CN110305453A - 一种耐收缩翘曲的pbt 3d打印线材及其制备方法 - Google Patents

一种耐收缩翘曲的pbt 3d打印线材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材及其制备方法。该方法按重量百分比由PBT 50~65、PBAT 15~25、弹性体‑芳纶浆粕复合物10‑25、增容剂3~8、增粘剂3~8、酯交换促进剂0.2~2、抗氧剂0.2~1和石蜡油0.2~1组成，通过干燥去湿、物料混合、熔融共混、挤出定型和牵引收卷制成耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材。该线材在较低底板温度条件下成型不产生收缩翘曲现象，同时具有优异的机械性能、良好的粘结性能和优良的成型性能，应用范围广，尤其适合工程领域的3D打印。

Description

一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材及其制备方法。
背景技术
增材制造又称3D打印，是一种集合数字软件、机械和材料多学科为一体的新型制造技术。它以材料堆积成型为特点，广泛应用于医疗、教育、军工等领域。熔融沉积成型作为3D打印的主流技术之一，由于其具有成本低廉、低温成型、操作安全等特性备受人们瞩目。
PBT树脂是由丁二醇和对苯二甲酸或对苯二甲酸酯聚合得到的工程塑料，该材料具有优越的加工性能、机械性能和耐化学腐蚀性。但是，PBT树脂在熔融沉积成型过程中，由于3D打印开放成型方式，缺少模具保压定型作用，在降温过程中易使分子链规整堆砌形成应力集中从而产生收缩翘曲现象，这会严重影响打印试样的尺寸和精度，继而造成打印失败。现有技术情况下主要通过提高底板温度（≥120℃）来克服收缩翘曲现象，这会提高打印成本和增加安全风险，不利于PBT材料的应用和推广。此外，3D打印为材料叠加制造，会形成界面作用力较弱的熔接痕，容易导致试样产生开裂现象，从而影响制件外观和用途。因此，着力解决上述不足对拓宽PBT材料在3D打印中的应用，其意义不言而喻。
发明内容
基于上述背景和问题，本发明的目的在于提供一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材及其制备方法。该方法以PBT树脂为原料，通过添加PBAT、弹性体-芳纶浆粕复合物、增容剂、增粘剂以及酯交换促进剂进行改性制备具有耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材。本发明制得的PBT 3D打印线材在较低底板温度条件下成型不产生收缩翘曲现象，同时具有优异的机械性能、良好的粘结性能和优良的成型性能，应用范围广，尤其适合工程领域的3D打印。
本发明的上述效果是通过如下技术方案实现的：一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于，组分按重量百分比计为：PBT 50~65%、PBAT 15~25%、弹性体-芳纶浆粕复合物10~25%、增容剂3~8%、增粘剂3~8%、酯交换促进剂0.2~2%、抗氧剂0.2~1%、石蜡油0.2~1%。
进一步，所述的弹性体-芳纶浆粕复合物中的弹性体为乙烯-丙烯酸甲酯共聚物（EMA）、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)、乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物（EMMA）一种或者多种以任意混合比混合而成。
进一步，所述的弹性体-芳纶浆粕复合物中弹性体与芳纶浆粕的质量比为0.5:1~3:1。
进一步，所述的增容剂为乙烯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物（PE-g-GMA）、乙烯接枝马来酸酐共聚物（PE-g-MA）、乙烯-丙烯酸正丁酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯(E-BA-GMA)一种或者多种以任意混合比混合而成。
进一步，所述的增粘剂为松香树脂、萜烯树脂、古马隆-茚树脂、C5石油树脂、C9石油树脂一种或者多种以任意混合比混合而成。
进一步，所述的酯交换促进剂为单丁基氧化锡、二丁基氧化锡、三氟甲基磺酸钐、三丁基氯化锡、丁基三氯化锡一种或者多种以任意混合比混合而成。
进一步，所述的抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯（抗氧剂1010）、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯（抗氧剂168）、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯（抗氧剂1076）一种或者多种以任意混合比混合而成。
基于同一发明购思本发明还提出一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）、弹性体-芳纶浆粕复合物的制备的步骤：
A.将弹性体、芳纶浆粕分别真空干燥；
B.将A步骤干燥后的弹性体、芳纶浆粕按照0.5:1~3:1的质量比准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料；
C.将B步骤的混合料通过连续混炼机进行混炼，得到弹性体-芳纶浆粕复合料，混炼温度90~120℃，挤出温度140~170℃，螺杆转速为35~55rpm；
2)、将PBT、 PBAT分别真空干燥，将 50~65%的PBT、15~25%的PBAT、0.2~2%的酯交换促进剂按照重量百分比准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料，将混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒A，料筒温度为180~250℃，螺杆转速为10~100rpm；
3）、将弹性体-芳纶浆粕复合物、增容剂、增粘剂和抗氧剂分别真空干燥，将干燥后各组份按如下重量百分比：弹性体-芳纶浆粕复合物10~25%、增容剂3~8%、增粘剂3~8%、抗氧剂0.2~1%、石蜡油0.2~1%准确称量，然后将步骤2)中制备而成的共混颗粒A与步骤3)称量后的各组分置于高速捏和机中混合均匀，得到混合料，混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒B，料筒温度为180~250℃，螺杆转速为10~100rpm；
4）、将步骤3）中制备的共混颗粒B通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到3D打印线材，料筒温度为200~250℃，螺杆转速为30~120rpm。
本发明的有益效果是：
（1）成型性能优。该材料不涉及无机材料添加，具有良好的成型性能，打印过程不存在堵头、气泡和毛刺等问题，打印连续性与持续性强，成型制品表面细腻光滑。
（2）耐收缩翘曲。该材料适应在较低底板温度下打印而不产生收缩翘曲现象，保证了成型制品的尺寸稳定性和精度，减少了成型过程的能耗，同时提高了打印的安全性。
（3）抗应力开裂。针对3D打印技术层层堆积形成的熔接痕，该材料有效增强了打印过程中的界面粘结力，防止产生开裂现象。
（4）机械性能较好。该材料不仅具有良好的成型性能，同时还具有较好的强度和韧性，适用于工程领域的应用。
(5) PBAT树脂作为一种新型的生物基材料，由己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯聚合得到，该材料不仅具有优良的加工性能和良好的冲击韧性，同时分子结构与PBT相类似，能与之发生酯交换反应。通过添加酯交换促进剂促进PBT与PBAT分子链间的交换作用，能够有效降低PBT的结晶能力，从而使体系形成更多的非晶结构和减少应力集中。在此基础上，加入适量的弹性体-芳纶浆粕复合物，进一步降低体系的翘曲变形，从而有效解决PBT在3D打印过程中发生的收缩翘曲问题。
附图说明
图1为改性后PBT 3D打印线材打印样品（下）与未改性PBT 3D打印线材打印样品（上）效果对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例子对本发明做进一步详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下实施例。
实施例1
一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于，组分按重量百分比计为：PBT 60%、PBAT 20%、EMMA-芳纶浆粕复合物12%、E-BA-GMA 3、萜烯树脂3%、二丁基氧化锡1%、1010抗氧剂 0.5%、石蜡油0.5%。
其制备方法，包括以下步骤：
A.将EMMA、芳纶浆粕分别真空干燥；
B.将A步骤干燥后的EMMA、芳纶浆粕按照质量比0.8:1准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料；
C.将B步骤的混合料通过连续混炼机进行混炼，得到EMMA-芳纶浆粕复合料，混炼温度105℃，挤出温度155℃，螺杆转速为43rpm。
D.将PBT、PBAT分别真空干燥，将PBT、PBAT、二丁基氧化锡按照上述重量百分比准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料，将混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒A，料筒温度为180、200、225、240、245、240℃，螺杆转速为65rpm。
E.将EMMA-芳纶浆粕复合物、E-BA-GMA、萜烯树脂和抗氧剂1010分别真空干燥，干燥后的各种树脂和石蜡油按照上述重量百分比配比准确称量，然后将D步骤制备的共混颗粒与E步骤称量后的各组分置于高速捏和机中混合均匀，得到混合料，混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒B，料筒温度为180、205、223、238、243、240℃，螺杆转速为55rpm；
F.将E步骤制备的共混颗粒B通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到3D打印线材，料筒温度为200、220、235、240、240、235℃，螺杆转速为35rpm；
G.将F步骤中得到的线材进行3D打印成型，测定3D打印样条线性尺寸极限偏差等级（GB/T1804-92）、拉伸强度（GB/T1040.2-2006）和冲击强度（GB/T1043.1-2008），同时观察样条是否存在开裂情况，测试结果见表1。
实施例2
一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于，组分按重量百分比计为：PBT 55%、PBAT 18%、EMA-芳纶浆粕复合物15%、PE-g-GMA 5%、松香树脂4%、单丁基氧化锡1.2%、168抗氧剂 0.8%、石蜡油1%。
其制备方法，包括以下步骤：
A.将EMA、芳纶浆粕分别真空干燥；
B.将A步骤干燥后的EMA、芳纶浆粕按照质量比1:1准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料；
C.将B步骤的混合料通过连续混炼机进行混炼，得到EMA-芳纶浆粕复合料，混炼温度95℃，挤出温度150℃，螺杆转速为35rpm。
D.将PBT、PBAT分别真空干燥，将PBT、PBAT、单丁基氧化锡按照上述重量百分比准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料，将混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒A，料筒温度为182、203、223、242、246、242℃，螺杆转速为60rpm。
E.将EMA-芳纶浆粕复合物、PE-g-GMA、松香树脂和抗氧剂168分别真空干燥，干燥后的各种树脂和石蜡油按照上述重量百分比配比准确称量，然后将D步骤制备的共混颗粒A与E步骤称量后的各组分置于高速捏和机中混合均匀，得到混合料，混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒B，料筒温度为184、200、225、240、243、243℃，螺杆转速为50rpm；
F.将E步骤制备的共混颗粒通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到3D打印线材，料筒温度为200、225、233、242、243、238℃，螺杆转速为40rpm；
G.将F步骤中得到的线材进行3D打印成型，测定3D打印样条线性尺寸极限偏差等级（GB/T1804-92）、拉伸强度（GB/T1040.2-2006）和冲击强度（GB/T1043.1-2008），同时观察样条是否存在开裂情况，测试结果见表1。
实施例3
一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于，组分按重量百分比计为：PBT 50%、PBAT 20%、EEA-芳纶浆粕复合物20%、PE-g-MA 5%、C5石油树脂3%、丁基三氯化锡0.8%、1076抗氧剂0.5%、石蜡油0.7%。
其制备方法，包括以下步骤：
A.将EEA、芳纶浆粕分别真空干燥；
B.将A步骤干燥后的EEA、芳纶浆粕按照质量比2:1准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料；
C.将B步骤的混合料通过连续混炼机进行混炼，得到EEA-芳纶浆粕复合料，混炼温度90℃，挤出温度145℃，螺杆转速为50rpm。
D. 将PBT、PBAT分别真空干燥，将PBT、PBAT、丁基三氯化锡按照上述重量百分比准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料，将混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒A，料筒温度为180、198、225、243、245、240℃，螺杆转速为45rpm。
E.将弹性体-芳纶浆粕复合物、增容剂、增粘剂和抗氧剂分别真空干燥，干燥后的各种树脂和石蜡油按照上述重量百分比配比准确称量，然后将D步骤制备的共混颗粒A与E步骤称量后的各组分置于高速捏和机中混合均匀，得到混合料，混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒B，料筒温度为183、202、225、243、245、240℃，螺杆转速为50rpm；
F.将E步骤制备的共混颗粒B通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到3D打印线材，料筒温度为202、223、235、242、245、240℃，螺杆转速为35rpm；
G.将F步骤中得到的线材进行3D打印成型，测定3D打印样条线性尺寸极限偏差等级（GB/T1804-92）、拉伸强度（GB/T1040.2-2006）和冲击强度（GB/T1043.1-2008），同时观察样条是否存在开裂情况，测试结果见表1。
实施例4
一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于，组分按重量百分比计为：PBT 62%、PBAT 15%、EMMA-芳纶浆粕复合物13%、PE-g-GMA 4%、C9石油树脂4%、三丁基氯化锡1%、抗氧剂168 0.5%、石蜡油0.5%。
其制备方法，包括以下步骤：
A.将EMMA、芳纶浆粕分别真空干燥；
B.将A步骤干燥后的EMMA、芳纶浆粕按照质量比0.5:1准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料；
C.将B步骤的混合料通过连续混炼机进行混炼，得到EMMA-芳纶浆粕复合料，混炼温度98℃，挤出温度145℃，螺杆转速为35rpm。
D. 将PBT、PBAT分别真空干燥，将PBT、PBAT、三丁基氯化锡按照上述重量百分比准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料，将混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒A，料筒温度为180、195、225、245、245、235℃，螺杆转速为62rpm。
E.将EMMA-芳纶浆粕复合物、PE-g-GMA、C9石油树脂和抗氧剂168分别真空干燥，干燥后的各种树脂和石蜡油按照上述重量百分比配比准确称量，然后将D步骤制备的共混颗粒A与E步骤称量后的各组分置于高速捏和机中混合均匀，得到混合料，混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒B，料筒温度为180、200、223、245、245、242℃，螺杆转速为55rpm；
F.将E步骤制备的共混颗粒B通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到3D打印线材，料筒温度为200、225、235、245、245、243℃，螺杆转速为45rpm；
G.将F步骤中得到的线材进行3D打印成型，测定3D打印样条线性尺寸极限偏差等级（GB/T1804-92）、拉伸强度（GB/T1040.2-2006）和冲击强度（GB/T1043.1-2008），同时观察样条是否存在开裂情况，测试结果见表1。
实施例5
一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于，组分按重量百分比计为：PBT 52%、PBAT 16%、EMA-芳纶浆粕复合物22%、PE-g-GMA 3%、古马隆-茚树脂5%、三氟甲基磺酸钐0.8%、1076抗氧剂 0.4%、石蜡油0.8%。
其制备方法，包括以下步骤：
A.将EMA、芳纶浆粕分别真空干燥；
B.将A步骤干燥后的EMA、芳纶浆粕按照质量比0.6:1准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料；
C.将B步骤的混合料通过连续混炼机进行混炼，得到EMA-芳纶浆粕复合料，混炼温度102℃，挤出温度160℃，螺杆转速为45rpm。
D. 将PBT、PBAT分别真空干燥，将PBT、PBAT、三氟甲基磺酸钐按照上述重量百分比准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料，将混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒A，料筒温度为180、195、225、245、245、235℃，螺杆转速为62rpm。
E.将EMA-芳纶浆粕复合物、PE-g-GMA、古马隆-茚树脂和抗氧剂1076分别真空干燥，干燥后的各种树脂和石蜡油按照重量百分比配比准确称量，然后将D步骤制备的共混颗粒A与E步骤称量后的各组分置于高速捏和机中混合均匀，得到混合料，混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒B，料筒温度为180、200、220、245、248、240℃，螺杆转速为46rpm。
F.将E步骤制备的共混颗粒B通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到3D打印线材，料筒温度为200、224、238、244、247、242℃，螺杆转速为35rpm；
G.将F步骤中得到的线材进行3D打印成型，测定3D打印样条线性尺寸极限偏差等级（GB/T1804-92）、拉伸强度（GB/T1040.2-2006）和冲击强度（GB/T1043.1-2008），同时观察样条是否存在开裂情况，测试结果见表1。
对比例1
将PBT树脂真空干燥，通过熔融挤出、定型牵引制备3D打印线材，将线材进行3D打印成型，测定3D打印样条线性尺寸极限偏差等级（GB/T1804-92）、拉伸强度（GB/T1040.2-2006）和冲击强度（GB/T1043.1-2008），同时观察样条是否存在开裂情况，测试结果见表1。
表1 材料性能测试结果

Claims (8)

1.一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于，组分按重量百分比计为：PBT 50~65%、PBAT 15~25%、弹性体-芳纶浆粕复合物10~25%、增容剂3~8%、增粘剂3~8%、酯交换促进剂0.2~2%、抗氧剂0.2~1%、石蜡油0.2~1%。
2.根据权利要求1所述的一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于：所述的弹性体-芳纶浆粕复合物中的弹性体为乙烯-丙烯酸甲酯共聚物（EMA）、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)、乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物（EMMA）一种或者多种以任意混合比混合而成。
3.根据权利要求1所述的一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于：所述的弹性体-芳纶浆粕复合物中弹性体与芳纶浆粕的质量比为0.5:1~3:1。
4.根据权利要求1所述的一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于：所述的增容剂为乙烯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物（PE-g-GMA）、乙烯接枝马来酸酐共聚物（PE-g-MA）、乙烯-丙烯酸正丁酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯(E-BA-GMA)一种或者多种以任意混合比混合而成。
5.根据权利要求1所述的一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于：所述的增粘剂为松香树脂、萜烯树脂、古马隆-茚树脂、C5石油树脂、C9石油树脂一种或者多种以任意混合比混合而成。
6.根据权利要求1所述的一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于：所述的酯交换促进剂为单丁基氧化锡、二丁基氧化锡、三氟甲基磺酸钐、三丁基氯化锡、丁基三氯化锡一种或者多种以任意混合比混合而成。
7.根据权利要求1所述的一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材，其特征在于：所述的抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯（抗氧剂1010）、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯（抗氧剂168）、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯（抗氧剂1076）一种或者多种以任意混合比混合而成。
8.根据权利要求1至7任一所述的一种耐收缩翘曲的PBT 3D打印线材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）、弹性体-芳纶浆粕复合物的制备的步骤：
A.将弹性体、芳纶浆粕分别真空干燥；
B.将A步骤干燥后的弹性体、芳纶浆粕按照0.5:1~3:1的质量比准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料；
C.将B步骤的混合料通过连续混炼机进行混炼，得到弹性体-芳纶浆粕复合料，混炼温度90~120℃，挤出温度140~170℃，螺杆转速为35~55rpm;
2)、将PBT、 PBAT分别真空干燥，将 50~65%的PBT、15~25%的PBAT、0.2~2%的酯交换促进剂按照重量百分比准确称量，然后将称量后的各组分置于高速捏合机中混合均匀，得到混合料，将混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒A，料筒温度为180~250℃，螺杆转速为10~100rpm；
3）、将弹性体-芳纶浆粕复合物、增容剂、增粘剂和抗氧剂分别真空干燥，将干燥后各组份按如下重量百分比：弹性体-芳纶浆粕复合物10~25%、增容剂3~8%、增粘剂3~8%、抗氧剂0.2~1%、石蜡油0.2~1%准确称量，然后将步骤2)中制备而成的共混颗粒A与步骤3)称量后的各组分置于高速捏和机中混合均匀，得到混合料，混合料通过双螺杆挤出机熔融挤出造料，得到共混颗粒B，料筒温度为180~250℃，螺杆转速为10~100rpm；
4）、将步骤3）中制备的共混颗粒B通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到3D打印线材，料筒温度为200~250℃，螺杆转速为30~120rpm。
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