CN108164983A - 选择性激光烧结用聚氨酯材料及其制备方法 - Google Patents

选择性激光烧结用聚氨酯材料及其制备方法 Download PDF

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苏婷
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Abstract

本发明提供一种选择性激光烧结用聚氨酯材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一：将聚氨酯粒料进行深冷粉碎得到粉末颗粒；步骤二：将粉末颗粒进行干燥；步骤三：将经过干燥得到的粉末颗粒、粉末流动助剂以及长链纤维混合搅拌均匀得到选择性激光烧结用聚氨酯材料，其中，长链纤维的平均长度大于聚氨酯粉末的平均颗粒直径。本发明制备的粉末材料堆积密实，制件强度高且耐磨性好。

Description

选择性激光烧结用聚氨酯材料及其制备方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及选择性激光烧结用聚氨酯材料及其制备方法。
背景技术
3D打印技术是增材制造技术的通称，是一项具有数字化制造、高度柔性和适应性、直接CAD模型驱动、快速、材料类型丰富多样等鲜明特点的先进制造技术，其可将原型的几何形状、结构和所选材料的组合信息建立数据化描述模型，之后把这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统进行逐点、逐线、逐面的三维堆砌成型生产三维实体。相对于传统的减材制造加工技术，增材制造技术无需原胚和模具就能直接通过计算机模型数据，通过逐层叠加的方法生产任何所需的实体件，能够有效的简化产品的制造程序、缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。3D打印技术已广泛应用于航空航天、汽车制造、模具制造、生物工程及医疗、建筑、艺术制造等诸多领域。选择性激光烧结技术(SLS)是目前市场上常见的一种3D打印方法，此方法能够制造出高精度的制造件，已被很多领域广泛应用。
聚氨酯是一种新兴的有机高分子材料，因其卓越的性能而被广泛应用于国民经济众多领域，特别在鞋业生产中。聚氨酯鞋底具有诸多优点：密度低，质地柔软，穿着舒适轻便；尺寸稳定性好，储存寿命长；优异的耐磨性能、耐挠曲性能；优异的减震、防滑性能；较好的耐温性能；良好的耐化学品性能等等，使得该材料多用于制造高档皮鞋、运动鞋、旅游鞋等。随着人们生活水平的不断提高，对于鞋的要求也越来越高，尤其是运动员，希望能制造更高端、更贴脚的运动鞋，随着3D打印技术的快速发展，其正好能够根据不同人的脚来设计鞋，使鞋能够完全的贴合脚型，从而制造出运动员专属的舒适鞋。
而在实际应用于3D打印时，由于粉末间的空隙，导致3D打印件和注塑件相比强度上较差，使得制件在使用上不经磨损，寿命不长。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种粉末堆积密实，制件强度高且耐磨的选择性激光烧结用聚氨酯材料及其制备方法。
本发明提供了选择性激光烧结用聚氨酯材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将聚氨酯粒料进行深冷粉碎得到粉末颗粒；
步骤二：将粉末颗粒进行干燥；
步骤三：将经过干燥得到的粉末颗粒、粉末流动助剂以及长链纤维混合搅拌均匀得到选择性激光烧结用聚氨酯材料，其中，长链纤维的平均长度大于聚氨酯粉末的平均颗粒直径。
作为本发明的进一步优选方案，所述长链纤维选用碳纤维、玻璃纤维或矿物纤维。
作为本发明的进一步优选方案，长链纤维的平均长度为150-200um。
作为本发明的进一步优选方案，所述聚氨酯粒料为TPU粒料。
作为本发明的进一步优选方案，所述流动助剂的重量占粉末总量的0.2％-0.5％，所述长链纤维的重量占粉末总量的10％-50％。
作为本发明的进一步优选方案，步骤一中通过深冷粉碎得到粉末颗粒的粒径为150μm以下。
作为本发明的进一步优选方案，步骤一中通过深冷粉碎得到粉末颗粒的粉末粒径为：D10为30um-50um；D50为60um-80um；D90为130um-150um。
作为本发明的进一步优选方案，所述流动助剂包括气相二氧化硅，气相二氧化钛，甲基硅氧烷，氯化硅氧烷中的一种或几种。
作为本发明的进一步优选方案，步骤二中干燥步骤具体为：将粉末颗粒放入温度为80℃-100℃的烘箱，干燥2h以上，使粉末颗粒含水量为0.5％以下。
本发明还提供一种选择性激光烧结用聚氨酯材料，包括上述的选择性激光烧结用聚氨酯材料。
本发明选择性激光烧结用聚氨酯材料及其制备方法具有以下有益效果：
1、通过对聚氨酯粒料进行深冷粉碎可得到粒径较为集中的粉末颗粒，这样相对于其它粉碎工艺来说更有利于烧结过程中的铺粉；
2、通过将粉末颗粒进行干燥，能降低粉末中水分在烧结过程中带来的缺陷。由于聚氨酯粉末本身具有一定的吸水性，在空气中久置吸水，水分在激光加热后会汽化成蒸汽，从而形成粉末间的空隙。而通过干燥过程，能减少粉末中水分产生的空隙。
3、相对于传统方法在聚氨酯颗粒聚合过程中加入纤维，再经过粉碎制得的粉末，长链的纤维会在制粉过程中断裂，无法起到增强的效果；本发明通过深冷粉碎制得聚氨酯粉末，并在聚氨酯粉末中添加长链纤维作为其空隙间的填充，这样能很好地解决通过深冷粉碎制得的具有规则形状的粉末，其粉末间不可避免存在空隙的弊端，同时，纤维的高强度能很好的提高制件的耐磨性。本发明通过填充空隙不仅增加了粉末的密实程度，而且使得烧结后制件的强度和耐磨性提高。
具体实施方式
为解决上述技术问题，本发明提供了一种选择性激光烧结用聚氨酯材料的制备方法，包括：
步骤一：将聚氨酯粒料进行深冷粉碎得到粉末颗粒；
具体地，通过深冷粉碎得到粉末颗粒的粒径为150μm以下，例如，优选地，通过深冷粉碎得到粉末颗粒的粉末粒径为：D10为30um-50um；D50为60um-80um；D90为130um-150um。在此需说明的是，D10＝30um，其含义是30um以下的占总量的10％；D50＝70um，其含义是70um以下的占总量的50％；D90＝130um，其含义是130um以下的占总量的90％。
步骤二：将粉末颗粒进行干燥；
优选地，可将粉末颗粒放入温度为80℃-100℃的烘箱，干燥2h以上，使粉末颗粒含水量为0.5％以下。
步骤三：将经过干燥得到的粉末颗粒、粉末流动助剂以及长链纤维混合搅拌均匀得到选择性激光烧结用聚氨酯材料，其中，纤维的平均长度大于聚氨酯粉末的平均粒度。
具体实施中，所述聚氨酯粒料可为TPU粒料，当然其还可适用于其它类别的聚氨酯，在此不做一一例举。进一步，所述TPU粒料可采用聚酯类，但该方法同样适用于聚醚类，聚碳酸酯类，聚己内酯类等其他类的TPU。优选地，TPU粉末D50为70um，该大小颗粒能较好的均匀堆积，减少铺粉过程中的空隙。
具体实施中，所述流动助剂包括气相二氧化硅，气相二氧化钛，甲基硅氧烷，氯化硅氧烷中的一种或几种。优选地，所述流动助剂的重量占粉末总量的0.2％-0.5％。
具体实施中，所述长链纤维可为碳纤维、玻璃纤维和矿物纤维中的一种或多种；其中，纤维的重量占粉末总量的10％-50％。纤维的加入在提升制件强度的同时会降低断裂伸长率，可通过控制添加比例进行调节。
为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，以下通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实例一：
(a)取用聚酯类TPU粒料，倒入深冷粉碎机中，充入液氮降温至-130℃，保持温度的稳定，将搅拌的频率设置为40Hz，开启进料开关粉碎粒料。最终得到粒料10kg，粉末粒径D50为70um。
(b)将制备得到的TPU粉末放入烘箱中，设定干燥温度为90℃，干燥3h，干燥完取样测试湿度为0.4％。
(c)将干燥后的TPU粉末倒入搅拌装置，加入流动助剂气相二氧化硅25g，搅拌1h，最终得到适用于选择性激光烧结的聚氨酯粉末材料。
实例二：
(a)取用聚酯类TPU粒料，倒入深冷粉碎机中，充入液氮降温至-130℃，保持温度的稳定，将搅拌的频率设置为43Hz，开启进料开关粉碎粒料。最终得到粒料5kg，粉末粒径D50为70um。
(b)将制备得到的TPU粉末放入烘箱中，设定干燥温度为90℃，干燥3h，干燥完取样测试湿度为0.4％。
(c)将干燥后的TPU粉末倒入搅拌装置，加入170um碳纤维5Kg和流动助剂气相二氧化硅25g，搅拌1h，最终得到适用于选择性激光烧结的聚氨酯粉末材料。
实例三：
(a)取用聚酯类TPU粒料10kg，倒入深冷粉碎机中，充入液氮降温至-130℃，保持温度的稳定，将搅拌的频率设置为38Hz，开启进料开关粉碎粒料。最终得到粒料7kg，粉末粒径D50为70um。
(b)将制备得到的TPU粉末放入烘箱中，设定干燥温度为90℃，干燥3h，干燥完取样测试湿度为0.4％。
(c)将干燥后的TPU粉末倒入搅拌装置，加入170um碳纤维3Kg和流动助剂气相二氧化硅25g，搅拌1h，最终得到适用于选择性激光烧结的聚氨酯粉末材料。
实例四：
(a)取用聚酯类TPU粒料10kg，倒入深冷粉碎机中，充入液氮降温至-130℃，保持温度的稳定，将搅拌的频率设置为40Hz，开启进料开关粉碎粒料。最终得到粒料9kg，粉末粒径D50为70um。
(b)将制备得到的TPU粉末放入烘箱中，设定干燥温度为90℃，干燥3h，干燥完取样测试湿度为0.4％。
(c)将干燥后的TPU粉末倒入搅拌装置，加入170um玻璃纤维1Kg和流动助剂气相二氧化硅25g，搅拌1h，最终得到适用于选择性激光烧结的聚氨酯粉末。
实例五：
(a)取用聚酯类TPU粒料10kg，倒入深冷粉碎机中，充入液氮降温至-130℃，保持温度的稳定，将搅拌的频率设置为40Hz，开启进料开关粉碎粒料。最终得到粒料7kg，粉末粒径D50为70um。
(b)将制备得到的TPU粉末放入烘箱中，设定干燥温度为90℃，干燥3h，干燥完取样测试湿度为0.4％。
(c)将干燥后的TPU粉末倒入搅拌装置，加入100um碳纤维3Kg和流动助剂气相二氧化硅25g，搅拌1h，最终得到适用于选择性激光烧结的聚氨酯粉末。
采用实施例一-实施例四中选择性激光烧结用聚氨酯材料所制得的工件进行相关性能测试，得到的测试结果如下表1。
表1、采用实施例一-实施例四提供的选择性激光烧结用聚氨酯材料所制得工件性能
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不代表对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围，因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.选择性激光烧结用聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将聚氨酯粒料进行深冷粉碎得到粉末颗粒；
步骤二：将粉末颗粒进行干燥；
步骤三：将经过干燥得到的粉末颗粒、粉末流动助剂以及长链纤维混合搅拌均匀得到选择性激光烧结用聚氨酯材料，其中，长链纤维的平均长度大于聚氨酯粉末的平均颗粒直径。
2.根据权利要求1所述的选择性激光烧结用聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，所述长链纤维选用碳纤维、玻璃纤维或矿物纤维。
3.根据权利要求2所述的选择性激光烧结用聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，长链纤维的平均长度为150-200um。
4.根据权利要求3所述的选择性激光烧结用聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，所述聚氨酯粒料为TPU粒料。
5.根据权利要求4所述的选择性激光烧结用聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，所述流动助剂的重量占粉末总量的0.2％-0.5％，所述长链纤维的重量占粉末总量的10％-50％。
6.根据权利要求5所述的选择性激光烧结用聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，步骤一中通过深冷粉碎得到粉末颗粒的粒径为150μm以下。
7.根据权利要求6所述的选择性激光烧结用聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，步骤一中通过深冷粉碎得到粉末颗粒的粉末粒径为：D10为30um-50um；D50为60um-80um；D90为130um-150um。
8.根据权利要求7所述的选择性激光烧结用聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，所述流动助剂包括气相二氧化硅，气相二氧化钛，甲基硅氧烷，氯化硅氧烷中的一种或几种。
9.根据权利要求8所述的选择性激光烧结用聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，步骤二中干燥步骤具体为：将粉末颗粒放入温度为80℃-100℃的烘箱，干燥2h以上，使粉末颗粒含水量为0.5％以下。
10.选择性激光烧结用聚氨酯材料，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的选择性激光烧结用聚氨酯材料。
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