CN107151429A - 一种用于3d打印的pla/pbat/石墨烯材料及其制备方法 - Google Patents

一种用于3d打印的pla/pbat/石墨烯材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于3D打印材料技术领域，具体涉及一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料及其制备方法。一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料，由以下按重量份数计的组分制备而成：PLA 60‑90份、PBAT 10‑40份、石墨烯0.5‑3份、增容剂1‑10份、抗氧剂0.5‑1.5份、增韧剂5‑10份、硅烷偶联剂1‑3份。本发明制备的PLA/PBAT/石墨烯材料相容性好、材料力学性能好、韧性好、优异的降解性能、打印精度高；本发明所使用的原料易得、条件温和、工艺简单、成本低、易于工业化生产。

Description

一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料及其制备方法
技术领域
本发明属于3D打印材料技术领域，具体涉及一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料及其制备方法。
背景技术
3D打印技术，即增材制造技术，与机器人技术、人工智能技术一起被称为推动第三次工业革命的关键技术。3D打印技术是一种通过逐层增加堆积材料来生成三维实体的快速增材制造技术，它与传统的减材制造技术相比，具有损耗低、产品制造智能化、精准化和高效的特点。尤其是涉及到复杂形状的高端制造领域，3D打印技术显示出了巨大的优越性。
聚乳酸(PLA)是一种可完全生物降解、对环境友好的脂肪族聚酯类高分子材料，具有良好的化学惰性、良好的生物相容性、极易于加工以及其相应制品废弃后能在微生物、酸碱等自然条件下完全分解成对环境无毒无害的二氧化碳和水等优点。然而PLA具有玻璃化转变温度较高、性脆、耐冲击强度低以及柔性差等不足，这些缺点极大地限制了PLA在3D打印材料领域的应用。聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)是一种还未被广泛研究的新型脂肪族-芳香族共聚酯材料，是由对苯二甲酸、己二酸和1,4丁二醇聚合而成的三元共聚酯，兼具长亚甲基链的柔性和芳环的韧性，既有较好的延展性和断裂伸长率，也有较好的耐热性和冲击性能。因此，将PBAT与PLA共混改性可以有效提高聚乳酸的性能。增容剂的加入，有利于提高PLA与PBAT的相容性，导致PLA/PBAT的共混物力学强度增加很多。
石墨烯作为一种新型的碳纳米材料，自2004年起获得了广泛的关注和研究。越来越多的研究发现，这种材料通过不同的方法制备可以获得高强度、大导热系数、高导电性能，大比表面积等优异性能。石墨烯以其独一无二的结构特性、超强的力学性能、独特的光电性能、比表面积大和优异的吸附性能等特性使其迅速地成为化学、材料科学等领域的一个研究热点，石墨烯在复合材料领域将具有广泛的应用前景，近年来有许多学者将其与高分子材料进行复合，取得了一些令人瞩目的成果，石墨烯分散到基体材料中，易团聚，有时会导致材料的性能达不到理想的效果。
发明内容
基于上述背景和问题，本发明的目的在于提供一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料及其制备方法，本发明制备的PLA/PBAT/石墨烯材料相容性好、材料力学性能好、韧性好、打印精度高。
为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料，由以下按重量份数计的组分制备而成：
PLA 60-90份
PBAT 10-40份
石墨烯 0.5-3份
增容剂 1-10份
抗氧剂 0.5-1.5份
增韧剂 5-10份
硅烷偶联剂 1-3份。
具体地，上述的PLA的重均分子量为5×104-2×105g/mol。
具体地，上述的石墨烯的厚度为1-5nm。
具体地，上述的增容剂为马来酸酐、过氧化二异丙苯、GMA-乙烯-丙烯酸甲酯的三元共聚物中的一种或几种。
具体地，上述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂CA、抗氧剂168、抗氧剂1035、抗氧剂1098中的一种或几种。
具体地，上述的增韧剂为羧基液体丁腈橡胶、聚醋酸乙烯乳液、液体硅橡胶中的一种或几种。
具体地，上述的硅烷偶联剂为KH560、KH550、KH570中的一种或几种。
进一步，所述的一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将石墨烯于150-200℃的温度下进行30-60min的氧化处理；
(2)将氧化处理后的石墨烯浸泡在硅烷偶联剂中20-30min；
(3)将PLA和PBAT真空干燥，按照质量份配方，将处理后的石墨烯、PLA、PBAT、增容剂、抗氧剂、增韧剂置于高速分散机中，保持转速800-2000r/min，高速分散20-30min；
(4)将混合均匀后的物料投放进锥形双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的挤出温度为150～220℃，机头180-200℃，双螺杆挤出机转速为150-300r/min；
(5)将步骤(4)得到的粒料冷却后用球磨机粉碎，转速为300-400r/min，球磨时间3～5h，然后在50-200目的筛网中进行筛分；
(6)将步骤(5)得到的物料加入到真空干燥箱中，在60～80℃条件下，干燥4～6h后得到PLA/PBAT/石墨烯材料。
本发明的有益效果：
(1)本发明的一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料，选用的增容剂够增加PLA与PBAT链段的相互作用，大大提高了PBAT和PLA的相容性，增加了PBAT/PLA共混物的力学强度，韧性好、优异的降解性能、打印精度高。
(2)本发明的一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料，将石墨预氧化处理，使石墨烯表面产生含氧活性基团，含氧基团可显著提高石墨烯于硅烷偶联剂的作用能力，使界面形成化学键，不但利于石墨烯在树脂材料的分散性，赋予材料诸多石墨烯优异的性能，而且大大改善了界面粘结强度，有利于增强材料之前的界面结合强度。
(3)本发明所使用的原料易得、条件温和、工艺简单、成本低、易于工业化生产。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料，由以下按重量份数计的组分制备而成：
重均分子量为1×105g/mol的PLA 70份
PBAT 30份
厚度为1nm的石墨烯1份
过氧化二异丙苯5份
抗氧剂1010 0.5份
羧基液体丁腈橡胶5份
KH570 1份。
一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将石墨烯于150-200℃的温度下进行30-60min的氧化处理；
(2)将氧化处理后的石墨烯浸泡在硅烷偶联剂中20-30min；
(3)将PLA和PBAT真空干燥，按照质量份配方，将处理后的石墨烯、PLA、PBAT、增容剂、抗氧剂、增韧剂置于高速分散机中，保持转速800-2000r/min，高速分散20-30min；
(4)将混合均匀后的物料投放进锥形双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的挤出温度为150～220℃，机头180-200℃，双螺杆挤出机转速为150-300r/min；
(5)将步骤(4)得到的粒料冷却后用球磨机粉碎，转速为300-400r/min，球磨时间3～5h，然后在50-200目的筛网中进行筛分；
(6)将步骤(5)得到的物料加入到真空干燥箱中，在60～80℃条件下，干燥4～6h后得到PLA/PBAT/石墨烯材料。
实施例2-6与实施例1基本相同，不同之处在于表1；对比例1-2与实施例1基本相同，不同之处在于表1：
表1：
将实施例1-6及对比例1-2中PLA/PBAT/石墨烯材料粒子料在60～80℃条件下，干燥4～6h，然后使用3D打印机打印成测试样条，在室温充分稳定化后，进行各项性能测试，测试结果如表2所示。
表2
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料，其特征在于：由以下按重量份数计的组分制备而成：
PLA 60-90份
PBAT 10-40份
石墨烯 0.5-3份
增容剂 1-10份
抗氧剂 0.5-1.5份
增韧剂 5-10份
硅烷偶联剂 1-3份。
2.如权利要求1所述的一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料，其特征在于，所述的PLA的重均分子量为5×104-2×105g/mol。
3.如权利要求1所述的一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料，其特征在于，所述的石墨烯的厚度为1-5nm。
4.如权利要求1所述的一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料，其特征在于，所述的增容剂为马来酸酐、过氧化二异丙苯、GMA-乙烯-丙烯酸甲酯的三元共聚物中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料，其特征在于，所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂CA、抗氧剂168、抗氧剂1035、抗氧剂1098中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料，其特征在于，所述的增韧剂为羧基液体丁腈橡胶、聚醋酸乙烯乳液、液体硅橡胶中的一种或几种。
7.如权利要求1所述的一种用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为KH560、KH550、KH570中的一种或几种。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的用于3D打印的PLA/PBAT/石墨烯材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将石墨烯于150-200℃的温度下进行30-60min的氧化处理；
(2)将氧化处理后的石墨烯浸泡在硅烷偶联剂中20-30min；
(3)将PLA和PBAT真空干燥，按照质量份配方，将处理后的石墨烯、PLA、PBAT、增容剂、抗氧剂、增韧剂置于高速分散机中，保持转速800-2000r/min，高速分散20-30min；
(4)将混合均匀后的物料投放进锥形双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的挤出温度为150～220℃，机头180-200℃，双螺杆挤出机转速为150-300r/min；
(5)将步骤(4)得到的粒料冷却后用球磨机粉碎，转速为300-400r/min，球磨时间3～5h，然后在50-200目的筛网中进行筛分；
(6)将步骤(5)得到的物料加入到真空干燥箱中，在60～80℃条件下，干燥4～6h后得到PLA/PBAT/石墨烯材料。
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