CN106957455A - 一种快速成型用甲壳素、纤维素复合材料及其制备方法 - Google Patents

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赵佳宁
郭艳玲
朱航勇
孙宇
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Abstract

本发明涉及一种快速成型用甲壳素、纤维素复合材料及其制备方法。本发明选用取材广泛、生物相容性和生物降解性好的材料：甲壳素和纤维素为基体材料，通过碱性化处理的方式制备碱性甲壳素、纤维素复合材料，该复合材料常温下为液态，具备加热固化特性，可用于快速原型制造，能够加工出结构任意复杂的模型，扩展了甲壳素和纤维素的工业应用。

Description

一种快速成型用甲壳素、纤维素复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种快速成型用甲壳素、纤维素复合材料及其制备方法。
背景技术
快速原型制造彻底颠覆了传统的采用材料去除方式达到零件形状和精度的方法，采用全新的“增材”方式加工零部件。快速原型技术对于缩短新产品的设计评估周期，向设计者、制造者和用户提供真实可见的实体模型，进行功能测试实验，进行快速模具制造和快速零件制造，具有重要意义。快速原型制造在汽车、航空、电器、医疗等领域已得到广泛应用。
快速原型制造有多种分类，按照加工原理分为熔丝沉积、选择性激光烧结、选区片层叠加及光固化成型等，按照使用材料的不同又有丝材、粉末材料、薄片材料及液态材料。
光敏树脂液相固化成型(SLA)，又称立体光固化成型法，是快速原型制造的一种，采用液态光敏树脂原料，其工艺过程是，首先通过CAD设计出三维模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化。
现有的用于快速成型的液态材料均为光敏树脂材料，是依靠激光的照射作用下引起聚合反应，完成固化，材料本身存在取材不易、价格高，保存困难、制备复杂的特点，且不具备生物相容性和生物降解性。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种用于快速成型的液态材料，能够在激光的照射下受热快速固化，在快速成型设备上实现各种模型的快速制备。该材料的特点是基体材料易获取，制备简单，价格低廉，且具备很好的生物相容性和生物降解性。
本发明的另一个目的是提供上述复合材料的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种快速成型用甲壳素、纤维素复合材料，由纤维素碱性溶液与甲壳素碱性溶液按按1：3～3：1的质量比例混合而成。
一种快速成型用甲壳素、纤维素复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)将纤维素(重均分子量1.0～1.2×105)，分散在预冷至-10～12℃的碱性溶液中，搅拌使其充分混合，得到稳定纤维素碱性溶液。其中，溶解纤维素的碱性溶剂组分及其重量百分含量为：NaOH：4～8％，尿素：4～12％，其余为水。
(2)将60-80目甲壳素粉末分散在碱性溶液中，搅拌使其充分溶胀，将充分溶胀的甲壳素悬浮液在-20-0℃之间反复冷冻解冻数次，得到稳定的甲壳素溶液。其中，溶解甲壳素的碱性溶剂组分及其重量百分含量为：NaOH：4～8％，尿素：4～12％，其余为水。
(3)将纤维素碱性溶液与甲壳素碱性溶液按按1：3～3：1的比例混合后，搅拌均匀，静止，得到成品。
本发明提供的复合材料以纤维素和甲壳素为主要基体。其中，纤维素是目前地球上含量最丰富的天然高分子，每年生物质产能便可达到约1.5×1016吨，仅光合作用产生的纤维素就有数千亿吨，是可再生资源。与传统的合成高分子材料相比，纤维素具有可完全生物降解、无毒、无污染、生物相容性好等优点。甲壳素在自然界中分布广泛，是仅次于纤维素的一种来源及其丰富的天然有机化合物。甲壳素广泛存在于加壳纲动物(虾、蟹等)的甲壳、昆虫的甲壳、真菌(酵母、霉菌)的细胞壁以及植物(蘑菇等)的细胞壁中。自然界每年生物合成的甲壳素将近100亿吨。纤维素和甲壳素具有良好的生物相容性和生物降解性，降解产物对人体无毒害作用，目前在生物医学领域得到了一定的应用，可制成可降解性的手术缝合线。人造血管和人工皮肤等医疗产品；在保健方面，他们被欧美学术界誉为继蛋白质、脂肪、糖类、维生素、无机盐之后的第六生命元素，对人体具有强化免疫机能！延缓衰老！预防疾病和调节人体生理等多重作用。
所制备的碱性甲壳素、纤维素复合材料常温下呈液态，加热时可固化成型，固化温度根据组分比例的不同在60～80℃不等。在快速成型设备上，利用激光加热的方式实现该材料的选择性分层制造，即可实现任意复杂模型的快速制造。成型件的成型精度高、机械强度良好。同时，由于纤维素和甲壳素分子间具有强烈的氢键作用，形成了有序的大分子结构，溶解性能很差，不能溶于一般的溶剂之中，因此制备的快速成型零件具有较好的化学稳定性。
总之，本发明以甲壳素和纤维素为基体材料制备一种液态复合材料，具备热固化性能，可用于快速成型，能够快速加工出任意形状的模型零件。该复合材料具备价格低廉，易获取，具备好的生物相容性和生物降解性的优点。
附图说明
图1为快速成型示意图
图中：1-液槽 2-复合材料溶液 3-工作台 4-激光器 5-零件 6-刮平器 7-升降台
具体实施方式
一种快速成型用甲壳素、纤维素复合材料，由纤维素碱性溶液与甲壳素碱性溶液按按1：1的质量比例混合而成。
一种快速成型用甲壳素、纤维素复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)将纤维素(重均分子量1.0×105)，分散在预冷至0℃的碱性溶液中，搅拌使其充分混合，得到稳定纤维素碱性溶液。其中，溶解纤维素的碱性溶剂组分及其重量百分含量为：NaOH：6％，尿素：8％，其余为水。
(2)将60目甲壳素粉末分散在碱性溶液中，搅拌使其充分溶胀，将充分溶胀的甲壳素悬浮液在-20-0℃之间反复冷冻解冻数次，得到稳定的甲壳素溶液。其中，溶解甲壳素的碱性溶剂组分及其重量百分含量为：NaOH：6％，尿素：8％，其余为水。
(3)将纤维素碱性溶液与甲壳素碱性溶液按按1：1的比例混合后，搅拌均匀，静止，得到成品。
所制备的碱性甲壳素、纤维素复合材料常温下为液态，具备良好的热固化性能，固化温度为65℃，将其用于快速原型制造时，其成型工艺过程为：
通过计算机三维造型软件(solidworks或UG、CAD等)对所要制备的零件模型进行三维建模，并利用计算机软件对三维模型进行分层扫描，将其转化为相应的加工信息以便为后续打印提供合理有效的路径。
图1所示，将制备完成的碱性甲壳素、纤维素复合材料2注入到快速成型设备的液槽1内，确保工作平台3位于复合材料2的液面之下，并对复合材料2预热至50℃，然后启动快速成型设备，激光发射器4发射加热激光束，在激光束的照射下开始对复合材料2进行加热使之发生固化。成形作业时，聚焦后的激光束在液面上按快速成型设备的指令由点到线，由线到面逐点扫描，扫描到的地方复合材料2被加热固化，成为成形零件5的一部分，而未扫描的地方仍然是液态状态的复合材料2，当一个层面扫描完成后，需启动刮平器6对该层进行光整及刮平加工，随后升降台7下降一个层片厚度的距离，使得液面工件5顶端重新覆盖一层液态复合材料2，再次进行第二层扫描，新固化的一层牢固地粘接在前一层上，如此重复直到整个复杂的三维模型被打印完成。
加工参数选择：采用分区域扫描方式，激光器输出功率为400W，扫描激光光束的移动速率为1800mm/s，激光光斑的特征半径为0.3mm，激光光束扫描间距为0.15mm，分层厚度为0.1mm。

Claims (2)

1.一种快速成型用甲壳素、纤维素复合材料，由纤维素碱性溶液与甲壳素碱性溶液按按1：3～3：1的质量比例混合而成。
2.根据权利要求1所述的一种快速成型用甲壳素、纤维素复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)将纤维素(重均分子量1.0～1.2×105)，分散在预冷至-10～12℃的碱性溶液中，搅拌使其充分混合，得到稳定纤维素碱性溶液。其中，溶解纤维素的碱性溶剂组分及其重量百分含量为：NaOH：4～8％，尿素：4～12％，其余为水。
(2)将60-80目甲壳素粉末分散在碱性溶液中，搅拌使其充分溶胀，将充分溶胀的甲壳素悬浮液在-20-0℃之间反复冷冻解冻数次，得到稳定的甲壳素溶液。其中，溶解甲壳素的碱性溶剂组分及其重量百分含量为：NaOH：4～8％，尿素：4～12％，其余为水。
(3)将纤维素碱性溶液与甲壳素碱性溶液按按1：3～3：1的比例混合后，搅拌均匀，静止，得到成品。
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