CN107304250A - 用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末及其制备方法。所述制备方法通过选择合适的溶剂，尤其是选择在特定的温度和压力下，通过设计合适的升温和降温方式，从而获得形态、性状等特别适合于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末原料。

Description

用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末 及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚合物加工技术领域，进一步地说，涉及一种适用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末及其制备方法。
背景技术
选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)技术是一种快速成型技术，是目前增材制造技术中应用最广泛且最具市场前景的技术，近年来呈现出快速发展的趋势。选择性激光烧结技术是由计算机首先对三维实体进行扫描，然后通过高强度激光照射预先在工作台或零部件上铺上的材料粉末选择性地一层接着一层地熔融烧结，进而实现逐层成型的技术。选择性激光烧结技术具有高度的设计柔性，能够制造出精确的模型和原型，可以成型具有可靠结构的能够直接使用的零部件，并且生产周期短，工艺简单，因此特别适合于新产品的开发。
能够用于选择性激光烧结技术的成型材料种类较为广泛，包括高分子、石蜡、金属、陶瓷以及它们的复合材料。然而，成型材料的性能、性状是选择性激光烧结技术烧结成功的一个重要因素，它还直接影响成型件的成型速度、精度，以及物理、化学性能及其综合性能。尽管适用的成型材料种类繁多，但是目前能够直接应用于选择性激光烧结技术并成功制造出尺寸误差小、表面规整、孔隙率低的模塑品的聚合物粉末原料却鲜少。现有技术中，通常采用粉碎法、如深冷粉碎法来制备选择性激光烧结用的粉末原料，这不仅需要特定设备，制备得到的粉末原料颗粒表面较粗糙、粒径不够均匀、形状不规则，不利于烧结成型体的形成，并影响成型体的性能。目前市场上适用于选择性激光烧结技术的聚合物粉末原料匮乏，因此各种聚合物种类相应的固体粉末原料亟待开发。
聚羟基乙酸(PGA)是一种可生物降解的树脂材料，具有良好的机械性能和生物兼容性，因此开发选择性激光烧结用具有生物相容性的聚羟基乙酸固体粉末，将可满足个性化的生物医用载体材料等应用的需求。然而，目前市场上尚未出现普遍适用的选择性激光烧结用聚羟基乙酸树脂粉末。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末以及其制备方法。所述聚羟基乙酸树脂粉末具有合适的尺寸大小、匀称的颗粒外形，且粒径分布均匀、粉末流动性好，其制备方法易于操作。
本发明一方面提供了一种用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末，所述粉末的颗粒为球形和/或类球形，所述颗粒的粒径大小为25-130μm，粒径分布为：D10＝28-48μm、D50＝50-69μm、D90＝80-130μm。根据本发明提供的具有如上特征的聚羟基乙酸树脂粉末尤其适用于选择性激光烧结来制备各种模塑品。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末的制备方法，包括以下步骤：
a)将聚羟基乙酸树脂溶解于有机溶剂中得到聚羟基乙酸树脂溶液，加热所述聚羟基乙酸树脂溶液；
b)将步骤a)中经加热后的聚羟基乙酸树脂溶液进行降温，使固体沉淀析出；和
c)将沉淀分离并进行干燥；
其中，所述有机溶剂选自C3-C10氧杂环化合物和C1-C10环状或非环状酰胺中的至少一种。
根据本发明，所述氧杂环化合物优选为C3-C8二氧杂环化合物，优选C3-C8的五元至八元二氧杂环化合物，更优选为二氧六环和/或二氧戊环。
根据本发明，所述环状或非环状酰胺优选为C3-C8环状或非环状酰胺，更优选为C3-C6非环状酰胺。所述酰胺的具体例子例如为二甲基甲酰胺、吡咯烷酮和二乙基乙酰胺。
在本发明的特别优选的实施方式中，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺和/或二氧六环。
尽管有机溶剂沉淀技术已经被用于分离和提纯生化物质，尤其是蛋白质，或者用于析出制备晶体，但是，目前仍然鲜少有关于采用有机溶剂沉淀法制备用于选择性激光烧结技术的树脂材料粉末的报道。尤其是尚未有报道用于制备适用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末。本发明人在试验中发现，当选用适当的溶剂时，如以上所述有机溶剂，通过溶剂沉淀法可以获得适用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末。
根据本发明的优选实施方式，以所述聚羟基乙酸树脂为100重量份数计，所述有机溶剂的用量为600-1200重量份数，优选800-1000重量份数。在该溶剂的使用范围内，能够使聚羟基乙酸树脂在加热条件下充分溶解，降温时又能充分析出，并且产生形貌、分散性较好的聚羟基乙酸树脂粉末。
根据本发明的优选实施方式，在步骤a)中，将所述聚羟基乙酸树脂溶液加热至150-200℃，优选160-180℃的加热温度。优选在加热过程中进行搅拌。进一步地，优选将所述聚羟基乙酸树脂溶液在所述加热温度保持30-90分钟，更优选45-75分钟。
优选地，在步骤a)中，所述聚羟基乙酸树脂溶液在惰性气氛、例如氮气气氛下进行加热。
优选地，在步骤a)中，在0.1-0.4MPa、优选0.2-0.3MPa的压力下开始加热所述聚羟基乙酸树脂溶液。
在步骤a)中使用的聚羟基乙酸树脂优选为粉末状或颗粒状，可以自制或商购；其粒径可以为常规粒径，优选平均粒径在2mm以下，更优选在1mm以下。在将所述聚羟基乙酸树脂溶解于有机溶剂之前，可通过常规手段进行粉碎至合适的粒径，如前述范围的粒径。
根据本发明，可以在反应釜、例如高压反应釜中实施所述方法。
优选地，在步骤b)中，所述降温在自生压力条件下进行。即，优选溶液在密闭反应釜中加热和冷却，直至溶液温度降至目标温度。
根据本发明的优选实施方式，在步骤b)中，所述降温的平均降温速率为0.1℃/min-1.2℃/min，例如0.1、0.2、0.5、0.8、1.0℃/min。
根据本发明的优选实施方式，在步骤b)中，将所述聚羟基乙酸树脂溶液降温至降温目标温度，并在降温目标温度保持30-90分钟；优选所述降温目标温度为10-30℃，例如室温。
在本发明提供的方法中，加热后的聚羟基乙酸树脂溶液的降温过程可以匀速降温，也可以阶段性降温。在本发明的一些优选的实施方式中，在步骤b)中，在降温至降温目标温度之前，将所述聚羟基乙酸树脂溶液降温至一个或多个中间温度，并在所述中间温度保持30-90分钟；所述中间温度优选为70-140℃，优选80-130℃，还优选为100-130℃，更优选为110-120℃。尤其是，当仅涉及一个中间温度时，该中间温度范围优选为110-120℃。容易理解，所述中间温度介于步骤a)的加热温度和步骤b)的降温目标温度之间。
根据本发明的一个具体实施方式，在步骤b)中，在降温至降温目标温度之前，将所述聚羟基乙酸树脂溶液降温至第一中间温度，并在所述第一中间温度保持30-90分钟；然后继续降温至第二中间温度，并在所述第二中间温度保持30-90分钟；其中，所述第一中间温度在110-135℃的范围，所述第二中间温度在75-105℃的范围。优选地，所述第二中间温度比第一中间温度低25℃以上。
通过采用本发明上述优选的阶段性降温方式，获得了粒径适中、粒径分布较为均匀，且流动性好的粉末，因而特别适于选择性激光烧结应用。
在步骤c)中，优选通过离心分离出沉淀，并优选通过真空干燥的方式干燥所分离的沉淀，得到用于激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末。
根据本发明提供的上述制备方法，能够制备得到具有上述特征的聚羟基乙酸树脂粉末，即所述粉末的颗粒为球形和/或类球形，颗粒的粒径大小为25-130μm，粒径分布D10＝28-48μm、D50＝50-69μm、D90＝80-130μm。该粉末尤其适用于选择性激光烧结技术，烧结成功率高，得到的烧结产品与预定产品尺寸误差小，断面空洞少。
本发明还提供了一种选择性激光烧结方法，包括利用本发明提供的具有上述特征的聚羟基乙酸树脂粉末或通过本发明提供的方法制备得到的聚羟基乙酸树脂粉末作为原料进行选择性激光烧结操作。
通过本发明提供的该选择性激光烧结方法，能够制备得到具有规则外形、表面匀称光滑、机械性能良好的聚羟基乙酸树脂模塑品。
本发明提供的用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末的制备方法，操作步骤简单、易于操作，通过选择合适的溶剂，在特定的温度和压力下，设计合适的升温和降温方式，从而获得形态、性状等特别适合于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末原料，有望填补该类产品的市场空缺。
此外，本发明的另一个突出的优点是，无需使用其他助剂或添加剂，便能够获得尺寸大小适中、表面圆滑、分散性和流动性好、粒径分布均匀、(表观上)堆密度适宜的聚羟基乙酸树脂粉末，其在用于选择性激光烧结技术时，能制备出尺寸误差小、孔洞少、外形匀称、机械性能好的模塑品。
由此，本发明提供了一种性能良好的适用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末原料及其制备方法，不仅为选择性激光烧结提供了新的合格的烧结原料，也为聚羟基乙酸树脂的加工和应用提供了新的方向。
附图说明
其中，在附图中相同的部件用相同的附图标记；附图并未按照实际的比例绘制。
图1是根据本发明提供的聚羟基乙酸树脂粉末的扫描电子显微镜(SEM)图。
图2是市售的用于选择性激光烧结的聚酰胺粉末的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面将通过具体实施例对本发明做进一步地说明，但应理解，本发明的范围并不限于此。
在以下实施例中，使用扫描电子显微镜(XL‐30，美国FEI公司)表征所获得的聚羟基乙酸树脂粉末和市售的用于选择性激光烧结的聚酰胺粉末的形貌。采用激光粒度仪(Mastersizer 2000，英国Malvern公司)表征所获得的聚羟基乙酸树脂粉末的粒径大小和粒径分布。
实施例1
将100重量份的聚羟基乙酸树脂和1000重量份的二甲基甲酰胺置于高压反应釜中。通入高纯氮气至0.3MPa。随后升温至180℃，在此温度下恒温60分钟。
恒温结束后，经冷却水以1.0℃/min的速率降至120℃，在此温度下恒温60分钟；继续以1.0℃/min的速率降至室温。
将物料离心分离出沉淀，真空干燥沉淀，得到适用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末。
所获得的聚羟基乙酸树脂粉末的形貌如图1所示，粒径大小和粒径分布列于表1中。
实施例2
将100重量份的聚羟基乙酸树脂和800重量份的二甲基甲酰胺置于高压反应釜中。通入高纯氮气至0.2MPa。随后升温至170℃，在此温度下恒温80分钟。
恒温结束后，经冷却水以1.0℃/min的速率降至120℃，在此温度下恒温70分钟；以0.5℃/min的速率降至20℃，并在20℃保持30分钟。
将物料离心分离出沉淀，真空干燥沉淀，得到适用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末。
采用扫描电子显微镜表征所获得的聚羟基乙酸树脂粉末的形貌(结果与实施例1相似，在此SEM图未示出)，粒径大小和粒径分布列于表1中。
实施例3
将100重量份的聚羟基乙酸树脂和1200重量份的二氧六环置于高压反应釜中。通入高纯氮气至0.3MPa。随后升温至180℃，在此温度下恒温90分钟。
恒温结束后，以0.1℃/min的速率降至室温。
将物料离心分离出沉淀，真空干燥沉淀，得到适用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末。
采用扫描电子显微镜表征所获得的聚羟基乙酸树脂粉末的形貌(结果与实施例1相似，在此SEM图未示出)，粒径大小和粒径分布列于表1中。
实施例4
将100重量份的聚羟基乙酸树脂和1200重量份的二氧六环置于高压反应釜中。通入高纯氮气至0.3MPa。随后升温至180℃，在此温度下恒温90分钟。
恒温结束后，经冷却水以0.5℃/min的速率降至130℃，在此温度下恒温60分钟；以0.1℃/min的速率降至室温，在室温中保持30分钟。
将物料离心分离出沉淀，真空干燥沉淀，得到适用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末。
采用扫描电子显微镜表征所获得的聚羟基乙酸树脂粉末的形貌(结果与实施例1相似，在此SEM图未示出)，粒径大小和粒径分布列于表1中。
实施例5
将100重量份的聚羟基乙酸树脂和1000重量份的二氧六环置于高压反应釜中。通入高纯氮气至0.2MPa。随后升温至160℃，在此温度下恒温30分钟。
恒温结束后，经冷却水以0.5℃/min的速率降至30℃，并在30℃保持60分钟。
将物料离心分离出沉淀，真空干燥沉淀，得到适用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末。
采用扫描电子显微镜表征所获得的聚羟基乙酸树脂粉末的形貌(结果与实施例1相似，在此SEM图未示出)，粒径大小和粒径分布列于表1中。
实施例6
将100重量份的聚羟基乙酸树脂和1000重量份的二氧戊环置于高压反应釜中。通入高纯氮气至0.2MPa。随后升温至150℃，在此温度下恒温90分钟。
恒温结束后，经冷却水以1.0℃/min的速率降至110℃，在此温度下恒温60分钟；然后以0.5℃/min的速率降至80℃，在此温度下恒温45分钟；再以0.1℃/min的速率降至室温，在室温中保持30分钟。
将物料离心分离出沉淀，真空干燥沉淀，得到适用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末。
采用扫描电子显微镜表征所获得的聚羟基乙酸树脂粉末的形貌(结果与实施例1相似，在此SEM图未示出)，粒径大小和粒径分布列于表1中。
表1
由图1可见，根据本发明的方法制备得到的聚羟基乙酸树脂粉末的性状为球形和/或类球形、例如马铃薯性状，颗粒的表面较光滑，分散性较好，颗粒的聚集结块少，因此特别适用于选择性激光烧结。从粒度测定结果(表1)来看，根据本发明的方法得到的聚羟基乙酸树脂粉末粒径在25-130μm，分布较均匀。
图2为市售的用于选择性激光烧结的聚酰胺粉末的扫描电子显微镜图。从图2与图1的对比来看，市售的聚酰胺粉末颗粒的形状不如本发明提供的聚羟基乙酸树脂粉末颗粒规则、匀称，并且颗粒的粘连比图1所显示的严重。
由此可见，总体上，对于聚羟基乙酸树脂材料，通过本发明的方法制备用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末，获得了良好的效果，适用作选择性激光烧结的原料。
虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式可适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。

Claims (11)

1.一种用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末的制备方法，包括以下步骤：
a)将聚羟基乙酸树脂溶解于有机溶剂中得到聚羟基乙酸树脂溶液，加热所述聚羟基乙酸树脂溶液；
b)将步骤a)中经加热后的聚羟基乙酸树脂溶液进行降温，使固体沉淀析出；和
c)将沉淀分离并进行干燥；
其中，所述有机溶剂选自C3-C10氧杂环化合物和C1-C10环状或非环状酰胺中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述氧杂环化合物为C3-C8二氧杂环化合物，优选C3-C8的五元至八元二氧杂环化合物，更优选为二氧六环和/或二氧戊环；和/或
所述环状或非环状酰胺为C3-C8环状或非环状酰胺，优选为二甲基甲酰胺；
进一步优选地，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺和/或二氧六环。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，以所述聚羟基乙酸树脂为100重量份数计，所述有机溶剂的用量为600-1200重量份数，优选800-1000重量份数。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤a)中，将所述聚羟基乙酸树脂溶液加热至150-200℃，优选160-180℃的加热温度；优选将所述聚羟基乙酸树脂溶液在所述加热温度保持30-90分钟，优选45-75分钟。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤a)中，在0.1-0.4MPa的压力下开始加热所述聚羟基乙酸树脂溶液，优选所述聚羟基乙酸树脂溶液在惰性气氛下进行加热；和/或
在步骤b)中，所述降温在自生压力条件下进行。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤b)中，所述降温的平均降温速率为0.1℃/min-1.2℃/min。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤b)中，将所述聚羟基乙酸树脂溶液降温至降温目标温度，并在降温目标温度保持30-90分钟；优选所述降温目标温度为10-30℃。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤b)中，在降温至降温目标温度之前，将所述聚羟基乙酸树脂溶液降温至一个或多个中间温度，并在所述中间温度保持30-90分钟；所述中间温度优选为100-130℃，优选为110-120℃。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤b)中，在降温至降温目标温度之前，将所述聚羟基乙酸树脂溶液降温至第一中间温度，并在所述第一中间温度保持30-90分钟；然后继续降温至第二中间温度，并在所述第二中间温度保持30-90分钟；其中，所述第一中间温度在110-135℃的范围，所述第二中间温度在75-105℃的范围。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的制备方法制备得到的用于选择性激光烧结的聚羟基乙酸树脂粉末，所述粉末的颗粒为球形和/或类球形，所述颗粒的粒径大小为25-130μm，粒径分布为：D10＝28-48μm、D50＝50-69μm、D90＝80-130m。
11.一种选择性激光烧结方法，包括利用如权利要求10所述的聚羟基乙酸树脂粉末或通过如权利要求1-9中任一项所述的制备方法制备得到的聚羟基乙酸树脂粉末作为原料进行选择性激光烧结操作。
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