CN108948696A - 一种浸渍增强的3d打印复合材料及其制造方法 - Google Patents

一种浸渍增强的3d打印复合材料及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种浸渍增强的3D打印复合材料及其制作方法，该复合材料包括3D打印木塑复合材料和热固性树脂‑添加剂的混合物，其制造方法为将热塑性聚合物和木质纤维原料按照一定比例混合通过双螺杆挤出机混合制备粒料；将粒料通过单螺杆挤出机制备成线材；然后将线材通过3D打印机制备成3D打印木塑复合材料；之后将3D打印木塑复合材料浸渍于热固性聚合物‑添加剂的混合物中；最后将浸渍的3D打印木塑复合材料固化一定时间制备浸渍增强的3D打印复合材料。解决了现有技术的3D打印木塑复合材料在应用过程中存在综合力学性能差、各项异性高等问题。本发明制备的高强度、低各向异性的3D打印复合材料，生产成本低，有效利用了木质纤维原料，对环境无污染。

Description

一种浸渍增强的3D打印复合材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种3D打印复合材料及其制造方法，具体涉及一种浸渍增强的3D打印复合材料及其制造方法，属于材料加工领域。
背景技术
增材制造又叫3D打印，是一种按照电脑辅助设计模型逐层生产并最终形成完整产品(金属、聚合物、陶瓷以及复合材料等)的材料加工方法。随着增材制造技术的不断提高和发展，3D打印已经被广泛应用于生物、医学、电子、建筑以及手工制造等行业。相对于传统制造方法，如挤出成型、模压成型等，3D打印以其能够快速成型结构复杂而精细产品的优势而越来越受到为满足日益丰富的物质精神需求的人们的重视和关注，越来越多的3D打印气息已经逐渐渗透到人们的生活当中，大到房屋制造，小到微纳米电子设备。
随着3D打印技术的不断更新和提高，3D打印技术和材料已经被推广到教育、娱乐、生产等与人们生活工作息息相关的众多领域。但在更多功能性方面的应用如建筑、电子器件、生物支架、组织替换等，3D打印技术成型材料还不能满足这些特殊应用条件下的性能需求，如力学强度、热稳定性、性能均一性等。3D打印在成型过程中，高温下熔融挤出的聚合物在打印平台迅速冷却沉积，当下一层聚合物继续打印时两层之间的聚合物并不能完全熔为一体，二者界面结合较差，而导致材料性能降低，同时，熔融沉积材料的力学性能还依赖于打印方向的选择，使材料表现出较大的各向异性，这很大程度上限制了材料的广泛应用。
同时，3D打印复合材料的性能具有较强的打印方向依赖性，一般沿打印方向的性能要好于垂直打印方向，同时在同一平面上，不同打印位置的力学性质也各有差异，这主要是由打印过程中聚合物彼此之间在一定温差作用下的不均衡熔融所致。借助热固性树脂的各向同性特征，将其与其它材料的混合物在一定条件下与3D打印的热塑性材料复合，制备高强度、同质性能的纳米复合材料成为3D打印材料的新趋势。
木质纤维原料如木粉、农作物秸秆和甘蔗渣等以其高强重比、来源广、成本低的特点，已经被用来增强3D打印材料制备高强度多功能的复合材料。因此，利用木质纤维原料来增强3D打印材料，同时通过热固性树脂浸渍3D打印复合材料，将为3D打印强度高、性能均一的复合材料开辟一条新途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种浸渍增强的3D打印材料及其制造方法，以解决上述背景技术中提出的现有3D打印木塑复合材料在应用过程中存在综合力学性能差、各项异性高等问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种浸渍增强的3D打印复合材料包括3D打印木塑复合材料和热固性树脂-添加剂的混合物。
优选地，所述3D打印木塑复合材料包括热塑性聚合物和木质纤维原料，所述热塑性聚合物为聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、热塑性聚氨酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、聚碳酸酯、聚甲醛和聚丙烯中的一种或其中几种的混合物；所述木质纤维原料为木粉、农作物秸秆粉和竹粉中的一种或者其中几种的混合物；所述农作物秸秆粉为水稻秸秆、黄豆秸秆、玉米秸秆、棉秆或剑麻秆的一种或几种的混合物。
优选地，所述热固性树脂为丙烯酸树脂、环氧树脂、有机硅树脂、呋喃树脂、不饱和聚酯、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、环氧-聚酰胺中一种或者几种的混合物；所述添加剂为纤维素纳米晶、含木质素的纤维素纳米晶和甲基丙烯酸甲酯接枝改性的纤维素纳米晶中的一种或其中几种的混合物；所述热固性树脂-添加剂混合物为丙烯酸树脂、环氧树脂、有机硅树脂、呋喃树脂、不饱和聚酯、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、环氧-聚酰胺中一种或者几种与纤维素纳米晶、含木质素的纤维素纳米晶和甲基丙烯酸甲酯接枝改性的纤维素纳米晶中的一种的混合物。
一种浸渍增强的3D打印复合材料的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：将所述热塑性聚合物和木质纤维原料按照一定比例混合通过双螺杆挤出机混合制备粒料；
步骤二：将步骤一制备的粒料通过单螺杆挤出机制备成线材；
步骤三：将步骤二制备的线材通过3D打印机制备成3D打印木塑复合材料；
步骤四：将步骤三制备的3D打印木塑复合材料浸渍于所述热固性聚合物-添加剂的混合物中；
步骤五：将步骤四浸渍的3D打印木塑复合材料固化0.1-12h制备浸渍增强的3D打印复合材料。
优选地，步骤一中所述热塑性聚合物和木质纤维原料混合通过双螺杆挤出机混合制备粒料中，热塑性聚合物为80-99份，木质纤维原料为1-20份；所述步骤二中线材的直径为5-8mm；所述步骤四中热固性树脂-添加剂的混合物中热固性树脂为90-99份，添加剂为1-10份。
优选地，步骤三中所述3D打印木塑复合材料的打印温度为200-240℃，打印速度为20-100mm/s，打印层厚为0.1-0.5mm，打印填充率为20-100％。
优选地，步骤三中所述3D打印木塑复合材料的打印方式为0°打印、90°打印、10°-80°交叉打印中的一种。
优选地，步骤四中所述浸渍热固性树脂-添加剂的条件为常温常压或常温真空，浸渍时间为常温常压24-48h或常温真空6-24h；
优选地，步骤五中所述浸渍的3D打印木塑复合材料的固化条件为高温加热、紫外照射和激光照射中的任一种。
优选地，所述高温加热中温度为80-160℃。
本发明所述浸渍增强的3D打印复合材料及其制造方法的工作原理为：所述浸渍增强的3D打印复合材料包括3D打印木塑复合材料、热固性树脂-添加剂的混合液，采用3D打印-浸渍-热处理或3D打印-浸渍-光固化的方式制备得到具有浸渍填充结构的3D打印复合材料。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制得的浸渍增强3D打印复合材料，具有高强度和低各项异性的特点。
(2)本发明制备的高强度、低各向异性的3D打印复合材料，生产成本低，有效利用了木质纤维原料，对环境无污染，可以应用到对材料各向同性性能要求较高的领域。
具体实施方式
为更好地阐明本发明的技术特征和优点，下面将结合具体实施例进行详细阐述，以使本发明更容易的被同领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更明确的界定。
实施例1
所述浸渍增强的3D打印复合材料的一种实施例，包含以下重量百分含量的制备原料：热塑性聚合物91％，木质纤维原料9％，其中热塑性聚合物为聚乳酸，木质纤维原料为杨木粉。热固性树脂-添加剂的浸渍混合物中，热固性树脂的含量为99％，添加剂的含量为1％，其中所述热固性树脂为丙烯酸树脂，添加剂为纤维素纳米晶。
本实施例所述浸渍增强的3D打印复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)造粒：将热塑性聚合物与木质纤维原料在高速搅拌机中混合，双螺杆熔融造粒，得到粒料A；
(2)拉丝：将粒料A加入到单螺杆挤出机中，经过165-170℃加热腔挤出，然后在40℃循环水冷却，制备线材B；
(3)打印：将线材B置入打印机进行3D打印木塑复合材料，打印温度为210℃，打印速度为60mm/s，打印层厚为0.1mm，打印填充率为80％，打印方式为0°打印，制备得到3D打印木塑复合材料C；
(4)浸渍：将3D打印木塑复合材料C浸渍于热固性树脂-添加剂混合物中，浸渍时间为24h，得到浸渍的3D打印复合材料D；
(5)固化：将浸渍的3D打印复合材料D在120℃下固化0.7h，制备得到浸渍增强的3D打印复合材料。
实施例2
所述浸渍增强的3D打印复合材料的一种实施例，包含以下重量百分含量的制备原料：热塑性聚合物95％，木质纤维原料5％，其中热塑性聚合物为聚乳酸，木质纤维原料为杨木粉。热固性树脂-添加剂的浸渍混合物中，热固性树脂的含量为99％，添加剂的含量为1％，其中所述热固性树脂为丙烯酸树脂，添加剂为纤维素纳米晶。
本实施例所述浸渍增强的3D打印复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)造粒：将热塑性聚合物与木质纤维原料在高速搅拌机中混合，双螺杆熔融造粒，得到粒料A；
(2)拉丝：将粒料A加入到单螺杆挤出机中，经过165-170℃加热腔挤出，然后在40℃循环水冷却，制备线材B；
(3)打印：将线材B置入打印机进行3D打印木塑复合材料，打印温度为210℃，打印速度为60mm/s，打印层厚为0.1mm，打印填充率为80％，打印方式为0°打印，制备得到3D打印木塑复合材料C；
(4)浸渍：将3D打印木塑复合材料C浸渍于热固性树脂-添加剂混合物中，浸渍时间为24h，得到浸渍的3D打印复合材料D；
(5)固化：将浸渍的3D打印复合材料D在120℃下固化0.7h，制备得到浸渍增强的3D打印复合材料。
实施例3
所述浸渍增强的3D打印复合材料的一种实施例，包含以下重量百分含量的制备原料：热塑性聚合物96％，木质纤维原料4％，其中热塑性聚合物为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，木质纤维原料为杨木粉。热固性树脂-添加剂的浸渍混合物中，热固性树脂的含量为99％，添加剂的含量为1％，其中所述热固性树脂为丙烯酸树脂，添加剂为纤维素纳米晶。
本实施例所述浸渍增强的3D打印复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)造粒：将热塑性聚合物与木质纤维原料在高速搅拌机中混合，双螺杆熔融造粒，得到粒料A；
(2)拉丝：将粒料A加入到单螺杆挤出机中，经过165-170℃加热腔挤出，然后在40℃循环水冷却，制备线材B；
(3)打印：将线材B置入打印机进行3D打印木塑复合材料，打印温度为210℃，打印速度为60mm/s，打印层厚为0.1mm，打印填充率为80％，打印方式为0°打印，制备得到3D打印木塑复合材料C；
(4)浸渍：将3D打印木塑复合材料C浸渍于热固性树脂-添加剂混合物中，浸渍时间为24h，得到浸渍的3D打印复合材料D；
(5)固化：将浸渍的3D打印复合材料D在120℃下固化0.7h，制备得到浸渍增强的3D打印复合材料。
实施例4
所述浸渍增强的3D打印复合材料的一种实施例，包含以下重量百分含量的制备原料：热塑性聚合物96％，木质纤维原料4％，其中热塑性聚合物为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，木质纤维原料为杨木粉。热固性树脂-添加剂的浸渍混合物中，热固性树脂的含量为95％，添加剂的含量为5％，其中所述热固性树脂为丙烯酸树脂，添加剂为纤维素纳米晶。
本实施例所述浸渍增强的3D打印复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)造粒：将热塑性聚合物与木质纤维原料在高速搅拌机中混合，双螺杆熔融造粒，得到粒料A；
(2)拉丝：将粒料A加入到单螺杆挤出机中，经过165-170℃加热腔挤出，然后在40℃循环水冷却，制备线材B；
(3)打印：将线材B置入打印机进行3D打印木塑复合材料，打印温度为210℃，打印速度为60mm/s，打印层厚为0.1mm，打印填充率为80％，打印方式为0°打印，制备得到3D打印木塑复合材料C；
(4)浸渍：将3D打印木塑复合材料C浸渍于热固性树脂-添加剂混合物中，浸渍时间为24h，得到浸渍的3D打印复合材料D；
(5)固化：将浸渍的3D打印复合材料D在120℃下固化0.7h，制备得到浸渍增强的3D打印复合材料。
对比例1
所述浸渍增强的3D打印复合材料的一种对比例，包含以下重量百分含量的制备原料：热塑性聚合物95％，木质纤维原料5％，其中热塑性聚合物为聚乳酸，木质纤维原料为杨木粉。
所述浸渍增强的3D打印复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)造粒：将热塑性聚合物与木质纤维原料在高速搅拌机中混合，双螺杆熔融造粒，得到粒料A；
(2)拉丝：将粒料A加入到单螺杆挤出机中，经过165-170℃加热腔挤出，然后在40℃循环水冷却，制备线材B；
(3)打印：将线材B置入打印机进行3D打印木塑复合材料，打印温度为210℃，打印速度为60mm/s，打印层厚为0.1mm，打印填充率为80％，打印方式为0°打印，制备得到3D打印木塑复合材料。
对比例2
所述浸渍增强的3D打印复合材料的一种对比例，包含以下重量百分含量的制备原料：热塑性聚合物96％，木质纤维原料4％，其中热塑性聚合物为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，木质纤维原料为杨木粉。
所述浸渍增强的3D打印复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)造粒：将热塑性聚合物与木质纤维原料在高速搅拌机中混合，双螺杆熔融造粒，得到粒料A；
(2)拉丝：将粒料A加入到单螺杆挤出机中，经过165-170℃加热腔挤出，然后在40℃循环水冷却，制备线材B；
(3)打印：将线材B置入打印机进行3D打印木塑复合材料，打印温度为210℃，打印速度为60mm/s，打印层厚为0.1mm，打印填充率为80％，打印方式为0°打印，制备得到3D打印木塑复合材料。
实施例5
测试实施例1-4、对比例1和2所述浸渍增强的3D打印复合材料横向和纵向的弹性模量和硬度，测试结果如表1。
表1实施例1-4、对比例1和2所述浸渍增强的3D打印复合材料横向和纵向的弹性模量和硬度。
从表1可以看出，与对比例1相比，实施例2所述浸渍增强的3D打印复合材料的弹性模量和硬度都有所提高，且横向和纵向的数值比较接近；与对比例2相比，实施例3所述浸渍增强的3D打印复合材料的弹性模量和硬度都显著提高，尤其是横向的弹性模量和硬度已经与纵向的比较接近，说明本发明所述的浸渍增强的3D打印复合材料具有较高的力学强度和较低的各向异性。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明并不局限于这些实施例，本领域的普通技术人员应当理解，任何不脱离很发明中心思想的推演或替换，都属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种浸渍增强的3D打印复合材料，其特征在于，包括3D打印木塑复合材料和热固性树脂-添加剂的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种浸渍增强的3D打印复合材料，其特征在于，所述3D打印木塑复合材料包括热塑性聚合物和木质纤维原料，所述热塑性聚合物为聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、热塑性聚氨酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、聚碳酸酯、聚甲醛和聚丙烯中的一种或其中几种的混合物；所述木质纤维原料为木粉、农作物秸秆粉和竹粉中的一种或者其中几种的混合物；所述农作物秸秆粉为水稻秸秆、黄豆秸秆、玉米秸秆、棉秆或剑麻秆的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种浸渍增强的3D打印复合材料，其特征在于，所述热固性树脂为丙烯酸树脂、环氧树脂、有机硅树脂、呋喃树脂、不饱和聚酯、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、环氧-聚酰胺中一种或者几种的混合物；所述添加剂为纤维素纳米晶、含木质素的纤维素纳米晶和甲基丙烯酸甲酯接枝改性的纤维素纳米晶中的一种或其中几种的混合物；所述热固性树脂-添加剂混合物为丙烯酸树脂、环氧树脂、有机硅树脂、呋喃树脂、不饱和聚酯、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、环氧-聚酰胺中一种或者几种与纤维素纳米晶、含木质素的纤维素纳米晶和甲基丙烯酸甲酯接枝改性的纤维素纳米晶中的一种的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种浸渍增强的3D打印复合材料的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将所述热塑性聚合物和木质纤维原料按照一定比例混合通过双螺杆挤出机混合制备粒料；
步骤二：将步骤一制备的粒料通过单螺杆挤出机制备成线材；
步骤三：将步骤二制备的线材通过3D打印机制备成3D打印木塑复合材料；
步骤四：将步骤三制备的3D打印木塑复合材料浸渍于所述热固性聚合物-添加剂的混合物中；
步骤五：将步骤四浸渍的3D打印木塑复合材料固化一定时间制备浸渍增强的3D打印复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种浸渍增强的3D打印复合材料的制造方法，其特征在于，步骤一所述热塑性聚合物和木质纤维原料混合通过双螺杆挤出机混合制备粒料中，热塑性聚合物为80-99份，木质纤维原料为1-20份；所述步骤二中线材的直径为5-8mm；所述步骤四中热固性树脂-添加剂的混合物中热固性树脂为90-99份，添加剂为1-10份。
6.根据权利要求4所述的一种浸渍增强的3D打印复合材料的制造方法，其特征在于，步骤三中所述3D打印木塑复合材料的打印温度为200-240℃，打印速度为20-100mm/s，打印层厚为0.1-0.5mm，打印填充率为20-100％。
7.根据权利要求4所述的一种浸渍增强的3D打印复合材料的制造方法，其特征在于，步骤三中所述3D打印木塑复合材料的打印方式为0°打印、90°打印、10°-80°交叉打印中的一种。
8.根据权利要求4所述的一种浸渍增强的3D打印复合材料的制造方法，其特征在于，步骤四中所述浸渍热固性树脂-添加剂的条件为常温常压或常温真空，浸渍时间为常温常压24-48h或常温真空6-24h。
9.根据权利要求4所述的一种浸渍增强的3D打印复合材料的制造方法，其特征在于，步骤五中所述浸渍的3D打印木塑复合材料的固化条件为高温加热、紫外照射和激光照射中的任一种。
10.根据权利要求9所述的一种浸渍增强的3D打印复合材料的制造方法，其特征在于，所述高温加热中温度为80-160℃。
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