CN107418130A - 一种3d打印用的具有抗菌性功能的abs材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种3D打印用的具有抗菌性功能的ABS材料及其制备方法，涉及3D打印领域。包含了以纳米银为主体的抗菌剂，有以下质量分数的组分组成：ABS树脂100份；无机填料1～10份；抗菌剂0.1～5份；抗氧剂0.5～1份；润滑剂0.2～1份。本发明既保持了ABS材料良好的快速成型性能，又提高了产品的力学性能，且使其具备了优越的抗菌性能，拓宽了3D打印ABS材料在医疗、卫生、家居等行业的应用领域。

Description

一种3D打印用的具有抗菌性功能的ABS材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印领域，特别是涉及一种3D打印用的具有抗菌性功能的ABS材料及其制备方法
背景技术
3D打印,即传统意义上的增材制造技术，是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。3D打印技术极大地降低产品研发创新成本，缩短创新研发周期；简化制作提高产品质量与性能；能制造出传统工艺无法加工的零部件，极大增强了工艺实现能力；提高了难加工材料可加工性，拓展了工程领域；推进绿色制造模式；变革传统制造模式，形成新型制造体系。
熔融沉积成型是一种将热塑性线材加热熔融后沉积在指定位置的成型方法，此种方法使用的设备成本较低，其中ABS塑料是此类方法最常用的线材原料之一。但是，ABS塑料自身不具备抗菌能力，从而限制了3D打印用ABS线材在医疗、卫生、家居等领域的应用前景。抗菌材料是一类新型功能材料，具有抑菌和杀菌性能。在通用材料中添加一种或几种特定的抗菌剂，复合后可获得抗菌功能材料。抗菌材料技术的应用使普通材料升级为抗菌材料。抗菌材料中的抗菌剂成分具有接触杀菌或抑制材料表面的微生物繁殖的功能，用这些抗菌材料制成的各种制品可减少细菌交叉感染的机会，从而达到长期卫生、安全的目的。采用抗菌加工技术是为了避免制品在运输、储存、销售、使用等环节中，因受到二次污染，继而造成的对使用者健康的危害。抗菌制品的应用提供了一种防止微生物危害的“一劳永逸”的解决方案。
中国专利公开号CN106046657A公开了一种3D打印机用改性ABS材料。该改性ABS材料制备工艺方法简单，所制备的产品具有较为优越的阻燃、耐酸碱、防霉变抗菌性能，改善了产品性能。但是该方法所需添加抗菌剂品种繁多，且抗菌效果存在不足，霉菌存活率仍有6％～10％。
中国专利公开号CN105994221A公开了一种杀虫抑菌微孔型3D打印产品及其制备方法与应用。该发明提供的杀虫抑菌微孔型3D打印产品，一方面大幅增强了产品的网络结构，有效提升了产品的韧性，可降解率高；另一方面通过热引发剂、膨润土和核桃壳超微粉、牡蛎壳粉的协同作用，使得产品本身具有一定微孔结构。但是该材料抗菌剂使用量大，缺乏高效实用性。
目前在3D打印行业，传统的可打印材料虽然种类丰富，但是都存在功能性不足的问题，限制了3D打印材料的应用和发展。为了拓宽3D打印材料的应用领域以及弥补上述其他专利的不足，本发明希望提供了一种制备工艺简单，且有优越的抗菌性能的改性ABS材料。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提出了一种3D打印用的具有抗菌性功能的ABS材料及其制备方法，既能保持了ABS材料良好的快速成型性能，又具备了优越的抗菌性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种应用于3D打印的具有抗菌性功能的ABS材料，由如下重量份的组份组成：
ABS树脂100份；
抗菌剂0.5～2份；
无机粉体1～10份；
抗氧剂0.5～1份；
润滑剂0.2～1份；
上述ABS树脂为丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚物，其中重量百分比组成：丙烯腈占15％～35％，丁二烯占5％～30％，苯乙烯占40％～60％。
上述抗菌剂为纳米银粉，其颜色为灰色，粒径在50～80nm。
上述无机粉体为碳酸钙、二氧化硅、玻璃微珠、滑石粉、高岭土、云母中的一种或几种复合物。
上述抗氧剂由主抗氧剂和辅助抗氧剂组成，其中主抗氧剂为抗氧剂1010(四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)，辅助抗氧剂为抗氧剂168(亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯)，其混合比例按质量比3：1混合。
上述润滑剂为硬脂酸镁、亚乙基双硬脂酰胺、高熔点蜡、聚乙烯蜡中的至少一种。
上述的具有抗菌性能的3D打印材料的制备方法，其实施过程如下：
⑴将ABS树脂在80℃下干燥2小时以上，其他组分在40～80℃下同样干燥2小时以上；
⑵将干燥的20份ABS树脂与按比例称量的抗菌剂放入高速混合机中，在10～30℃下搅拌5～15min；
⑶将经步骤⑵混合后得到的物料加入双螺杆挤出机的料斗中，双螺杆挤出机的温度设置为：一区：180～200℃；二区：190～210℃；三区：200～220℃；四区：210～230℃；五区：200～220℃；六区：190～210℃；机头温度：180～200℃；螺杆转速控制在100～200r/min；熔融共混挤出后经切粒、水冷、风干得到高浓度的ABS抗菌母粒；
⑷按比例先将干燥好的剩余的ABS树脂、润滑剂和步骤⑶得到的高浓度的ABS抗菌母粒放入高速混合机中，在60～85℃下搅拌3～5min，然后按比例再加入干燥的所述无机粉体、抗氧剂，在60～85℃下搅拌5～15min；
⑸将经步骤⑷混合后得到的物料加入双螺杆挤出机的料斗中，双螺杆挤出机的温度设置为：一区：180～200℃；二区：190～210℃；三区：200～220℃；四区：210～230℃；五区：200～220℃；六区：190～210℃；机头温度：180～200℃；螺杆转速控制在100～200r/min；熔融共混挤出后经牵引、水冷、风干、缠绕得到所述具有抗菌性能的3D打印材料。
上述的具有抗菌性能的3D打印材料的制备方法还包括使用卷丝机将所述步骤⑸得到的具有抗菌性能的3D打印材料从双螺杆机头牵引缠绕的步骤，所述拉线牵引机的自动牵引速度设置为100～300r/min，从而得到直径规整的线材(如线材的直径为1.75mm或3.00mm)。
上述的具有抗菌性能的3D打印材料的制备方法还包括在3D打印机工作过程中，其参数设置为喷头温度220～240℃，层高0.1～0.2mm，挤出速度30～120mm/s，移动速度50～150mm/s，填充率10％～100％。
本发明的有益效果是：本发明所制备的抗菌ABS材料其制备工艺简单，所制得的产品具有优越的抗菌性能，在材料的制备和应用时，在加热情况下，抗菌剂的性能保持完好，改善了产品的性能，拓宽了材料的应用领域。
附图说明
图1为本发明不同种类的具有抗菌性能的3D打印材料；
图2为本发明3D打印材料在3D打印机中的工作案例；
图3为本发明抗菌实验的实施案例图片。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地解释和说明，但本发明的实施方式不限于此。
在实施例中，ABS树脂选用奇美公司的PA757；抗菌剂选用纳米银粉，其平均粒径为50nm；无机粉体选用纳米二氧化硅，购自上海缘钛化工产品有限公司，其平均粒径为100nm；抗氧剂1010(四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)和抗氧剂168(亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯)均为巴斯夫(BASF)公司生产；润滑剂选用亚乙基双硬脂酰胺，购自上海金锦乐化学有限公司。
实施例1
本实施例中的具有抗菌性功能的ABS材料，由以下质量份数的组分组成：ABS树脂为100份；纳米银粉为1份；纳米二氧化硅为5份；抗氧剂1010(四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)为0.6份；抗氧剂168(亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯)为0.2份；亚乙基双硬脂酰胺为0.5份；
该抗菌ABS材料的制备方法如下：
⑴将ABS树脂在80℃下干燥2小时，其他组分在80℃下同样干燥2小时；
⑵将干燥的20份ABS树脂与1份纳米银粉放入高速混合机中，在25℃下搅拌10min；
⑶将经步骤⑵混合后得到的物料加入双螺杆挤出机的料斗中，双螺杆挤出机的温度设置为：一区：180℃；二区：195℃；三区：210℃；四区：230℃；五区：215℃；六区：200℃；机头温度：195℃；螺杆转速控制在120r/min；熔融共混挤出后经切粒、水冷、风干得到高浓度的ABS抗菌母粒；
⑷将干燥好的剩余80份ABS树脂、0.5份亚乙基双硬脂酰胺和步骤⑶得到的高浓度的ABS抗菌母粒放入高速混合机中，在80℃下搅拌5min，然后再加入干燥的5份纳米二氧化硅、0.6份抗氧剂1010，0.2份抗氧剂168，在80℃下搅拌10min；
⑸将经步骤⑷混合后得到的物料加入双螺杆挤出机的料斗中，双螺杆挤出机的温度设置为：一区：180℃；二区：195℃；三区：210℃；四区：230℃；五区：215℃；六区：200℃；机头温度：195℃；螺杆转速控制在120r/min；
经步骤⑸熔融共混挤出的材料通过牵引、水冷、风干、再由卷丝机缠绕得到所述具有抗菌性能的ABS材料，卷丝机的牵引速度设置为180r/min，，从而得到直径为1.75mm的规整线材。
将直径为1.75mm的规整线材送入3D打印机中，打印过程中参数设置为喷头温度230℃，层高0.2mm，挤出速度90mm/s，移动速度150mm/s，填充率15％。
实施例2
本实施例中的具有抗菌性功能的ABS材料，由以下质量份数的组分组成：ABS树脂为100份；纳米银粉为2份；纳米二氧化硅为5份；抗氧剂1010(四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)为0.6份；抗氧剂168(亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯)为0.2份；亚乙基双硬脂酰胺为0.5份；
该抗菌ABS材料的制备方法如下：
⑴将ABS树脂在80℃下干燥2小时，其他组分在80℃下同样干燥2小时；
⑵将干燥的20份ABS树脂与2份纳米银粉放入高速混合机中，在25℃下搅拌10min；
⑶将经步骤⑵混合后得到的物料加入双螺杆挤出机的料斗中，双螺杆挤出机的温度设置为：一区：180℃；二区：195℃；三区：210℃；四区：230℃；五区：215℃；六区：200℃；机头温度：195℃；螺杆转速控制在120r/min；熔融共混挤出后经切粒、水冷、风干得到高浓度的ABS抗菌母粒；
⑷将干燥好的剩余80份ABS树脂、0.5份亚乙基双硬脂酰胺和步骤⑶得到的高浓度的ABS抗菌母粒放入高速混合机中，在80℃下搅拌5min，然后再加入干燥的5份纳米二氧化硅、0.6份抗氧剂1010，0.2份抗氧剂168，在80℃下搅拌10min；
⑸将经步骤⑷混合后得到的物料加入双螺杆挤出机的料斗中，双螺杆挤出机的温度设置为：一区：180℃；二区：195℃；三区：210℃；四区：230℃；五区：215℃；六区：200℃；机头温度：195℃；螺杆转速控制在120r/min；
经步骤⑸熔融共混挤出的材料通过牵引、水冷、风干、再由卷丝机缠绕得到所述具有抗菌性能的ABS材料，卷丝机的牵引速度设置为150r/min，从而得到直径为1.75mm的规整线材。
将直径为1.75mm的规整线材送入3D打印机中，打印过程中参数设置为喷头温度230℃，层高0.2mm，挤出速度90mm/s，移动速度150mm/s，填充率15％。
对比例
本对比例中的ABS材料，由以下质量份数的组分组成：ABS树脂为100份；纳米二氧化硅为5份；抗氧剂1010(四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)为0.6份；抗氧剂168(亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯)为0.2份；亚乙基双硬脂酰胺为0.5份；
该ABS材料的制备方法如下：
⑴将ABS树脂在80℃下干燥2小时，其他组分在80℃下同样干燥2小时；
⑵将干燥好的100份ABS树脂和0.5份亚乙基双硬脂酰胺放入高速混合机中，在80℃下搅拌5min，然后再加入干燥的5份纳米二氧化硅、0.6份抗氧剂1010，0.2份抗氧剂168，在80℃下搅拌10min；
⑶将经步骤⑵混合后得到的物料加入双螺杆挤出机的料斗中，双螺杆挤出机的温度设置为：一区：180℃；二区：195℃；三区：210℃；四区：230℃；五区：215℃；六区：200℃；机头温度：195℃；螺杆转速控制在120r/min；
经步骤⑶熔融共混挤出的材料通过牵引、水冷、风干、再由卷丝机缠绕得到所述具有抗菌性能的ABS材料，卷丝机的牵引速度设置为140r/min，从而得到直径为1.75mm的规整线材。
将直径为1.75mm的规整线材送入3D打印机中，打印过程中参数设置为喷头温度230℃，层高0.2mm，挤出速度90mm/s，移动速度150mm/s，填充率15％。
对实施例1、实施例2和对比例中的产品进行抗菌性能测试，所测的情况见图3所示。抗菌性能采用QB/T 2591-2003A进行测试，结果显示实施例1的抑菌率>95％，实施例2的抑菌率>99％。
以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。参照本发明的描述，所做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同的行为，对于本领域的技术人员都是可以预料的，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有抗菌性能的3D打印材料，其特征在于，包括如下质量份数：
ABS树脂100份；
抗菌剂0.1～5份；
无机粉体1～10份；
抗氧剂0.5～1份；
润滑剂0.2～1份。
2.根据权利要求1所述的具有抗菌性能的3D打印材料，其特征在于，所述ABS树脂为丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚物，其中重量百分比组成：丙烯腈占15％～35％，丁二烯占5％～30％，苯乙烯占40％～60％。
3.根据权利要求1所述的具有抗菌性能的3D打印材料，其特征在于，所述抗菌剂为纳米银粉，粒径在50～80nm。
4.根据权利要求1所述的具有抗菌性能的3D打印材料，其特征在于，所述无机粉体为碳酸钙、二氧化硅、玻璃微珠、滑石粉、高岭土、云母中的一种或几种复合物。
5.根据权利要求1所述的具有抗菌性能的3D打印材料，其特征在于，所述抗氧剂由主抗氧剂和辅助抗氧剂组成，其中主抗氧剂为抗氧剂1010(四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)，辅助抗氧剂为抗氧剂168(亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯)，其混合比例按质量比3：1混合。
6.根据权利要求1所述的具有抗菌性能的3D打印材料，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸镁、亚乙基双硬脂酰胺、高熔点蜡、聚乙烯蜡中的至少一种。
7.一种权利要求1-6任一所述的具有抗菌性能的3D打印材料的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
⑴将ABS树脂在80℃下干燥2小时以上，其他组分在40～80℃下同样干燥2小时以上；
⑵将干燥的20份ABS树脂与按比例称量的抗菌剂放入高速混合机中，在10～30℃下搅拌5～15min；
⑶将经步骤(2)混合后得到的物料加入双螺杆挤出机的料斗中，双螺杆挤出机的温度设置为：一区：180～200℃；二区：190～210℃；三区：200～220℃；四区：210～230℃；五区：200～220℃；六区：190～210℃；机头温度：180～200℃；螺杆转速控制在100～200r/min；熔融共混挤出后经切粒、水冷、风干得到高浓度的ABS抗菌母粒；
⑷按比例先将干燥好的剩余的ABS树脂、润滑剂和步骤⑶得到的高浓度的ABS抗菌母粒放入高速混合机中，在60～85℃下搅拌3～5min，然后按比例再加入干燥的所述无机粉体、抗氧剂，在60～85℃下搅拌5～15min；
⑸将经步骤(4)混合后得到的物料加入双螺杆挤出机的料斗中，双螺杆挤出机的温度设置为：一区：180～200℃；二区：190～210℃；三区：200～220℃；四区：210～230℃；五区：200～220℃；六区：190～210℃；机头温度：180～200℃；螺杆转速控制在100～200r/min；熔融共混挤出后经牵引、水冷、风干、缠绕得到所述具有抗菌性能的3D打印材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：还包括使用卷丝机将所述步骤⑸得到的具有抗菌性能的3D打印材料从双螺杆机头牵引缠绕的步骤，所述拉线牵引机的自动牵引速度设置为100～300r/min，从而得到直径规整的线材。
9.权利要求1-6任一所述的具有抗菌性能的3D打印材料的使用方法，其特征在于：在3D打印机工作过程中，其参数设置为喷头温度220～240℃，层高0.1～0.2mm，挤出速度30～120mm/s，移动速度50～150mm/s，填充率10％～100％。
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