CN108047730A - 一种用于益智教育的3d打印线材及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D打印材料技术领域，公开了一种用于益智教育的3D打印线材及其制备方法与应用。本发明线材包括以下组分：石油蜡、增韧剂、PE蜡、矿物粉料分别为15～30质量份、10～25、PE蜡0～5质量份、0～5质量份或分别为20～40质量份、5～15质量份、5～10质量份、5～10质量份；紫外线吸收剂0～10wt‰；抗氧剂0～10wt‰；脱模剂0～10wt‰；色母/色膏/色粉0～10wt％；香精0～10wt‰。本发明用于益智教育的3D打印线材熔点低、弹性好、造价低廉、固化活性好，对设备要求也大大降低，能大大促进3D打印在儿童、青少年益智开发教育行业的发展，可广泛应用于3D打印中。

Description

一种用于益智教育的3D打印线材及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于特种蜡及3D打印材料技术领域，特别涉及一种用于益智教育的3D打印线材及其制备方法与应用。
背景技术
3D打印(3D printing)技术是快速成形技术的一种，其以数字模型文件为基础，运用专用3D打印材料，通过逐层堆叠累积(即“积层造形法”)的方式来构造物体。首先通过电脑软件创造三维立体模型，或者通过3D扫描仪扫描处理获取，然后将得到的STL或CAD文件的模型数字化的传给打印机，打印机对三维模型进行一些列的数字切片，进行分层，3D打印机获得切片信息后将连续的薄形层面堆叠并逐层打印，最终成型。与传统打印机相比3D打印机的材料种类较多，主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖、巧克力等食品材料也在3D打印领域得到了应用。
随着时代与社会的发展，人们对儿童、青少年的智力开发教育越来越重视，儿童、青少年3D科普、3D科技+家庭体验也越来越普遍。孩子们在纸上画出形状图形以及平时的创意都可以通过3D打印技术就能制作出实物，孩子平时喜欢的动漫、喜欢的玩具也可以用3D打印出来，让学生的所有想法释放出来，3D打印将孩子好的想法和灵感打印出来，把想法变成实实在在的事物，不断锻炼孩子的思维、激发孩子的灵感。同时在打印的过程中可能会遇到一些常见小问题，如断料、打印头堵塞、平台不平等，问题出现时让孩子解决问题的过是锻炼孩子的一个过程，遇到问题、解决问题都是在锻炼孩子的动手能力及解决能力，这正是大人们常常忽略的创新思维的培养。
3D艺术包括很多的科学知识。创意美术有助于培养孩子自主创造兴趣，将动手、动脑结合，全面开发孩子智力；数字艺术有助于培养孩子的空间结构感和逻辑思维，为数学和计算机做基础；此外，通过与他人协同创作，能激发孩子的学习积极性，案例分析对孩子起到的示范作用，同样可以增进孩子的创新能力、信心和承压能力。
然而3D打印材料的昂贵、品种少以及性能需要不断提高是抑制3D打印发展的主要因素。我国是世界上生产和出口石油蜡最多的国家，年产量约占世界总产量的37％，出口量达到世界总量的47％，但是我国特种蜡研制、开发及应用起步晚，每年都需要大量进口或者被国外驻华特种蜡企业占领重要市场，国外以国内石蜡为原料完成二次加工后以高价返销中国。线材类3D打印材料常用是以ABS、PC、PA、PUS等工程塑料为主体，同时在加工过程中为了方便生产企业往往会加入部分塑化剂，其对孩子健康等存在安全隐患，以此类打印材料为3D打印材料应用于益智教育是不理想的，另外工程塑料制作3D打印线材硬度高，制作的3D模型薄片锋利部分容易划伤孩子等。
以特种蜡为基础制备一种廉价、易得的专门应用于3D打印-益智开发的专用蜡线材料，对于促进3D打印在孩子益智开发及促进特种蜡发展，均具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种用于益智教育的3D打印线材。本发明的3D打印线材环保、性能好、廉价易得，可应用于孩子的益智开发教育中。
本发明另一目的在于提供一种上述用于益智教育的3D打印线材的制备方法。
本发明再一目的在于提供上述用于益智教育的3D打印线材在3D打印中的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种用于益智教育的3D打印线材，包括以下组分：
石油蜡15～30质量份；增韧剂10～25质量份；PE蜡0～5质量份；矿物粉料0～5质量份；紫外线吸收剂0～10wt‰；抗氧剂0～10wt‰；脱模剂0～10wt‰；色母/色膏/色粉0～10wt％；香精0～10wt‰；
或包括以下组分：
石油蜡20～40质量份；增韧剂5～15质量份；PE蜡5～10质量份；矿物粉料5～10质量份；紫外线吸收剂0～10wt‰；抗氧剂0～10wt‰；脱模剂0～10wt‰；色母/色膏/色粉0～10wt％；香精0～10wt‰。
所述的石油蜡可为70#微晶蜡、80#微晶蜡、85#微晶蜡、682#微晶蜡、54#全精炼石蜡、58#全精炼石蜡、62#全精炼石蜡、62#半精炼石蜡、64#全精炼石蜡、64#半精炼石蜡、66#全精炼石蜡、66#半精炼石蜡中的一种或一种以上。
所述的增韧剂可为低分子聚丙烯、EVA树脂、聚异丁烯、乙烯-丙烯共聚物、聚苯乙烯-丁二烯热塑性弹性体、APAO、三元乙丙橡胶、乙烯-辛烯嵌段共聚物、AFFINITY聚烯烃塑性树脂中的一种或一种以上。
所述的矿物粉料可为硅微粉、碳酸钙、纳米Al2O3、滑石粉、高岭土、埃洛石、膨润土、富岭土、凹凸棒石中的一种或一种以上。本发明中矿物材料起到填料作用，同时可以增韧增强作用。
所述的脱模剂优选为硬脂酸锌，有利于材料在线材螺杆挤出机中脱模剂。
所述的紫外线吸收剂为本领域常规使用的紫外线吸收剂即可，如可为紫外线吸收剂uv531、紫外线吸收剂uv-9、紫外线吸收剂770等中的一种或一种以上。
所述的抗氧剂为本领域常规使用的抗氧剂即可，如可为抗氧剂1010、抗氧剂264、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂300等中的一种或一种以上。
本发明还提供一种上述用于益智教育的3D打印线材的制备方法，包括以下步骤：将石油蜡、PE蜡加入到密炼机中，密炼温度为85～100℃，密炼5～15min，再加入增韧剂、矿物粉料、紫外线吸收剂、抗氧剂、脱模剂、色母/色膏/色粉、香精，继续密炼20～40min，搅拌、排气，得到混合物；注入到线材螺杆挤出机中，挤出成线状，收卷，得到用于益智教育的3D打印线材。
所述螺杆挤出机的工艺条件为：螺杆1段温度控制为50～70℃；螺杆2段温度控制为55～75℃；螺杆3段控制温度为55～65℃；螺杆4段控制温度为60～85℃；螺杆5段控制温度为60～85℃；螺杆6段控制温度为60～85℃；螺杆7段控制温度为60～85℃；螺杆8段控制温度为60～85℃；螺杆9段控制温度为60～85℃；模头温度为55～80℃；主机转速为7.5～13rpm；喂料转速为5.0～8.0rpm。
本发明得到的用于益智教育的3D打印线材熔点低、弹性好、造价低廉、固化活性好，能大大促进3D打印在儿童、青少年益智开发教育行业的发展，同时带来较大经济效益。材料熔点低对设备要求也大大降低，进而降低打印设备的制造成本、降低其市场价格，可进一步普及3D打印。且本发明材料的制备工艺简单、效率高，适合批量生产市场化，可广泛应用于3D打印中。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
石油蜡品种多廉价易得，原料充足，但是石油蜡抗张强度低、结构易碎，不能单独用作3D打印的蜡材，目前也没用关于将其作为3D打印材料的原料的报道，本发明将石油蜡作为3D打印线材的蜡质原料是首创，矿物粉料可以作为填料降低成本，同时在一定程度上起到增韧增强及内滑剂作用，本发明将矿物粉料应用于3D打印蜡线材料是首创。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
下列实施例中涉及的物料均可从商业渠道获得。
实施例1：
一种用于益智教育的3D打印线材，包括以下质量计组分：25份682#微晶蜡，15份EVA，0.5份APAO，1‰紫外线吸收剂uv-9，1‰抗氧剂1010，2‰脱模剂硬脂酸锌。
将682#微晶蜡加入到密炼机中85℃密炼15min，再加入EVA、APAO、紫外线吸收剂、抗氧剂、脱模剂，继续密炼30min，搅拌、排气，得到混合物；注入到线材螺杆挤出机中，挤出成线状，收卷，得到用于益智教育的3D打印线材。
所述螺杆挤出机的工艺条件为：螺杆1段温度控制为58℃；螺杆2段温度控制为65℃；螺杆3段控制温度为70℃；螺杆4段控制温度为70℃；螺杆5段控制温度为70℃；螺杆6段控制温度为70℃；螺杆7段控制温度为70℃；螺杆8段控制温度为70℃；螺杆9段控制温度为68℃；模头温度为65℃；主机转速为9.8rpm；喂料转速为5.6rpm。
实施例2：
一种用于益智教育的3D打印线材，包括以下质量计组分：28份682#微晶蜡，2份58#全精炼石蜡，15份EVA，5.5份APAO，4份硅微粉，1.5‰紫外线吸收剂uv-9，1‰抗氧剂1010，1.5‰脱模剂硬脂酸锌。
将682#微晶蜡、58#全精炼石蜡加入到密炼机中87℃密炼14min，再加入EVA、APAO、紫外线吸收剂、硅微粉、抗氧剂、脱模剂，继续密炼35min，搅拌、排气，得到混合物；注入到线材螺杆挤出机中，挤出成线状，收卷，得到用于益智教育的3D打印线材。
所述螺杆挤出机的工艺条件为：螺杆1段温度控制为58℃；螺杆2段温度控制为65℃；螺杆3段控制温度为71℃；螺杆4段控制温度为72℃；螺杆5段控制温度为72℃；螺杆6段控制温度为72℃；螺杆7段控制温度为72℃；螺杆8段控制温度为70℃；螺杆9段控制温度为68℃；模头温度为65℃；主机转速为11.4rpm；喂料转速为6.8rpm。
实施例3：
一种用于益智教育的3D打印线材，包括以下质量份组分：30份58#全精炼石蜡，15份EVA，5份APAO，1.5‰紫外线吸收剂uv-9，1‰抗氧剂1010，2‰脱模剂硬脂酸锌。
将58#全精炼石蜡加入到密炼机中100℃密炼15min，再加入EVA、APAO、紫外线吸收剂、抗氧剂、脱模剂继续密炼30min，搅拌、排气，得到混合物；注入到线材螺杆挤出机中，挤出成线状，收卷，得到用于益智教育的3D打印线材。
所述螺杆挤出机的工艺条件为：螺杆1段温度控制为58℃；螺杆2段温度控制为67℃；螺杆3段控制温度为73℃；螺杆4段控制温度为75℃；螺杆5段控制温度为75℃；螺杆6段控制温度为75℃；螺杆7段控制温度为75℃；螺杆8段控制温度为73℃；螺杆9段控制温度为73℃；模头温度为70℃；主机转速为10.4rpm；喂料转速为6.1rpm。
实施例4：
一种用于益智教育的3D打印线材，包括以下质量份组分：10份682#微晶蜡，8份58#全精炼石蜡，3.2份PE蜡，8份EVA，4份APAO，1.5‰紫外线吸收剂uv-9，1.5‰抗氧剂1010、2‰脱模剂硬脂酸锌。
将682#微晶蜡、58#全精炼石蜡、PE蜡加入到密炼机中90℃密炼15min，再加入EVA、APAO、紫外线吸收剂、抗氧剂、脱模剂，继续密炼30min，搅拌、排气，得到混合物；注入到线材螺杆挤出机中，挤出成线状，收卷，得到用于益智教育的3D打印线材。
所述螺杆挤出机的工艺条件为：螺杆1段温度控制为60℃；螺杆2段温度控制为68℃；螺杆3段控制温度为75℃；螺杆4段控制温度为80℃；螺杆5段控制温度为80℃；螺杆6段控制温度为80℃；螺杆7段控制温度为80℃；螺杆8段控制温度为80℃；螺杆9段控制温度为78℃；模头温度为75℃；主机转速为10.4rpm；喂料转速为6.5rpm。
实施例5：
一种用于益智教育的3D打印线材，包括以下质量份组分：18份58#全精炼石蜡，15份EVA，5份APAO，3份硅微粉，1‰紫外线吸收剂uv-9，1‰抗氧剂1010，1‰脱模剂硬脂酸锌。
将58#全精炼石蜡加入到密炼机中90℃密炼10min，再加入EVA、APAO、硅微粉、紫外线吸收剂、抗氧剂、脱模剂，继续密炼30min，搅拌、排气，得到混合物；注入到线材螺杆挤出机中，挤出成线状，收卷，得到用于益智教育的3D打印线材。
所述螺杆挤出机的工艺条件为：螺杆1段温度控制为58℃；螺杆2段温度控制为67℃；螺杆3段控制温度为73℃；螺杆4段控制温度为75℃；螺杆5段控制温度为75℃；螺杆6段控制温度为75℃；螺杆7段控制温度为75℃；螺杆8段控制温度为73℃；螺杆9段控制温度为73℃；模头温度为70℃；主机转速为10.2rpm；喂料转速为5.7rpm。
实施例6：
一种用于益智教育的3D打印线材，包括以下质量份组分：5份682#微晶蜡，10份70#微晶蜡，10份58#全精炼石蜡，11份EVA，4份APAO，6份PE蜡，6份硅微粉，1.2‰紫外线吸收剂uv-9，1‰抗氧剂1010，1.5‰脱模剂硬脂酸锌。
将682#微晶蜡、70#微晶蜡、58#全精炼石蜡加入到密炼机中90℃密炼15min，再加入EVA、APAO、PE蜡、硅微粉、紫外线吸收剂、抗氧剂、脱模剂，继续密炼35min，搅拌、排气，得到混合物；注入到线材螺杆挤出机中，挤出成线状，收卷，得到用于益智教育的3D打印线材。
所述螺杆挤出机的工艺条件为：螺杆1段温度控制为58℃；螺杆2段温度控制为67℃；螺杆3段控制温度为73℃；螺杆4段控制温度为75℃；螺杆5段控制温度为75℃；螺杆6段控制温度为75℃；螺杆7段控制温度为75℃；螺杆8段控制温度为73℃；螺杆9段控制温度为73℃；模头温度为70℃；主机转速为10.4rpm；喂料转速为6.1rpm。
实施例7：
一种用于益智教育的3D打印线材，包括以下质量份组分：10份682#微晶蜡，20份70#微晶蜡，10份58#全精炼石蜡，7份EVA，8份APAO，10份PE蜡，5份硅微粉，1.2‰紫外线吸收剂uv-9，1‰抗氧剂1010，1.5‰脱模剂硬脂酸锌。
将682#微晶蜡、70#微晶蜡、58#全精炼石蜡加入到密炼机中90℃密炼15min，再加入EVA、APAO、PE蜡、硅微粉、紫外线吸收剂、抗氧剂、脱模剂，继续密炼35min，搅拌、排气，得到混合物；注入到线材螺杆挤出机中，挤出成线状，收卷，得到用于益智教育的3D打印线材。
所述螺杆挤出机的工艺条件为：螺杆1段温度控制为58℃；螺杆2段温度控制为67℃；螺杆3段控制温度为73℃；螺杆4段控制温度为75℃；螺杆5段控制温度为75℃；螺杆6段控制温度为75℃；螺杆7段控制温度为75℃；螺杆8段控制温度为73℃；螺杆9段控制温度为73℃；模头温度为70℃；主机转速为11rpm；喂料转速为6.3rpm。
实施例8：
一种用于益智教育的3D打印线材，包括以下质量份组分：5份682#微晶蜡，10份70#微晶蜡，5份58#全精炼石蜡，10份EVA，4份APAO，5份PE蜡，10份硅微粉，1.2‰紫外线吸收剂uv-9，1‰抗氧剂1010，1.5‰脱模剂硬脂酸锌。
将682#微晶蜡、70#微晶蜡、58#全精炼石蜡加入到密炼机中90℃密炼15min，再加入EVA、APAO、PE蜡、硅微粉、紫外线吸收剂、抗氧剂、脱模剂，继续密炼35min，搅拌、排气，得到混合物；注入到线材螺杆挤出机中，挤出成线状，收卷，得到用于益智教育的3D打印线材。
所述螺杆挤出机的工艺条件为：螺杆1段温度控制为58℃；螺杆2段温度控制为67℃；螺杆3段控制温度为73℃；螺杆4段控制温度为75℃；螺杆5段控制温度为75℃；螺杆6段控制温度为75℃；螺杆7段控制温度为75℃；螺杆8段控制温度为73℃；螺杆9段控制温度为73℃；模头温度为70℃；主机转速为10.4rpm；喂料转速为6.1rpm。
上述实施例1～6制备得到的3D打印线材具有较好的弹性和韧性，测试其熔点，结果如下，其他实施例结果相近。
表1用于益智教育的3D打印线材的熔点
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
熔点/℃ 62 63 65 68 64 63.5
由表可见，本发明的用于益智教育的3D打印线材具有较低的熔点，材料熔点低，进一步降低对3D打印的要求，进而有助于3D打印机成本的降低，进一步推动行业的发展。且本发明的3D打印线材材料天然，安全环保，特别适用于孩子使用和教育。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于益智教育的3D打印线材，其特征在于包括以下组分：石油蜡15～30质量份；增韧剂10～25质量份；PE蜡0～5质量份；矿物粉料0～5质量份；紫外线吸收剂0～10wt‰；抗氧剂0～10wt‰；脱模剂0～10wt‰；色母/色膏/色粉0～10wt％；香精0～10wt‰；
或包括以下组分：石油蜡20～40质量份；增韧剂5～15质量份；PE蜡5～10质量份；矿物粉料5～10质量份；紫外线吸收剂0～10wt‰；抗氧剂0～10wt‰；脱模剂0～10wt‰；色母/色膏/色粉0～10wt％；香精0～10wt‰。
2.根据权利要求1所述的用于益智教育的3D打印线材，其特征在于：所述的石油蜡为70#微晶蜡、80#微晶蜡、85#微晶蜡、682#微晶蜡、54#全精炼石蜡、58#全精炼石蜡、62#全精炼石蜡、62#半精炼石蜡、64#全精炼石蜡、64#半精炼石蜡、66#全精炼石蜡、66#半精炼石蜡中的一种或一种以上。
3.根据权利要求1所述的用于益智教育的3D打印线材，其特征在于：所述的增韧剂为低分子聚丙烯、EVA树脂、聚异丁烯、乙烯-丙烯共聚物、聚苯乙烯-丁二烯热塑性弹性体、APAO、三元乙丙橡胶、乙烯-辛烯嵌段共聚物、AFFINITY聚烯烃塑性树脂中的一种或一种以上。
4.根据权利要求1所述的用于益智教育的3D打印线材，其特征在于：所述的矿物粉料为硅微粉、碳酸钙、纳米Al2O3、滑石粉、高岭土、埃洛石、膨润土、富岭土、凹凸棒石中的一种或一种以上。
5.根据权利要求1所述的用于益智教育的3D打印线材，其特征在于：所述的脱模剂为硬脂酸锌。
6.根据权利要求1所述的用于益智教育的3D打印线材，其特征在于：所述的紫外线吸收剂为紫外线吸收剂uv531、紫外线吸收剂uv-9、紫外线吸收剂770中的一种或一种以上。
7.根据权利要求1所述的用于益智教育的3D打印线材，其特征在于：所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂264、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂300中的一种或一种以上。
8.一种权利要求1～7任一项所述的用于益智教育的3D打印线材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将石油蜡、PE蜡加入到密炼机中，密炼温度为85～100℃，密炼5～15min，再加入增韧剂、矿物粉料、紫外线吸收剂、抗氧剂、脱模剂、色母/色膏/色粉、香精，继续密炼20～40min，搅拌、排气，得到混合物；注入到线材螺杆挤出机中，挤出成线状，收卷，得到用于益智教育的3D打印线材。
9.根据权利要求8所述的用于益智教育的3D打印线材的制备方法，其特征在于：所述螺杆挤出机的工艺条件为：螺杆1段温度控制为50～70℃；螺杆2段温度控制为55～75℃；螺杆3段控制温度为55～65℃；螺杆4段控制温度为60～85℃；螺杆5段控制温度为60～85℃；螺杆6段控制温度为60～85℃；螺杆7段控制温度为60～85℃；螺杆8段控制温度为60～85℃；螺杆9段控制温度为60～85℃；模头温度为55～80℃；主机转速为7.5～13rpm；喂料转速为5.0～8.0rpm。
10.权利要求1～7任一项所述的用于益智教育的3D打印线材在3D打印中的应用。
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