CN110237784A - 木质素微/纳米球、增强聚乳酸3d打印材料及其制备方法 - Google Patents

木质素微/纳米球、增强聚乳酸3d打印材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高分子复合材料和3D打印材料领域，具体涉及一种可用于FDM型3D打印技术的木质素微/纳米球及相关增强聚乳酸3D打印材料。本发明以天然木质素、有机溶剂、聚乙烯醇、聚乳酸作为原料，通过恒温水浴反应、共混挤出得到木质素微/纳米球及其增强聚乳酸3D打印材料。制备过程为混合、水浴加热、烘干、共混挤出、拉丝等，整个制备工艺简单、重复性高，所制备的3D打印材料相比于纯聚乳酸，其力学性能显著提升，加工性能好，相比于普通木质素增强聚乳酸3D打印材料则光泽度高、打印时不易堵头和翘边，在家居、装饰、灯具、艺术和模型设计等领域有较高应用价值。

Description

木质素微/纳米球、增强聚乳酸3D打印材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料及3D打印材料领域，具体涉及一种木质素微/纳米球、增强聚乳酸3D打印材料及其制备方法。
背景技术
木质素是构成植物骨架的三大成分之一，在自然界中，木质素是含量仅次于纤维素的天然有机大分子，据统计，每年至少产生约7000万吨木质素及其副产品。然而，目前木质素利用率仍然很低，而且长期以来，木质素都是作为废物受到人们忽视，其中大部分木质素被直接燃烧，不仅利用率极低而且污染环境。为了实现木质素的高附加值利用，通常采用化学或物理改性的方法对木质素进行改性处理，来提高其利用率，其中化学改性方法包括乙酰化、异氰酸酯化、环氧化等，物理改性方法包括超声法、微波法、微乳液法、聚焦流微通道反应器法等制备微/纳米球。例如，中国专利CN109012608A公开了一种木质素纳米微球的制备方法及应用，通过微波乙酰化先对木质素进行疏水改性，然后溶于四氢呋喃溶剂中，最后通过溶剂交换及超声辅助，制备出木质素纳米微球，该纳米微球具有外表均匀、形状规整、分散性好、单孔分布且得率较高等优点。经过改性处理后的木质素，可通过化学反应和物理共混与酚醛树脂、聚氨酯、聚烯烃、橡胶、聚酯、聚醚等聚合物复合，所制备的复合材料具有力学性能优良、绿色环保、可功能化等优点。
聚乳酸（PLA）是一种比较常用的熔融沉积（FDM）型3D打印高分子材料，具有熔融时无难闻气味、可完全生物降解、对人体无毒无害等优点，但同时其韧性差、易断裂，且熔点较低、热稳定性差等力学性能的缺陷也限制了其应用范围。将木质素经改性处理后再与聚乳酸共混，制备改性木质素/聚乳酸复合材料是人们研究的热点之一。例如，中国专利CN106928670A公开了氧化改性木质素基聚乳酸复合材料及其制备方法与氧化装置，该专利先将木质素进行氧化改性，再用氧化改性木质素与聚乳酸、扩链剂等经熔融共混制备复合材料，该复合材料具有优良的力学性能，解决现有木质素/聚乳酸复合材料复合过程中存在的剪切变稀的技术问题。
发明内容
为了充分发挥木质素在增强聚乳酸复合材料力学性能及其他性能方面的优点，本发明的首要目的是提供一种木质素微/纳米球，以特定的工艺制备，该工艺以市购或提取的木质素为原料，制备条件温和、耗时短，所制备的木质素微/纳米球的粒径均一可控、稳定性好、产率高。
本发明通过下述技术方案实现：
一种木质素微/纳米球，由包含如下步骤的方法制成：
（1）取一定量的聚乙烯醇，加入一定量的水中，并将其在60-80℃下加热至聚乙烯醇完全溶解，得聚乙烯醇水溶液；
（2）取一定量的木质素，加入一定量的有机溶剂，使用高速分散乳化机以乳化速度为10000-15000 r/min、乳化时间为30-60 s进行乳化分散，形成悬浊液，加入一定体积的步骤（1）制备的聚乙烯醇水溶液，20-60 ℃下恒温水浴搅拌加热3-5 h，形成水与有机溶剂体积比为2-5的乳浊液；
（3）将步骤（2）所得溶液取出，放入离心试管中，以转速为4000-9000 r/min、离心时间为5-15 min进行离心分离，去除滤液，再用去离子水洗，直至滤液为中性无色，此时木质素会吸附在离心管管壁。
（4）用少量水洗涤出离心管壁的木质素（此处水洗便于管壁上木质素的收集转移），并将其转移至玻璃器皿中，超声分散10-30 min后，冷冻干燥时间约12-24 h，得到粒径为50-1000 nm的木质素微/纳米球。
优选的，步骤（1）所述聚乙烯醇的分子量为1500-5000，所得水溶液的浓度为2-10g/L。
优选的，步骤（2）所述的木质素为有机溶剂木质素、纤维素酶木质素、硫酸木质素和盐酸木质素中的一种或多种；所述有机溶剂为四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二氯甲烷、乙酸乙酯、乙醚、环己烷和1,4-二氧六环中的一种或两种的混合物；所述的木质素与有机溶剂悬浊液浓度为为0.5-6 g/L。
本发明的另一目的在于提供一种木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印材料，其原料包含上述木质素微/纳米球与聚乳酸进行共混而得。
优选的，所述增强聚乳酸3D打印材料包括以下重量百分比的原料：木质素微/纳米球0.1-3%、聚乳酸97-99.9%。
更优选的，所述木质素微/纳米球的粒径为50-1000 nm；所述聚乳酸的分子量为1.0×106-3.0×106。
上述木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一定质量比的木质素微/纳米球与聚乳酸通过高速混合机进行共混形成共混料；
（2）将共混料通过双螺杆挤出机熔融共混挤出并切粒，挤出机1~ 6段温度分别为155-165℃、165-175℃、165-175℃、165-175℃、170-175℃、170-175℃，得到粒料，于80-85℃充分干燥；
（3）将所得粒料通过单螺杆挤出机挤出、牵引、绕线加工成3D打印线材，挤出机的1-4段温度分别为170-180℃、175-185℃、180-190℃、180-190℃，牵引速度为50-60mm/s，即得，所得线材直径约为1.75mm或3mm，直径误差在±5%以内。
与现有技术相比，本发明具有以下明显优点：
本发明为充分发挥木质素的热塑性、阻燃和耐热性、防老化性、防紫外辐射、成核性以及生物降解等优点，以木质素为原料，首先采用操作简单、耗时短、条件温和的方法将其制备成粒径可控的木质素微/纳米球，然后将其与PLA及其他助剂经熔融挤出共混、拉丝成型制备具有高韧性、高光泽度的聚乳酸3D打印材料。本发明不仅有利于促进木质素的高值化利用，同时有助于PLA基3D打印材料的应用与推广。具体如下：
1）采用特定工艺制备木质素微球，通过选择不同的有机溶剂、改变聚乙烯醇浓度和制备工艺条件，可制备出粒径均一可控、稳定存在的木质素微/纳米球。
2）将木质素微/纳米球用于制备聚乳酸3D打印材料，显著增加了聚乳酸3D打印材料的力学性能和3D打印性能，其中仅添加0.5-2 %含量的木质素微/纳米球，其拉伸强度和弯曲强度相对于纯聚乳酸均显著提升，而且所制备的3D打印线材完全适用于FDM快速成型技术。
3）所制备的木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印材料具有较高的光泽度，呈现出亮棕色，所打印的制品无需打磨、上色。而且该材料为环境友好型可降解材料，不会产生白色污染等二次污染。
附图说明
图1木质素微/纳米球SEM图。
图2木质素微/纳米球的粒径分布图，平均粒径为150nm。
图3木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印线材。
图4木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印标准样条。
图5木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印作品。
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。
本发明实施例中所使用试剂除非特别说明，皆为市购常规试剂或原料，实施例所使用的试验方法除非特别说明，皆为本领域常规方法。对材料进行力学性能测试的具体方法如下：拉伸试验参照国标GB 1040-2006标准执行，拉伸速度为5 mm/min；弯曲试验参照国标GB 9341-2008标准执行，弯曲速度为5 mm/min；缺口冲击试验参照国标GB 1043-2008标准执行。
实施例1
（1）称取1 g分子量为1500的聚乙烯醇加入装有0.5 L水的烧杯中，并将其在80℃下加热至聚乙烯醇完全溶解，形成2 g/L的聚乙烯醇水溶液。
（2）取0.25 g有机溶剂木质素置于500 mL烧杯中，加入100 mL四氢呋喃，以10000r/min的转速高速乳化30 s，形成浓度为2.5 g/L的木质素与有机溶剂悬浊液。取步骤（1）所制备的聚乙烯醇水溶液200 mL加到上述悬浊液中，在水浴温度30 ℃下搅拌4 h，形成水与有机溶剂体积比为2的乳浊液。
（3）将步骤（2）所得乳浊液分批取出，放入离心试管中，以转速为9000 r/min、离心时间为10 min进行离心分离，去除滤液，再用去离子水洗，直至滤液为中性无色，此时木质素会吸附在离心管管壁。
（4）用少量水洗出离心管壁的木质素，并将其转移至玻璃器皿中，超声分散20 min后，冷冻干燥时间24 h，得到平均粒径为150 nm的木质素微/纳米球。所制得的木质素微/纳米球扫描电镜图和粒径分布图见说明书附图1、2。
（5）将干燥后的木质素微/纳米球与聚乳酸0.5﹕99.5（质量比）比例在高速混合机中混合5 min后取出，得混合料。
（6）将步骤（5）中制备的混合料通过双螺杆挤出机熔融共混挤出并切粒，挤出机1-6段温度分别为160 ℃、165 ℃、170 ℃、170 ℃、175 ℃、175 ℃，主机和喂料机转速分别为20 r/min和10 r/min，得到粒料，于80-85℃充分干燥。
（7）将步骤（6）所得粒料通过单螺杆挤出机挤出、牵引、绕线加工成3D打印线材，挤出机的1-4段温度分别为175 ℃、180 ℃、185 ℃和185 ℃，牵引速度为60mm/s，即得，所得线材直径约为1.75mm或3mm，直径误差在±5%以内。
（8）收卷后的单丝通过桌面式FDM型3D打印机进行打印测试，打印温度（喷嘴）为200 ℃（可根据实际情况调整），喷嘴直径0.4 mm，打印速度55 mm/min，打印平台温度不固定。
对通过3D打印制得的标准样条按照国家标准进行力学性能测试，本实施例制备的木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印材料的力学性能和3D打印性能检测结果见表1。
实施例2
（1）称取2 g分子量为2000的聚乙烯醇加入装有0.5 L水的烧杯中，并将其在80℃下加热至聚乙烯醇完全溶解，形成4 g/L的聚乙烯醇水溶液。
（2）取0.5 g纤维素酶木质素置于500 mL烧杯中，加入100 mL N，N-二甲基甲酰胺，以12000 r/min的转速高速乳化30 s，形成浓度为5 g/L的木质素与有机溶剂悬浊液。取步骤（1）所制备的聚乙烯醇水溶液300 mL加到上述悬浊液中，在水浴温度40℃下搅拌4 h，形成水与有机溶剂体积比为3的乳浊液。
（3）将步骤（2）所得乳浊液分批取出，放入离心试管中，以转速为6000 r/min、离心时间为10 min进行离心分离，去除滤液，再用去离子水洗，直至滤液为中性无色，此时木质素会吸附在离心管管壁。
（4）用少量水洗出离心管壁的木质素，并将其转移至玻璃器皿中，超声分散20 min后，冷冻干燥时间24 h，得到平均粒径为200 nm的木质素微/纳米球。
（5）将干燥后的木质素微/纳米球与聚乳酸1﹕99（质量比）比例在高速混合机中混合5 min后取出，得混合料。
其余（6）、（7）、（8）的实验步骤与实施例1的相同。本实施例制备的木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印材料的力学性能和3D打印性能检测结果见表1。
实施例3
（1）称取3 g分子量为3000的聚乙烯醇加入装有0.5 L水的烧杯中，并将其在80℃下加热至聚乙烯醇完全溶解，形成6 g/L的聚乙烯醇水溶液。
（2）取0.25 g硫酸木质素置于500 mL烧杯中，加入100 mL二氯甲烷，以14000 r/min的转速高速乳化30 s，形成浓度为2.5 g/L的木质素与有机溶剂悬浊液。取步骤（1）所制备的聚乙烯醇水溶液300 mL加到上述悬浊液中，在水浴温度50℃下搅拌4 h，形成水与有机溶剂体积比为3的乳浊液。
（3）将步骤（2）所得乳浊液分批取出，放入离心试管中，以转速为8000 r/min、离心时间为10 min进行离心分离，去除滤液，再用去离子水洗，直至滤液为中性无色，此时木质素会吸附在离心管管壁。
（4）用少量水洗出离心管壁的木质素，并将其转移至玻璃器皿中，超声分散20 min后，冷冻干燥时间24 h，得到平均粒径为300 nm的木质素微/纳米球。
（5）将干燥后的木质素微/纳米球与聚乳酸1.5﹕98.5（质量比）比例在高速混合机中混合5 min后取出，得混合料。
其余（6）、（7）、（8）的实验步骤与实施例1的相同。本实施例制备的木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印材料的力学性能和3D打印性能检测结果见表1。
实施例4
（1）称取2 g分子量为2000的聚乙烯醇加入装有0.5 L水的烧杯中，并将其在80℃下加热至聚乙烯醇完全溶解，形成4 g/L的聚乙烯醇水溶液。
（2）取0.25 g有机溶剂木质素置于500 mL烧杯中，加入100 mL乙酸乙酯，以10000r/min的转速高速乳化30 s，形成浓度为2.5 g/L的木质素与有机溶剂悬浊液。取步骤（1）所制备的聚乙烯醇水溶液200 mL加到上述悬浊液中，在水浴温度60℃下搅拌4 h，形成水与有机溶剂体积比为2的乳浊液。
（3）将步骤（2）所得乳浊液分批取出，放入离心试管中，以转速为9000 r/min、离心时间为10 min进行离心分离，去除滤液，再用去离子水洗，直至滤液为中性无色，此时木质素会吸附在离心管管壁。
（4）用少量水洗出离心管壁的木质素，并将其转移至玻璃器皿中，超声分散20 min后，冷冻干燥时间24 h，得到平均粒径为200 nm的木质素微/纳米球。
（5）将干燥后的木质素微/纳米球与聚乳酸1﹕99（质量比）比例在高速混合机中混合5 min后取出，得混合料。
本实施例制备的木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印线材、标准样条和打印作品见说明书附图3-5。其余（6）、（7）、（8）的实验步骤与实施例1的相同。本实施例制备的木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印材料的力学性能和3D打印性能检测结果见表1。
对比例1
本对比例除木质素未经步骤（1）-步骤（4）制备木质素微/纳米球外，其余步骤和工艺条件与实施例4相同。本对比例制备的木质素增强聚乳酸3D打印材料的力学性能和3D打印性能检测结果见表1。
对比例2
本对比例除不加聚乙烯醇外，其余步骤和工艺条件与实施例4相同。本对比例制备的木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印材料的力学性能和3D打印性能检测结果见表1。
表1 木质素微/纳米球增强聚乳酸3D打印材料的力学性能
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)

1.一种木质素微/纳米球，其特征在于，由包含如下步骤的方法制成：
（1）取一定量聚乙烯醇加入水中，加热至聚乙烯醇完全溶解，得聚乙烯醇水溶液；
（2）取一定量木质素加入有机溶剂中，通过乳化分散形成悬浊液；将步骤（1）所得聚乙烯醇水溶液加入到所述悬浊液中，然后再进行加热搅拌，形成乳浊液；
（3）将步骤（2）所得乳浊液进行离心分离，去除滤液，再用水洗去杂；
（4）将离心管壁的木质素用水洗涤转移，超声分散后，再冷冻干燥，即得木质素微/纳米球。
2.根据权利要求1所述的木质素微/纳米球，其特征在于：所用木质素为有机溶剂木质素、纤维素酶木质素、硫酸木质素和盐酸木质素中的一种或多种；所用有机溶剂为四氢呋喃、1,4-二氧六环、二氯甲烷、乙酸乙酯、乙醚、环己烷和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或两种的混合物；所用聚乙烯醇分子量为1500-3000。
3.根据权利要求1所述的木质素微/纳米球，其特征在于：步骤（1）制备聚乙烯醇水溶液通过60-80℃恒温水浴条件加热，所得聚乙烯醇水溶液的浓度为2-10 g/L。
4.根据权利要求1所述的木质素微/纳米球，其特征在于：步骤（2）所述乳化分散中的乳化速度为10000-15000 r/min、乳化时间为30-60 s，所得悬浊液的浓度为0.5-6 g/L。
5.根据权利要求1所述的木质素微/纳米球，其特征在于：步骤（2）所制备的乳浊液中水与有机溶剂的体积比为2-5，制备乳浊液时通过20-60℃恒温水浴条件加热3-5 h。
6.根据权利要求1所述的木质素微/纳米球，其特征在于：步骤（3）所述离心分离的时间为5-15 min、转速为4000-9000 r/min；步骤（4）所述超声分散时间为10-30 min，冷冻干燥时间为12-24 h。
7.一种增强聚乳酸3D打印材料，其特征在于，其原料包括权利要求1-6任一项所述木质素微/纳米球和聚乳酸。
8.根据权利要求7所述增强聚乳酸3D打印材料，其特征在于，其原料包括：所述木质素微/纳米球0.1-3%、聚乳酸97- 99.9%。
9.根据权利要求7所述增强聚乳酸3D打印材料，其特征在于：所述木质素微/纳米球粒径100-1000 nm，所述聚乳酸的分子量为1.0×106 -3.0×106。
10.权利要求7-9任一项所述增强聚乳酸3D打印材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将所述木质素微/纳米球与聚乳酸按比例经高速混合形成共混料；
（2）将所得共混料通过双螺杆挤出机熔融共混挤出并切粒，挤出机1-6段温度分别为155-165℃、165-175℃、165-175℃、165-175℃、170-175℃、170-175℃，得到粒料，于80-85℃充分干燥；
（3）将所得粒料通过单螺杆挤出机挤出、牵引、绕线加工成3D打印线材，挤出机的1-4段温度分别为170- 180℃、175-185℃、180-190℃、180-190℃，牵引速度为50-60mm/s，即得。
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