CN108285625B - 一种3d打印制备聚乳酸立构复合物的方法 - Google Patents
一种3d打印制备聚乳酸立构复合物的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种3D打印制备聚乳酸立构复合物的方法,该方法包括以下步骤:分别在左旋聚乳酸和右旋聚乳酸中均添加增韧剂和成核剂;再利用双螺杆挤出机分别对左旋聚乳酸和右旋聚乳酸进行共混改性,得到改性左旋聚乳酸和改性右旋聚乳酸;将获得的改性左旋聚乳酸和改性右旋聚乳酸通过3D线材挤出机分别制成左旋聚乳酸线材和右旋聚乳酸线材;利用单喷头双色3D打印机将获得的左旋聚乳酸线材和右旋聚乳酸线材打印成聚乳酸立构复合物。本发明制得的聚乳酸立构复合物制品具有优异的耐热性,其熔点比传统聚乳酸制品的熔点要高出约50℃;本发明对设备投入较低,工艺路线简单,易于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印制备聚乳酸立构复合物的方法。
背景技术
3D打印材料是3D打印的物质基础,也是限制3D打印进一步发展的技术瓶颈。聚乳酸(PLA)作为一种可生物降解材料,具有可再生性,其原材料乳酸来源广泛,可通过玉米、淀粉等农产品发酵获得。PLA强度高,生物相容性好,相比于熔融沉积造型技术(FDM)工艺中常用的ABS(丙烯腈-丁二烯–苯乙烯)塑料,PLA材料环保、气味低,适合室内使用,同时较低的收缩率也使得在打印大尺寸模型时,即使不加热热床也不会发生翘边现象。但是PLA也存在诸如韧性差、熔体强度低等缺点,导致成型困难。未经改性的PLA丝材在打印过程中丝材容易断裂,打印制品脆性大,同时喷头处会因材料降解导致熔体强度下降产生漏料现象,粘在成型件上形成毛边,影响打印制件的表面质量。因而,目前国内外各大厂商在研发PLA耗材时,都越来越注重改善PLA的韧性和耐热性能,从而提升产品的附加值,拓宽其应用领域。
为了克服PLA材料的性能缺陷,拓宽其应用领域,国内外学者对PLA进行了大量的改性研究工作。改性研究主要从两个方面进行:一是通过交联、表面改性或通过共聚引入其他单体改变PLA自身的分子结构来达到性能改善的目的;二是通过共混、填充、纳米复合等方法制备各种类型的复合材料,从而改善PLA的韧性和强度,并提高其热稳定性。然而,目前市售的改性PLA线材大多采用非生物降解性的增韧剂来改性PLA,从而以牺牲PLA的环保性和降解性来获得较好的韧性。并且传统的改性方法对聚乳酸耐热性的提高效果有限。
近年来,聚乳酸立构复合物的研究得到了大力发展。立构复合是指由具有相同组成和不同立体构型的两种组分经熔融共混或溶液共混后,形成一种具有独特性能的共混物的技术。相关研究表明,在将左旋聚乳酸(PLLA)和右旋聚乳酸(PDLA)的经熔融共混后得到的聚乳酸立构复合物,其熔点约为230℃,这比各自均聚物PLLA和PDLA的熔点高出了近50℃。加之PDLA与PLLA共混形成的立构复合物还具有比各自均聚物更快速的结晶速率,同时又不会损失聚乳酸良好的生物降解性和环境友好性,因此立构复合技术被认为是提高聚乳酸耐热性最行之有效和最有前途的方法。但该方法在3D打印领域的应用目前尚未见报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是,将聚乳酸均聚物进行改性,并利用3D打印技术制备出聚乳酸立构复合物。
本发明的目的在于提供一种用3D打印机制备聚乳酸立构复合物的方法,从而获得具有优异韧性和耐热性能的聚乳酸3D打印制品。
为实现上述目的,本发明先通过添加增韧剂和成核剂来共混改性左旋聚乳酸和右旋聚乳酸,并通过3D线材挤出机分别制成线径均一的左旋聚乳酸丝材和右旋聚乳酸丝材,再通过单喷头双色3D打印机打印制得聚乳酸立构复合物。
本发明的技术方案是,提供一种3D打印制备聚乳酸立构复合物的方法,包括以下步骤:
(1)在左旋聚乳酸和/或右旋聚乳酸中添加改性剂;
(2)将步骤(1)获得的左旋聚乳酸和右旋聚乳酸制成左旋聚乳酸线材和右旋聚乳酸线材;
(3)将步骤(2)获得的左旋聚乳酸线材和右旋聚乳酸线材分别熔融并将熔体混合,3D打印机将其打印成聚乳酸立构复合物。
进一步地,步骤(1)中所述的改性剂包括增韧剂、成核剂、增塑剂、填料、颜料、扩链剂等添加剂中的一种或多种。
进一步地,步骤(1)中,分别在左旋聚乳酸和右旋聚乳酸中均添加增韧剂和成核剂;再利用挤出机、高速混合机、捏合机等设备分别对左旋聚乳酸和右旋聚乳酸进行共混改性,得到改性左旋聚乳酸和改性右旋聚乳酸。
进一步地,步骤(2)中,通过3D线材挤出机分别制成左旋聚乳酸线材和右旋聚乳酸线材。
进一步地,步骤(3)中所述的3D打印机可选为单喷头双色3D打印机。
优选地,所述左旋聚乳酸和右旋聚乳酸的重均分子量均在3万~40万之间。
优选地,所述增韧剂为丁二醇-己二酸-对苯二甲酸共聚酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸丁二醇酯、聚己内酯、聚羟基丁酸酯和淀粉中的一种或多种;改性左旋聚乳酸和改性右旋聚乳酸中,增韧剂的含量均在1wt%~30wt%之间,优选5 wt%~15 wt%。
优选地,所述成核剂为LAK粒子、纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、滑石粉和蒙脱土中的一种或多种;改性左旋聚乳酸和改性右旋聚乳酸中,成核剂的含量为0.1wt%~10wt%,优选2wt%~5wt%。
优选地,步骤(1)中,采用同向双螺杆挤出机对左旋聚乳酸和/或右旋聚乳酸进行共混改性,螺杆直径为 21.7mm,长径比为 40:1,所述挤出机的温度设置为145℃~200℃。
优选地,步骤(2)中,采用单螺杆挤出机将聚乳酸制成线材,螺杆直径为 25mm,长径比为25:1,温度设置为140℃~200℃,制得的线材直径为1.75±0.05mm。
优选地,步骤(3)中,所述单喷头双色3D打印机为单喷头双管道的熔融沉积型3D打印机,其中一个管道接左旋聚乳酸线材,另一管道接右旋聚乳酸线材,线材熔融后经混合进入喷头进行打印。
优选地,3D打印时,通过控制各管道的送丝速度分别调节左旋聚乳酸线材与右旋聚乳酸线材的共混比例。
优选地,左旋聚乳酸线材与右旋聚乳酸线材的体积比为:1:9~9:1,如1:9,2:8,3:7,4:6,5:5,6:4,7:3,8:2,9:1等,优选体积比为5:5。同时该体积比近似于质量比。
优选地,单喷头双色3D打印机的打印喷头的温度为190℃~240℃;进一步优选190℃-220℃,进一步优选190-200℃。
本发明提供的用3D打印机制备聚乳酸立构复合物的具体方法如下:
1)将 1-30重量份的增韧剂、0.1-10重量份的成核剂加入到适量的左旋聚乳酸或右旋聚乳酸粒料中,并用高速搅拌机共混均匀;
2)步骤1)得到的共混物用双螺杆挤出机挤出造粒,分别制得改性的左旋聚乳酸粒料和右旋聚乳酸粒料。挤出时,物料在挤出机中停留的时间为 5-10分钟。双螺杆挤出机螺杆直径为21.7mm,长径比为40:1,挤出机温度依次设定为:145-155℃,155-165℃,185-195℃,185-195℃,185-195℃,190-200℃,190-200℃,190-200℃,模头温度 175-185℃ ;
3)将步骤2)得到的改性聚乳酸粒料用3D线材挤出机挤出拉丝,分别制得线径为1.75±0.05mm的左旋聚乳酸丝材和右旋聚乳酸丝材。3D线材挤出机的螺杆直径为25mm,长径比为2:1,挤出机温度依次设定为:140-150℃,160-180℃,190-200℃,190-200℃,模头温度 175-195℃;
4)将步骤3)得到的改性左旋聚乳酸丝材和右旋聚乳酸丝材分别接入单喷头双色3D打印机的两个送样管道,通过调节两管道的送丝速度,来打印具有不同共混比例的聚乳酸立构复合物制品。打印喷头温度为190℃~240℃,热台温度30℃~60℃。
本发明所述的一种用3D打印机制备聚乳酸立构复合物的方法,具有以下突出优点:
1)本发明首次将聚乳酸立构复合改性技术应用到3D打印成型中,制得的聚乳酸立构复合物制品具有优异的耐热性,其熔点比传统聚乳酸制品的熔点要高出约50℃。
2)本发明所选用的增韧剂均具有良好的生物可降解性能,在大幅改善聚乳酸韧性的同时,又不会改变聚乳酸的环境友好性。
3)本发明在不明显提高打印温度的情况下来制得聚乳酸立构复合制品,有效地避免了聚乳酸在打印过程中的降解。
4)本发明制得的聚乳酸立构复合制品,可依据所用原料聚乳酸的分子量大小来灵活地调节左旋/右旋的共混比例,以获得理想的立构复合制品。
5)本发明对设备投入较低,工艺路线简单,易于工业化生产。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本发明的各实施方式进行详细的阐述。所举实例只用于解释本发明,并非用于限制本发明的范围。
实施例1
所有原料在使用前先在鼓风烘箱中充分干燥:烘料温度为70℃,烘料时间为6h。将经过干燥的200g PBAT、60gLAK粒子加入到1740kg的左旋聚乳酸(Mw=20万)中,并经高速搅拌机共混均匀。得到的共混物在150~195℃条件下经双螺杆挤出机挤出造粒,粒料真空密封保存。得到的改性粒再经3D线材挤出机挤出拉丝,挤出温度为170~200℃制得线径为1.75±0.05mm的左旋聚乳酸丝材,丝材经收卷密封包装待用。通过同样方法制得改性右旋聚乳酸(Mw=20万)丝材。将改性左旋聚乳酸丝材和右旋聚乳酸丝材分别接入单喷头双色3D打印机的两个送样管道,调节两管道的送丝速度使得左旋与右旋的共混比例为5:5,控制3D打印机的打印温度为190-210℃,热床温度50℃,打印符合GB/T 1040 .2-2006规定的1A型聚乳酸立构复合物拉伸试样。按照标准测试材料拉伸强度60MPa、断裂伸长率52%,熔点212℃。
实施例2
所有原料在使用前先在鼓风烘箱中充分干燥:烘料温度为70℃,烘料时间为6h。将经过干燥的400g PBAT、60gLAK粒子加入到1540kg的左旋聚乳酸(Mw=20万)中,并经高速搅拌机共混均匀。得到的共混物在150~195℃条件下经双螺杆挤出机挤出造粒,粒料真空密封保存。得到的改性粒再经3D线材挤出机挤出拉丝,挤出温度为170~200℃制得线径为1.75±0.05mm的左旋聚乳酸丝材,丝材经收卷密封包装待用。通过同样方法制得改性右旋聚乳酸(Mw=20万)丝材。将改性左旋聚乳酸丝材和右旋聚乳酸丝材分别接入单喷头双色3D打印机的两个送样管道,调节两管道的送丝速度使得左旋与右旋的共混比例为5:5,控制3D打印机的打印温度为190-210℃,热床温度50℃,打印符合GB/T 1040 .2-2006规定的1A型聚乳酸立构复合物拉伸试样。按照标准测试材料拉伸强度55MPa、断裂伸长率96%,熔点208℃。
实施例3
所有原料在使用前先在鼓风烘箱中充分干燥:烘料温度为70℃,烘料时间为6h。将经过干燥的400g PBS、60gLAK粒子加入到1540kg的左旋聚乳酸(Mw=20万)中,并经高速搅拌机共混均匀。得到的共混物在150~195℃条件下经双螺杆挤出机挤出造粒,粒料真空密封保存。得到的改性粒再经3D线材挤出机挤出拉丝,挤出温度为170~200℃制得线径为1.75±0.05mm的左旋聚乳酸丝材,丝材经收卷密封包装待用。通过同样方法制得改性右旋聚乳酸(Mw=20万)丝材。将改性左旋聚乳酸丝材和右旋聚乳酸丝材分别接入单喷头双色3D打印机的两个送样管道,调节两管道的送丝速度使得左旋与右旋的共混比例为5:5,控制3D打印机的打印温度为190-210℃,热床温度50℃,打印符合GB/T 1040 .2-2006规定的1A型聚乳酸立构复合物拉伸试样。按照标准测试材料拉伸强度54MPa、断裂伸长率76%,熔点207℃。
比较例1
将左旋聚乳酸(Mw=20万)在鼓风烘箱中充分干燥:烘料温度为70℃,烘料时间为6h。再经3D线材挤出机挤出拉丝,挤出温度为170~200℃制得线径为1.75±0.05mm的左旋聚乳酸丝材,丝材经收卷密封包装待用。将改性左旋聚乳酸丝材接入单喷头双色3D打印机的一个送样管道,控制打印机的打印温度190-210℃,热床温度50℃,打印符合GB/T 1040.2-2006规定的1A型左旋聚乳酸拉伸试样。按照标准测试材料拉伸强度65MPa、断裂伸长率5%,熔点166℃。
从实施例和比较例的对比可以看出,采用本发明经3D打印制得的聚乳酸立构复合物制品,其韧性和耐热性能均得到提高,特别是制品的耐热性能提高尤为明显,这使得聚乳酸3D打印制品的实用性和适用范围大大提升。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,本领域的普通技术人员可以理解上述各实施方式是实现本发明的具体实施例,而在实际应用中,可以在形式上和细节上对其作各种改变,而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (8)
1.一种3D打印制备聚乳酸立构复合物的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在左旋聚乳酸和/或右旋聚乳酸中添加改性剂;
(2)将步骤(1)获得的左旋聚乳酸和右旋聚乳酸制成左旋聚乳酸线材和右旋聚乳酸线材;
(3)将步骤(2)获得的左旋聚乳酸线材和右旋聚乳酸线材分别熔融并将熔体混合,3D打印机将其打印成聚乳酸立构复合物;
步骤(3)中所述的3D打印机为单喷头双色3D打印机;所述单喷头双色3D打印机为单喷头双管道的熔融沉积型3D打印机,其中一个管道接左旋聚乳酸线材,另一管道接右旋聚乳酸线材,线材熔融后经混合进入喷头进行打印;单喷头双色3D打印机的打印喷头的温度为190℃~240℃。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中所述的改性剂包括增韧剂、成核剂、增塑剂、填料、颜料、扩链剂中的一种或多种。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述增韧剂为丁二醇-己二酸-对苯二甲酸共聚酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸丁二醇酯、聚己内酯、聚羟基丁酸酯和淀粉中的一种或多种;改性左旋聚乳酸和改性右旋聚乳酸中,增韧剂的含量均在1wt%~30wt%之间;所述成核剂为LAK粒子、纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、滑石粉和蒙脱土中的一种或多种;添加改性剂的左旋聚乳酸和添加改性剂的右旋聚乳酸中,成核剂的含量为0.1wt%~10wt%。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,采用同向双螺杆挤出机对左旋聚乳酸和/或右旋聚乳酸进行共混改性,螺杆直径为 21.7mm,长径比为 40:1,所述挤出机的温度设置为145℃~200℃。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(2)中,采用单螺杆挤出机将聚乳酸制成线材,螺杆直径为 25mm,长径比为25:1,温度设置为140℃~200℃,制得的线材直径为1.75±0.05mm。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,3D打印时,通过控制各管道的送丝速度分别调节左旋聚乳酸线材与右旋聚乳酸线材的共混比例。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,左旋聚乳酸线材与右旋聚乳酸线材的体积比为:1:9~9:1。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,左旋聚乳酸线材与右旋聚乳酸线材的体积比为:5:5。
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