CN107216517A - 一种超高分子量聚乙烯3d打印耗材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超高分子量聚乙烯3D打印耗材的制备方法。该方法包括：将质量百分数分别为36～52％的UHMWPE、28～50％的PLA、8～13％的PP、1～3％的LCP、1～2.5％的偶联剂、1～2.7％的润滑剂加入到混料机中，充分混合15～75分钟至分散均匀，得到混料；将分散均匀的混料加入到平行同向双螺杆造粒机中混炼、挤出造粒；将流动性良好的粒料放入到烘干机中以60～95℃的温度烘干60～180分钟，使其含水量降至4％以下；将烘干后的粒料加入到长径比为14～44的锥形异向双螺杆挤出机中挤出耗材；将挤出丝材经牵引通过水槽冷却后进入卷线机收卷成成品。本发明制备的超高分子量聚乙烯3D打印耗材具有优良的抗冲击性、耐摩擦性，可用于3D打印制取非标滑块、导轨等抗冲击性及耐摩擦性要求高的零件，降低其生产成本。

Description

一种超高分子量聚乙烯3D打印耗材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型抗冲击性能优良的3D打印耗材制备方法，具体的说，是一种超高分子量聚乙烯(UHMWPE)3D打印耗材的制备方法。
背景技术
与传统材料加工方法不同，增材制造主要基于三维CAD模型数据，通过增加材料、逐层制造的方式，直接制造出与相应数学模型完全一致的三维物理实体，俗称“三维打印”或“3D打印”。3D打印耗材是3D打印工艺中至关重要的一环，其性能决定着打印出的三维物理实体的效果及性能。本发明利用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)卓越的抗摩擦磨损性能和优良的抗冲击性能，提出一种用于3D 打印的超高分子量聚乙烯3D打印耗材的制备方法，该复合材料具有优异的抗冲击性、耐摩擦性，可用于对非标滑块、导轨等抗冲击性及耐摩擦性要求高的零件，大大降低了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型抗冲击性能优良的3D打印耗材制备方法，具体步骤如下：
(1)将质量百分数分别为36～52％的UHMWPE、28～50％的PLA、8～13％的PP、1～3％的LCP、1～2.5％的偶联剂、1～2.7％的润滑剂加入到混料机中，充分混合15～75分钟至分散均匀，得到混料；
(2)将分散均匀的混料加入到平行同向双螺杆造粒机中混炼、挤出造粒；将流动性良好的粒料放入到烘干机中以60～95℃的温度烘干60～180分钟，使其含水量降至4％以下；
(3)将烘干后的粒料加入到长径比为14～44的锥形异向双螺杆挤出机中挤出耗材；将挤出丝材经牵引通过水槽冷却后进入卷线机收卷成成品。
作为优选，步骤(1)中所采用的UHMWPE是平均分子量高于180万的超高分子量聚乙烯，PLA是平均分子量低于10W的聚乳酸，PP是平均分子量低于760的聚丙烯，LCP为甲壳型液晶聚合物。所述的偶联剂为硅烷偶联剂KH-550， KH-560和钛酸酯偶联剂NDZ-201中的一种或多种；所述的润滑剂为聚乙烯蜡、天然石蜡、液体石蜡、微晶石蜡中的一种或多种。
作为优选，步骤(1)中所述的混料工艺，是指将原料按比例加入到双锥式混料机或Z形叶轮混料机中，充分混合15～75分钟至分散均匀，得到混料。
作为优选，步骤(2)中所述的混炼造粒工艺，是指将步骤(1)中的混料加入到平行同向双螺杆造粒机中混炼、挤出造粒，挤出机模口温度范围为170℃～200℃；将所造粒料放入到烘干机中以60～95℃的温度烘干60～180分钟，使其含水量降至4％以下，得到流动性良好的粒料。
作为优选，步骤(3)中所述的挤出工艺，是指将烘干后的粒料加入到长径比为14-44的锥形异向双螺杆挤出机中挤出耗材；其中锥形异向双螺杆挤出机从加料处到挤出口各区的加热温度分别为：一区170℃～190℃、二区185℃～200℃、三区180℃～200℃、四区165℃～175℃。
作为优选，步骤(3)中所述的冷却、收卷工艺，是指将锥形异向双螺杆挤出机挤出的耗材经牵引，通过水槽冷却后进入卷线机收卷成成品。
与普通PLA耗材相比，本发明的有益效果为：
1、本发明所提出的复合材料以UHMWPE为主体，利用了其优异的抗冲击性和耐摩擦性能为3D打印产品增添了新的应用领域，为生产非标滑块、导轨等抗冲击性及耐摩擦性要求高的零件，大大降低了生产成本。
2、本发明的组分中加入PLA降低了UHMWPE自身的粘度，增加了其熔体流动率，使得制品挤出过程以及3D打印过程顺畅进行；组分中加入PP为成核剂与UHMWPE共混不仅改善其流动性，还改善了其抗冲击性；组分中加入 LCP，采用原位复合技术改善了UHMWPE加工的流动性。
3、本发明采用锥形异向双螺杆挤出机，避免了挤出过程中UHMWPE熔体被异向运转的螺杆分割成小的熔体块导致挤出速度变慢的问题，大大提高了挤出效率。
附图说明
图1为新型超高分子量聚乙烯3D打印耗材的断面SEM图；
图2为新型超高分子量聚乙烯3D打印耗材实施例与普通纯PLA耗材对比例的抗拉强度对比图；
图3为新型超高分子量聚乙烯3D打印耗材实施例与普通纯PLA耗材对比例的缺口冲击强度对比图。
具体实施方式
以下通过实施例进一步对本发明进行描述。
本发明提供一种用于3D打印的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基耗材的制备方法,具体包括如下步骤：
(1)将质量百分数分别为36～52％的UHMWPE、28～50％的PLA、8～13％的PP、1～3％的LCP、1～2.5％的偶联剂、1～2.7％的润滑剂加入到混料机中，充分混合15～75分钟至分散均匀，得到混料；
其中，UHMWPE是平均分子量高于180万的超高分子量聚乙烯，PLA是平均分子量低于10W的聚乳酸，PP是平均分子量低于760的聚丙烯，LCP为甲壳型液晶聚合物。所述的偶联剂为硅烷偶联剂KH-550，KH-560和钛酸酯偶联剂 NDZ-201中的一种或多种；所述的润滑剂为聚乙烯蜡、天然石蜡、液体石蜡、微晶石蜡中的一种或多种。混料工艺是指将原料按比例加入到双锥式混料机或Z 形叶轮混料机中，充分混合15～75分钟至分散均匀，得到混料。
(2)将上述分散均匀的混料加入到平行同向双螺杆造粒机中混炼、挤出造粒；将流动性良好的粒料放入到烘干机中以60～95℃的温度烘干60～180分钟，使其含水量降至4％以下；
其中混炼、造粒工艺是指将步骤(1)中的混料加入到平行同向双螺杆造粒机中混炼、挤出造粒，挤出机模口温度范围为170℃～200℃；将所造粒料放入到烘干机中以60～95℃的温度烘干60～180分钟，使其含水量降至4％以下，得到流动性良好的粒料。
(3)将烘干后的粒料加入到长径比为14～44的锥形异向双螺杆挤出机中挤出耗材；将挤出丝材经牵引通过水槽冷却后进入卷线机收卷成成品。
其中，挤出工艺是指将烘干后的粒料加入到长径比为14～44的锥形异向双螺杆挤出机中挤出耗材；其中锥形异向双螺杆挤出机从加料处到挤出口各区的加热温度分别为：一区170℃～190℃、二区185℃～200℃、三区180℃～200℃、四区165℃～175℃。
冷却、收卷工艺是指将锥形异向双螺杆挤出机挤出的耗材经牵引，通过水槽冷却后进入卷线机收卷成成品。
下面通过实施例1～6对本发明的工艺和效果进行具体说明。工艺步骤如前所述，各实施例中的具体数据见下表：
注：表格中无数值处表示没有该组分。
实施例1～6均能够制备本发明的超高分子量聚乙烯3D打印耗材。下面以实施例3为例，对材料的使用性能进行阐述。
未经改性的PLA丝材在打印过程中，喷头处会因熔体强度下降产生漏料现象，粘在成型件上形成毛边，影响打印制件的表面质量。本发明在组分中加入 PLA降低了UHMWPE自身的粘度，增加了其熔体流动率，使得制品挤出过程以及3D打印过程顺畅进行；组分中加入PP为成核剂与UHMWPE共混不仅改善其流动性，还改善了其抗冲击性；组分中加入LCP，采用原位复合技术改善了 UHMWPE加工的流动性，使得打印制件的质量较好。
本发明采用锥形异向双螺杆挤出机挤出丝材，避免了挤出过程中UHMWPE 熔体被异向运转的螺杆分割成小的熔体块导致挤出速度变慢的问题，大大提高了挤出效率。所制备丝材断面的SEM图如图1所示。
本发明所提出的复合材料以UHMWPE为主体，利用了其优异的抗冲击性和耐摩擦性能制备了力学性能优良的3D丝材。利用电子万能试验机、悬臂梁冲击试验机对本发明提供的超高分子量聚乙烯3D打印耗材进行力学性能测试，上述实施例与普通PLA耗材对比例的拉伸强度值如图2所示，缺口冲击强度如图 3所示。可以看出，本发明相比于普通PLA耗材，在拉伸强度上提高了3.2％～9.7％，在缺口冲击强度上提高了70.3％～163.9％，力学性能优良，可用于3D打印制备非标滑块、导轨等抗冲击性及耐摩擦性要求高的零件。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种超高分子量聚乙烯3D打印耗材的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）将质量百分数分别为36~52%的UHMWPE、28~50%的PLA、8~13%的PP、1~3%的LCP、1~2.5%的偶联剂、1~2.7%的润滑剂加入到混料机中，充分混合15~75分钟至分散均匀，得到混料；
（2）将分散均匀的混料加入到平行同向双螺杆造粒机中混炼、挤出造粒；将流动性良好的粒料放入到烘干机中以60~95℃的温度烘干60~180分钟，使其含水量降至4%以下；
（3）将烘干后的粒料加入到长径比为14~44的锥形异向双螺杆挤出机中挤出耗材；将挤出丝材经牵引通过水槽冷却后进入卷线机收卷成成品。
2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯3D打印耗材的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的UHMWPE是平均分子量高于180万的超高分子量聚乙烯，PLA是平均分子量低于10W的聚乳酸，PP是平均分子量低于760的聚丙烯，LCP为甲壳型液晶聚合物；所述的偶联剂为硅烷偶联剂KH-550、KH-560和钛酸酯偶联剂NDZ-201中的一种或多种；所述的润滑剂为聚乙烯蜡、天然石蜡、液体石蜡、微晶石蜡中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯3D打印耗材的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的混料工艺，是指将原料按比例加入到双锥式混料机或Z形叶轮混料机中，充分混合15~75分钟至分散均匀，得到混料。
4.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯3D打印耗材的制备方法，其特征在于：步骤（2）中的混炼造粒工艺，是指将步骤（1）中的混料加入到平行同向双螺杆造粒机中混炼、挤出造粒，挤出机模口温度范围为170℃~200℃；将所造粒料放入到烘干机中以60~95℃的温度烘干60~180分钟，使其含水量降至4%以下，得到流动性良好的粒料。
5.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯3D打印耗材的制备方法，其特征在于：步骤（3）中挤出工艺，是指将烘干后的粒料加入到长径比为14-44的锥形异向双螺杆挤出机中挤出耗材；其中锥形异向双螺杆挤出机从加料处到挤出口各区的加热温度分别为：一区170℃~190℃、二区185℃~200℃、三区180℃~200℃、四区165℃~175℃。
6.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯3D打印耗材的制备方法，其特征在于：步骤（3）中冷却、收卷工艺，是指将锥形异向双螺杆挤出机挤出的耗材经牵引，通过水槽冷却后进入卷线机收卷成成品。
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