CN107803983B - 用于熔融沉积打印的形状记忆聚合物复合4d打印线的制备方法及应用方法 - Google Patents

用于熔融沉积打印的形状记忆聚合物复合4d打印线的制备方法及应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于熔融沉积打印的形状记忆聚合物复合4D打印线的制备方法及应用方法，包括以下步骤：(1)将80‑100份基体材料或热塑性材料颗粒与5‑20份功能性纳米颗粒在室温下共混，使所述基体材料或热塑性材料粒表面完全覆盖所述纳米功能颗粒，得到混合物A；(2)预热双螺杆挤出机，调节所述双螺杆挤出机的参数，包括喂料速度，挤出温度，螺杆转速，出口温度，牵引速度，收卷速度；(3)将所述混合物A置入所述双螺杆挤出机的喂料口，挤出直径为1.70‑1.80mm的打印线。本发明制备成本低、制备方法简单、大规模可重复性强，适于量产。具有可设计性，可以实现多种形状记忆聚合物复合材料的4D打印线的制备，适用范围宽且广。

Description

用于熔融沉积打印的形状记忆聚合物复合4D打印线的制备方 法及应用方法
技术领域
本发明涉及4D打印领域，具体涉及用于熔融沉积打印的形状记忆聚合物复合4D打印线的制备方法及应用方法。
背景技术
目前，形状记忆聚合物在4D打印领域处于起步阶段。受传统的成型加工工艺的影响，形状记忆聚合物材料通常被加工成板材、片材、膜等简单二维形状，难以实现形状记忆聚合物材料的三维成型。目前现有的4D打印线设备制备出来的打印线，因其性能不稳定，不能量产打印线，而能够制备的性能稳定的复合材料打印线的打印机和打印线仅处于实验室研发阶段，无法量产，其制备方式过程中由于混合不均匀导致所制备的打印线性能不稳定。现有的工艺和解决方案目前还难以满足工业化生产应用的要求。因此，如何低成本、大规模可重复性的制造用于熔融沉积打印的形状记忆聚合物复合4D打印线是当前还未能解决的问题。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供用于熔融沉积打印的形状记忆聚合物复合4D打印线的制备方法，包括以下步骤：将80-95份热塑性材料颗粒与5-20份功能性纳米颗粒在室温下共混，使所述热塑性材料颗粒表面完全覆盖所述纳米功能颗粒，得到混合物A；预热双螺杆挤出机，调节所述双螺杆挤出机的参数，包括机头温度、螺杆转速、出口温度；将所述混合物A置入所述双螺杆挤出机的喂料口，挤出直径为1.75mm的打印线。
较佳的，所述基体材料为聚乳酸、聚丙交醋-乙交酯、聚甲基丙烯酸甲醋、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯中的一种或几种的混合物；所述热塑性材料为聚丁二酸丁二醇酯、聚氨酯弹性体、聚己内酯和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种或几种的混合物；
较佳的，所述功能性纳米颗粒为碳纳米管、炭黑、碳纤维、四氧化三铁、纤维素纳米晶中的一种或几种。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
（1）制备成本低、制备方法简单、大规模可重复性强，适于量产。
（2）具有可设计性，可以实现多种形状记忆聚合物复合材料的4D打印线的制备，适用范围宽且广。
（3）通过选用不同尺寸的4D打印针头，成型精度可从30um-250um可调，同时成型尺寸从微米级到毫米级不等，不仅可实现大尺寸三维结构的制备，同时也可实现微小尺寸三维结构的制备，加工精度高，成型尺寸范围广。
（4）打印过程在室温下即可进行，无特殊环境要求，成本低，适于工艺要求。
附图说明
图1为实施例1制备的形状记忆聚合物复合材料PLA/Fe3O4打印线。
图2为实施例1制备的4D打印形状记忆复合材料螺旋结构的原始形态图。
图3为实施例1制备的4D打印形状记忆复合材料螺旋结构的热驱动形状回复过程。
图4为实施例1制备的4D打印形状记忆复合材料螺旋结构的磁驱动形状回复过程；
图5位实施例1制备的4D打印线形状记忆复合打印线的横截面的扫描电镜图片。
具体实施方式
以下对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种用于熔融沉积打印的形状记忆聚合物复合4D打印线的制备方法，包括以下步骤：
（1）将80份聚乳酸颗粒作为基体材料与20份四氧化三铁纳米颗粒作为功能性纳米颗粒在室温下共混，使聚乳酸颗粒表面完全覆盖所述四氧化三铁颗粒，得到混合物A；
（2）预热双螺杆挤出机，调节所述双螺杆挤出机的参数：喂料频率为3，挤出温度160℃，螺杆转速50 r/pm，出口温度180℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为160℃。
（3）将所述混合物A置入所述双螺杆挤出机的喂料口，挤出直径为1.75mm的打印线。本实施例成功制得了应用于熔融沉积打印机的形状记忆聚合物复合4D打印线，如附图1所示。
将上述制备方法制得的打印线，用于熔融沉积打印时包括以下步骤：
（1）将所述打印线装入熔融沉积打印机，控制三维移动平台在x，y，z轴上的运动方向和运动速度0.1mm/s-10 mm/s，调节打印机头温度为200-220℃，逐层打印，挤出材料在室温下逐渐固化，得到具有形状记忆效应的三维结构物体；如图2所示；
（2）将所述三维结构物体加热至其玻璃化转变温度以上，使所述原始形状变的三维结构物体变为临时形状的三维结构物后降温至室温；
（3）将所述临时形状的三维结构物体放在热激励和磁线圈的外部激励环境中，使其恢复到所述原始形状变的三维结构物，实现4D形状变化过程。如附图3和附图4所示。图5为本实施例制备的4D打印线形状记忆复合打印线的横截面的扫描电镜图片。
本实施例成功制备了应用于熔融沉积打印机的形状记忆聚合物复合4D打印线，同时实现了形状记忆聚合物复合材料的4D打印。所制备的形状记忆复合材料的三维结构玻璃化转变温度在65℃左右。将所得的螺旋环结构加热到65℃以上进行变形，冷却到室温使临时形状固定，再次加热到65℃以上时，经过85秒，临时形态重新恢复为初始结构；此外，4D打印制备的螺旋环结构在交变磁场中，经过25秒，实现了从临时形状到原始形状的回复过程，磁驱动实验使用的电磁频率为32KHz。通过上述制备方法制备的打印线，将其应用到4D打印当中，其打印材料具有可设计性，可以实现多种形状记忆聚合物复合材料的4D打印线的制备，适用范围宽且广。通过选用不同尺寸的4D打印针头，成型精度可从30um-250um可调，同时成型尺寸从微米级到毫米级不等。不仅可实现大尺寸三维结构的制备，同时也可实现微小尺寸三维结构的制备。加工精度高，成型尺寸范围广。整个4D打印过程在室温下即可进行，无特殊环境要求，成本低，适于工艺要求。制备成本低、制备方法简单、大规模可重复性强，适于量产。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为85份聚丙交醋-乙交酯，所述功能性纳米颗粒为10份碳纳米管，所述双螺杆挤出机的机头温度为170℃，所述螺杆转速为100 r/pm，喂料频率为5，所述出口温度为185℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为165℃。所述外部激励环境为电激励。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为90份聚甲基丙烯酸甲醋，所述功能性纳米颗粒为10份炭黑，所述双螺杆挤出机的机头温度为180℃，所述螺杆转速为200r/pm，所述出口温度为182℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为170℃。所述外部激励环境为微波激励。
实施例4
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为95份聚碳酸酯，所述功能性纳米颗粒为5份碳纤维，所述双螺杆挤出机的机头温度为190℃，所述螺杆转速为300r/pm，所述出口温度为183℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为175℃。所述外部激励环境为水激励。
实施例5
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为90份聚丙烯酸酯，所述功能性纳米颗粒为10份四氧化三铁，所述双螺杆挤出机的机头温度为190℃，所述螺杆转速为300r/pm，所述出口温度为183℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为175℃。所述外部激励环境为水激励。
实施例6
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为85份聚丁二酸丁二醇酯，所述功能性纳米颗粒为15份纤维素纳米晶，所述双螺杆挤出机的机头温度为170℃，所述螺杆转速为250r/pm，所述出口温度为184℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为180℃。所述外部激励环境为热激励和电激励。
实施例7
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为80份聚氨酯弹性体，所述功能性纳米颗粒为20份四氧化三铁，所述双螺杆挤出机的机头温度为180℃，所述螺杆转速为350r/pm，所述出口温度为185℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为180℃。所述外部激励环境为热激励和微波激励。
实施例8
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为85份聚己内酯，所述功能性纳米颗粒为15份四氧化三铁，所述双螺杆挤出机的机头温度为170℃，所述螺杆转速为400r/pm，所述出口温度为180℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为160℃。所述外部激励环境为热激励和电激励。
实施例9
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为90份乙烯-醋酸乙烯共聚物，所述功能性纳米颗粒为10份炭黑，所述双螺杆挤出机的机头温度为165℃，所述螺杆转速为500r/pm，所述出口温度为185℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为180℃。所述外部激励环境为微波激励和电激励。
实施例10
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为90份聚乳酸、聚丙交醋-乙交酯任意比例混合物，所述功能性纳米颗粒为10份炭黑和四氧化三铁任意比例混合物，所述双螺杆挤出机的机头温度为165℃，所述螺杆转速为500r/pm，所述出口温度为185℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为180℃。所述外部激励环境为热激励和电激励。
实施例11
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为80份聚甲基丙烯酸甲醋、聚碳酸酯任意比例混合物，所述功能性纳米颗粒为20份碳纤维和四氧化三铁任意比例混合物，所述双螺杆挤出机的机头温度为165℃，所述螺杆转速为500r/pm，所述出口温度为185℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为180℃。所述外部激励环境为热激励和微波激励。
实施例12
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为80份聚己内酯和乙烯-醋酸乙烯共聚物任意比例混合物，所述功能性纳米颗粒为20份碳纳米管和四氧化三铁任意比例混合物，所述双螺杆挤出机的机头温度为165℃，所述螺杆转速为500r/pm，所述出口温度为185℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为180℃。所述外部激励环境为热激励和交变磁场激励。
实施例13
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为80份聚丙烯酸酯、聚丁二酸丁二醇酯任意比例混合物，所述功能性纳米颗粒为20份纤维素纳米晶和四氧化三铁任意比例混合物，所述双螺杆挤出机的机头温度为165℃，所述螺杆转速为400r/pm，所述出口温度为185℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为170℃。所述外部激励环境为热激励和电激励。
实施例14
本实施例与实施例1不同之处在于，所述基体材料为80份聚乳酸、聚氨酯弹性体任意比例混合物，所述功能性纳米颗粒为20份四氧化三铁任意比例混合物，所述双螺杆挤出机的机头温度为165℃，所述螺杆转速为500r/pm，所述出口温度为185℃，所述双螺杆挤出机的温控单元设置为180℃。所述外部激励环境为热激励和交变磁场激励。

Claims (3)

1.用于熔融沉积打印的形状记忆聚合物复合4D打印线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将80-95份热塑性材料颗粒与5-20份功能性纳米颗粒在室温下共混，使所述热塑性材料颗粒表面完全覆盖所述功能性纳米颗粒，得到混合物A；预热双螺杆挤出机，调节所述双螺杆挤出机的参数，包括机头温度、螺杆转速、出口温度；将所述混合物A置入所述双螺杆挤出机的喂料口，挤出直径为1.75mm的打印线。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热塑性材料颗粒为聚乳酸、聚丙交醋-乙交酯、聚甲基丙烯酸甲醋、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯中的一种或几种的混合物；或为聚丁二酸丁二醇酯、聚氨酯弹性体、聚己内酯和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种或几种。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述功能性纳米颗粒为碳纳米管、炭黑、碳纤维、四氧化三铁、纤维素纳米晶中的一种或几种。
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