的包裹麻纤维。本发明采用的加热加压成型中，加压成型通过一个锥形的通道对加热后的线材进行挤出成型，挤出之后对成型线材通过加捻装置进行加捻处理。因此，该线材具有环保性能好、质量轻、刚度强度高、用途广泛。可广泛应用于汽车内饰、工艺品、家具、玩具、塑料制品等领域，具有良好的应用前景，是一种环保轻质多功能的新型3D复合线材。
附图说明
图1麻纤维增强3D打印线材生产流水线示意图；
图2麻纤维增强3D打印线材生产流水线侧视图；
图3加热加压装置中挤出口的剖面图；
图4纤维铺设示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例中的原料配方如下(按照质量百分比计，以下均同本实施例)：低熔点聚合物纤维60％；天然麻纤维35％；硅烷偶联剂3％；乙撑双硬脂酸酰胺1％硬脂酸1％；低熔点纤维为PLA，天然麻纤维为汉麻。
1、将汉麻纤维进行机械脱胶处理，并对麻纤维表面进行改性处理；喷淋偶联剂和相应的助剂对汉麻纤维进行处理，改善汉麻纤维的极性。将选用的低熔点纤维PLA进行预处理，喷淋偶联剂和相应的助剂对PLA纤维进行处理。
2、将低熔点聚合物纤维和汉麻纤维进行混纺混合：铺设一层精开松的低熔点聚合物纤维，再铺设一层精开松的汉麻纤维，交替铺设多层低熔点聚合物纤维和麻纤维，形成毛毡。
3、对毛毡进行针刺处理，然后收拢卷成条状。
4、将条状的毛毡通过加热加压设备进行在120℃条件下加热5分钟，经过挤出设备进行以3.2MPa的压力进行加压挤出，挤出成线材的同时对线材进行加捻处理。
5、对加工好的线材进行冷却处理，得到产品。
实施例2
本实施例中的原料配方如下：低熔点聚合物纤维55％；天然麻纤维42％；马来酸酐2％；硬脂酸1％；低熔点纤维为ABS，天然麻纤维为黄麻。
1、将黄麻纤维进行机械脱胶处理，并对麻纤维表面进行改性处理，喷淋偶联剂和相应的助剂对黄麻纤维进行处理，改善黄麻纤维的极性。将选用的低熔点纤维ABS进行预处理，喷淋偶联剂和相应的助剂对ABS纤维进行处理。
2、将低熔点聚合物纤维和黄麻纤维进行混纺混合：铺设一层精开松的低熔点聚合物纤维，再铺设一层精开松的黄麻纤维，交替铺设多层低熔点聚合物纤维和黄麻纤维，形成毛毡。
3、对毛毡进行针刺处理，然后收拢卷成条状。
4、将条状的毛毡通过加热加压设备在加热温度为220℃条件下加热时间为3分钟。经过挤出设备进行加压挤出成线材，加压压力为4.2MPa，再在挤出过程中，对线材进行加捻处理。
5、对加工好的线材进行冷却处理，得到产品。
实施例3
本实施例中的原料配方如下：低熔点聚合物纤维50％；天然麻纤维45％；硅烷偶联剂2％；硬脂酸1％；低熔点纤维为PP，天然麻纤维为亚麻。
1、将亚麻纤维进行机械脱胶处理，并对亚麻纤维表面进行改性处理，喷淋偶联剂和相应的助剂对亚麻纤维进行处理，改善亚麻纤维的极性。将选用的低熔点纤维PP进行预处理，喷淋偶联剂和相应的助剂对PP纤维进行处理。
2、将低熔点聚合物纤维和亚麻纤维进行混纺混合：铺设一层精开松的低熔点聚合物纤维PP，再铺设一层精开松的亚麻纤维，交替铺设多层低熔点聚合物纤维和亚麻纤维，形成毛毡。
3、对毛毡进行针刺处理，然后收拢卷成条状。
4、将条状的毛毡通过加热加压设备进行在165℃条件下加热4分钟，经过挤出设备进行以4.5MPa的压力进行加压挤出，挤出成线材的同时对线材进行加捻处理。
5、对加工好的线材进行冷却处理，得到产品。
以上实施例中所采用的加工流水线如图1和图2所示，由纤维混合设备1、针刺设备2、纤维成卷装置3、加热加压装置4、加捻装置5、冷却装置6和3D打印线材打卷装置7组成。加热加压装置4中挤出口的剖面图如图3所示。纤维混合设备1中交替铺设后的毛毡结构如图4所示，图中Ⅰ为聚乳酸纤维层，Ⅱ为天然麻纤维层。
以上实施例作为本发明的优选方式，其配方在发明内容公开的范围内都可实现本发明的技术效果，所使用的助剂除其中所列举的助剂的品种外，实际生产过程中可使用润滑剂、分散剂、热氧稳定剂一种或多种类型的助剂的混合。低熔点聚合物的平均分子量8000～15000mol.wt。
性能测试结果
将实施例1-3制备的麻纤维增强3D打印线材的主要性能测试结果制成表1。
表1
由以上结果可知，本发明所得到的麻纤维增强3D打印线材在拉伸强度、弯曲强度、冲击韧性等方面都表现优异，表现出了较好的强度和刚度。

Claims (6)

1.一种天然麻纤维增强3D打印材料，其特征在于，其组成配方按照质量百分比计算，具体如下：
所述低熔点聚合物为平均分子量8000～15000mol.wt的聚乳酸、聚丙烯、聚乙烯和ABS塑料中的一种；
天然麻纤维为汉麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维、剑麻纤维、苎麻纤维、竹纤维和椰壳纤维中的一种或多种；
所述的相容剂为硅烷偶联剂和马来酸酐中的一种；
助剂为润滑剂、分散剂和热氧稳定剂中的一种或多种的混合。
2.根据权利要求1所述的天然麻纤维增强3D打印材料，其特征在于，所述低熔点聚合物为聚乳酸。
3.一种如权利要求1所述天然麻纤维增强3D打印材料的制备方法，具体步骤如下：
1)、称量步骤：按照质量百分比称量如下原料：
所述低熔点聚合物为平均分子量8000～15000mol.wt的聚乳酸、聚丙烯、聚乙烯和ABS塑料中的一种，
天然麻纤维为汉麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维、剑麻纤维、苎麻纤维、竹纤维和椰壳纤维中一种或多种；
所述的相容剂为硅烷偶联剂和马来酸酐中的一种；
助剂为润滑剂、分散剂和热氧稳定剂中一种或多种的混合；
2)、预处理：将麻纤维进行机械脱胶处理，对进行机械脱胶处理后的麻纤维通过喷淋相容剂和助剂对麻纤维进行表面改性处理，以改善麻纤维表面的极性；对选用的低熔点纤维喷淋相容剂和助剂处理；
3)、将低熔点聚合物纤维和麻纤维进行混纺混合：铺设一层精开松的低熔点聚合物纤维，再铺设一层精开松的麻纤维，交替铺设多层低熔点聚合物纤维和麻纤维以形成毛毡；
4)、对毛毡进行针刺处理，然后将毛毡收拢，卷成条状；
5)、将条状的毛毡通过加热加压设备进行在120～220℃条件下加热3～5分钟，经过挤出设备进行以3.2～4.5MPa的压力进行加压挤出，挤出成线材的同时对线材进行加捻处理；
6)、对加工好的线材进行冷却处理，得到产品。
4.根据权利要求3所述的天然麻纤维增强3D打印材料的制备方法，其特征在于，步骤5)中在220℃条件下加热时间为3分钟，挤出压力为4.2MPa。
5.根据权利要求3所述的天然麻纤维增强3D打印材料的制备方法，其特征在于，步骤5)中在120℃条件下加热时间为5分钟，挤出压力为3.2MPa。
6.根据权利要求3所述的天然麻纤维增强3D打印材料的制备方法，其特征在于，步骤5)中在165℃条件下加热时间为4分钟，挤出压力为4.5MPa。
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