CN111873415A - 一种基于增材制造技术的高强度轻量化家具及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于增材制造技术的高强度轻量化家具及其生产方法，属于家居材料制备领域。包括如下步骤：纳米纤维素的预处理、纳米纤维素‑树脂搅拌共混、挤压成粒和3D打印四个步骤。本发明通过将木塑复合材作为打印材料，采用增材制造技术生产出结构韧性好、强度高，形状功能化、个性化的家具，通过将纤维素经过碱溶解、再结晶后，减弱微纳米纤维素之间的氢键作用力，并采用分散剂分散微纤维素颗粒，可以在纤维素颗粒表面形成双分子层结构，将纳米纤维素均匀地分散在树脂基体上，解决了纳米纤维素的团聚问题。

Description

一种基于增材制造技术的高强度轻量化家具及其生产方法
技术领域
本发明属于家居材料制备领域，尤其是一种基于增材制造技术的高强度轻量化家具及其生产方法。
背景技术
在传统的家具制造过程中，存在如下问题：一方面，复杂的生产工艺对制造环节的配合要求很高，在生产过程中，需经历备料、下料、木工制作、组装、修补、底漆、面漆等复杂的制造环节，家具产品深刻地体现了大规模生产的组装性特征，其优品率受到具体生产条件的制约。另一方面，由于复杂的生产工艺条件的限制，家具产品在设计过程经常考虑的是如何减少设计细节、简化造型特征等问题，导致家具产品外观存在一定的局限性，对人体工程学、消费者心理学的满足程度偏低，生产出的家具产品难以满足市场需求时。
以上传统家具制造过程中出现的问题，可以借助增材制造技术找到新的解决方式。增材制造技术的应用可使家具产品呈现出明显的一体成型和免组装特征。增材制造技术突破了家具产品的传统生产工艺限制，激发了家具产品的美学潜能，体现出一体化的设计语言。但是现有技术中，打印材料更多的为高分子合成材料，比如尼龙或玻璃纤维等耗材，虽然具有韧性好、强度高，适合坐具、卧具、柜类等承重要家居，但是这些耗材在长期偏高温环境下，会与空气中的氧发生氧化作用，开始时颜色变褐，继而破碎开裂；而且由于其热膨胀作用使制品尺寸稳定性较难控制。
发明内容
发明目的：提供一种基于增材制造技术的高强度轻量化家具及其生产方法，以解决背景技术中所涉及的问题。
技术方案：一种高强度轻量化家具的增材制造方法，包括如下步骤：
步骤1、预处理：然后将纳米纤维素分散液放入到冷冻干燥箱中进行冷冻干燥，冷冻干燥完全，形成为纳米纤维素固体粉末；
步骤2、搅拌共混：将上述固体粉末、高密度聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙二醇以及其它助剂充分搅拌混合，形成共混料；
步骤3、挤压成粒：将上述共混料通过同向锥形的双螺杆挤压机熔融、挤出并切粒，其中，上述双螺杆挤压机中各段温度分别为120～135℃、140～155℃、155～170℃、155～170℃、120～135℃，转速为150～180rpm，得到粒料，然后于100～105℃充分干燥8～12h；
步骤4、3D打印：首先将单螺杆挤出机移植到FDM打印设备上，然后将所得粒料通过单螺杆挤出机挤出，并在3D打印机的牵引，通过绕线加工成3D成品，其中，所述单螺杆挤出机的各段温度分别为160～170℃、160～175℃、175～190℃、175～190℃，牵引速度为50～60mm/s。
优选地，所述纳米纤维素为低结晶度的微纳米纤维素。其中，所述微纳米纤维素的制备工艺包括如下步骤：
步骤11、将红木粉在高速剪切机中进行剪切处理，然后将产物过300～350目筛，得到微纤维素晶体；
步骤12、将微纤维素晶体放入质量分数为8～12%的碱液中，搅拌均匀至完全溶解，在-12～-6℃冰箱中冷冻24～48h；
步骤13、将冷冻后的纤维素溶液置于凝固液中再结晶，并通过抽滤、洗涤得到微纳米纤维素晶体；
步骤14、将洗至中性的微纳米纤维素晶体、聚乙二醇加入去离子水在均质机中进行均质化，形成纳米纤维素分散液，将得到的产物放入冰箱冷藏备用。
优选地，所述凝固浴至少包括蒸馏水、乙醇、甲醇、乙二醇中的一种溶剂。
优选地，所述碱液为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。
优选地，所述红木粉为花梨粉、黄檀粉、酸枝粉中的一种。
优选地，所述步骤14中均质过程中，均质温度为2～6℃，均质压力为30～50MPa。
优选地，所述共混料以重量份数计，包括如下组分：微纳米纤维素固体粉末50～60份、高密度聚乙烯40～50份、马来酸酐接枝聚乙烯10～20份、聚乙二醇3～6份、润滑剂1～3份、增韧剂1～4、增塑剂1～5份。
本发明还提供一种基于上述高强度轻量化家具的增材制造方法制备得到的高强度、镂空结构化、轻量化的家具。
有益效果：本发明涉及一种基于增材制造技术的高强度轻量化家具及其生产方法，通过将木塑复合材作为打印材料，采用增材制造技术生产出结构韧性好、强度高，形状功能化、个性化的家具，解决了传统家具制造过程中形状固定的问题；首先通过将纤维素经过碱溶解、再结晶后，以此可以大大减弱微纳米纤维素之间的氢键作用力，并采用分散剂分散微纤维素颗粒，可以在纤维素颗粒表面形成双分子层结构，将纳米纤维素均匀地分散在树脂基体上，解决了纳米纤维素的团聚问题。通过控制各纤维和树脂组分的含量，相互协调配合，得到最优的流变性能和较强的面的力学性能和热稳定性能。
附图说明
图1是本发明中微纳米纤维素纤丝电镜图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
现有技术中常用的打印耗材存在稳定性差、价格昂贵且不可再生等问题。因此，近年来木塑复合材料以其丰富的原料优势和独特的性能得到迅速发展和推广，但是现有的木塑复合材料还存在很多的不足之处，如比重大，强度低，特别是冲击韧性差，其根本原因是由于木粉只起到了填充相的作用，而未真正起到增强相的效果。
由于木粉中的纤维更多的是起到填充的作用，为岛屿相，而高分子材料为连续相，对纤维起到包裹的作用，而要让纤维起到真正的增强相的作用，需要将纤维“帚化”，即纤维如网状细丝在塑料基体中缠结交错，但是由于纤维素表面存在大量的羟基，由于羟基之间的氢键作用力，导致纤维素微粒在储存过程中很容易发生团聚，进而导致木粉只起到了填充相的作用，甚至会堵塞喷头。
本发明提供一种高强度轻量化家具的增材制造方法，包括如下步骤：
步骤1、预处理：然后将纳米纤维素分散液放入到冷冻干燥箱中进行冷冻干燥，冷冻干燥完全，形成为纳米纤维素固体粉末；步骤2、搅拌共混：将上述固体粉末、高密度聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙二醇以及其它助剂充分搅拌混合，形成共混料；步骤3、挤压成粒：将上述共混料通过同向锥形的双螺杆挤压机熔融、挤出并切粒，其中，上述双螺杆挤压机中各段温度分别为120～135℃、140～155℃、155～170℃、155～170℃、120～135℃，转速为150～180rpm，得到粒料，然后于100～105℃充分干燥8～12h；步骤4、3D打印：首先将单螺杆挤出机移植到FDM打印设备上，然后将所得粒料通过单螺杆挤出机挤出，并在3D打印机的牵引，通过绕线加工成3D成品，其中，所述单螺杆挤出机的各段温度分别为160～170℃、160～175℃、175～190℃、175～190℃，牵引速度为50～60mm/s。
如此设计，将纳米纤维素均匀地分散在树脂基体上，申请人通过采用分散剂分散微纤维素颗粒，可以在纤维素颗粒表面形成双分子层结构，由于外层结构的电性相同，在静电作用下，达到良好的分散作用，即使在冷冻干燥后中，纤维素颗粒的双层分子结构仍能保存下来，将纳米纤维素均匀地分散在共混料中，解决了纳米纤维素的团聚问题。
在进一步实施例中，所述纳米纤维素为低结晶度的微纳米纤维素。其中，所述微纳米纤维素的制备工艺包括如下步骤：首先将红木粉在高速剪切机中进行剪切处理，然后将产物过300～350目筛，得到微纤维素晶体；然后将微纤维素晶体放入质量分数为8～12%的碱液中，搅拌均匀至完全溶解，在-12～-6℃冰箱中冷冻24～48h；然后将冷冻后的纤维素溶液置于凝固液中再结晶，并通过抽滤、洗涤得到微纳米纤维素晶体；将洗至中性的微纳米纤维素晶体、聚乙二醇加入去离子水在均质机中进行均质化，其中，均质温度为2～6℃，均质压力为30～50MPa，形成纳米纤维素分散液，将得到的产物放入冰箱冷藏备用。其中，所述凝固浴至少包括蒸馏水、乙醇、甲醇、乙二醇中的一种溶剂。所述碱液为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。所述红木粉为花梨粉、黄檀粉、酸枝粉中的一种。
如此设计，降低微纤维素颗粒的聚合度，减小团聚。一方面，通过将纤维素经过碱溶解、再结晶后，以此可以大大减弱微纳米纤维素之间的氢键作用力，使微纤维素颗粒更为分散，聚合度下降。另一方面，将纳米纤维素均匀地分散在塑料基体上，利用聚乙二醇的水溶液作为纳米纤维素和高密度聚乙烯的分散剂，由于聚乙二醇是水溶性和热塑性的非离子型线性高分子聚合物，溶于水后形成高粘度的液体，在低添加量下能促进纤维的良好分散，并通过高压均质机可以有效地破坏纤维素的聚集态结构，使纤维素在均质的过程中进一步破碎，尺寸进一步变小。通过附图1所示的电镜分析可以看出，上述工艺不仅没有造成纳米纤维素纤丝的皱缩和团聚构，而且由于纤维素大分子表面具有大量的羟基，羟基间相互吸引使纳米纤维素纤丝相互交织，形成网状缠绕结构。
在进一步实施例中，所述共混料以重量份数计，包括如下组分：微纳米纤维素固体粉末50～60份、高密度聚乙烯40～50份、马来酸酐接枝聚乙烯10～20份、聚乙二醇3～6份、润滑剂1～3份、增韧剂1～4、增塑剂1～5份。
如此设计，能够提高共混料的流变性能，以及成品材料的力学性能。具体来说，纳米纤维素纤丝为刚性体，具有大长径比的纤维容易相互缠结，在搅拌挤压过程中，时纤丝之间会产生加大作用力，阻碍共混料体系的流动性，因此共混料的剪切应力和表观粘度会随着纳米纤维素含量的增高呈现出增加趋势，经过实验验证，当纳米纤维素的含量为10%和20%时，共混料的剪切应力没有明显的变化，当纳米纤维素的含量逐渐升高到25%时，共混料的剪切应力和粘度则表现出明显增加的趋势。由于纳米纤维素纤丝之间纳相互交织，同时此时覆盖在纳米纤维表面的聚乙二醇可以降低纳米纤维纤丝的氢键作用力，然后与非极性的树脂分子起到桥接作用，达到增强效果，提高的成品材料的力学强度。另外，通过增加纳米纤维素的含量，能够降低纳米纤维素的热膨胀系数，对提高纤维的热稳定性具有重要意义。通过控制各组分的含量，相互协调配合，得到最优的流变性能和较强的面的力学性能和热稳定性能。
下面结合实施例，对本发明作进一步说明，所述的实施例的示例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
一种高强度轻量化家具的增材制造方法，包括如下步骤：
步骤1、预处理：首先将红木粉在高速剪切机中进行剪切处理，然后将产物过350目筛，得到微纤维素晶体；然后将微纤维素晶体放入质量分数为10%的氢氧化钠碱液中，搅拌均匀至完全溶解，在-8℃冰箱中冷冻36h；然后将冷冻后的纤维素溶液置于大量蒸馏水中再结晶，并通过抽滤、洗涤得到微纳米纤维素晶体；将洗至中性的微纳米纤维素晶体、聚乙二醇加入去离子水在均质机中进行均质化，其中，均质温度为4℃，均质压力为40MPa，形成纳米纤维素分散液，将得到的产物放入冰箱冷藏备用；然后将纳米纤维素分散液放入到冷冻干燥箱中进行冷冻干燥，冷冻干燥完全，形成为纳米纤维素固体粉末。
步骤2、搅拌共混：将上述固体粉末、高密度聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙二醇以及其它助剂充分搅拌混合，形成共混料；其中，所述共混料以重量份数计，包括如下组分：微纳米纤维素固体粉末46、高密度聚乙烯45份、马来酸酐接枝聚乙烯12份、聚乙二醇5份、润滑剂2份、增韧剂2、增塑剂3份。
步骤3、挤压成粒：将上述共混料通过同向锥形的双螺杆挤压机熔融、挤出并切粒，其中，上述双螺杆挤压机中各段温度分别为136℃、147℃、160℃、160℃、125℃，转速为160rpm，得到粒料。
步骤4、3D打印：首先将单螺杆挤出机移植到FDM打印设备上，然后将所得粒料通过单螺杆挤出机挤出，并在3D打印机的牵引，通过绕线加工成3D成品，其中，所述单螺杆挤出机的各段温度分别为165℃、170℃、180℃、180℃，牵引速度为55mm/s。
实施例1-2～实施例1-7
在实施例在实施例1的基础上，所述共混料的配比进行调整，其具体配比和相关的力学性能如下表所示。（剪切应力、表观粘度均在25℃，剪切速度为150rpm的测试条件下测出）
Figure DEST_PATH_IMAGE002
从上表中，可以看出，当纤维素含量为40～50%左右时，其流变性能最优，适合3D打印的挤压、成型，且成品的力学性能、热也较为优秀。
实施例2
一种高强度轻量化家具的增材制造方法，包括如下步骤：
步骤1、预处理：首先将红木粉在高速剪切机中进行剪切处理，然后将产物过300目筛，得到微纤维素晶体；然后将微纤维素晶体放入质量分数为8%的氢氧化钠碱液中，搅拌均匀至完全溶解，在-12℃冰箱中冷冻24h；然后将冷冻后的纤维素溶液置于大量蒸馏水中再结晶，并通过抽滤、洗涤得到微纳米纤维素晶体；将洗至中性的微纳米纤维素晶体、聚乙二醇加入去离子水在均质机中进行均质化，其中，均质温度为6℃，均质压力为30MPa，形成纳米纤维素分散液，将得到的产物放入冰箱冷藏备用；然后将纳米纤维素分散液放入到冷冻干燥箱中进行冷冻干燥，冷冻干燥完全，形成为纳米纤维素固体粉末。
步骤2、搅拌共混：将上述固体粉末、高密度聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙二醇以及其它助剂充分搅拌混合，形成共混料；其中，所述共混料以重量份数计，包括如下组分：微纳米纤维素固体粉末46、高密度聚乙烯45份、马来酸酐接枝聚乙烯12份、聚乙二醇5份、润滑剂2份、增韧剂2、增塑剂3份。
步骤3、挤压成粒：将上述共混料通过同向锥形的双螺杆挤压机熔融、挤出并切粒，其中，上述双螺杆挤压机中各段温度分别为12℃、140℃、155℃、155℃、120℃，转速为150rpm，得到粒料。
步骤4、3D打印：首先将单螺杆挤出机移植到FDM打印设备上，然后将所得粒料通过单螺杆挤出机挤出，并在3D打印机的牵引，通过绕线加工成3D成品，其中，所述单螺杆挤出机的各段温度分别为160℃、160℃、175℃、175℃，牵引速度为50mm/s。
实施例3
一种高强度轻量化家具的增材制造方法，包括如下步骤：
步骤1、预处理：首先将红木粉在高速剪切机中进行剪切处理，然后将产物过350目筛，得到微纤维素晶体；然后将微纤维素晶体放入质量分数为12%的氢氧化钾碱液中，搅拌均匀至完全溶解，在-6℃冰箱中冷冻48h；然后将冷冻后的纤维素溶液置于大量蒸馏水中再结晶，并通过抽滤、洗涤得到微纳米纤维素晶体；将洗至中性的微纳米纤维素晶体、聚乙二醇加入去离子水在均质机中进行均质化，其中，均质温度为2℃，均质压力为50MPa，形成纳米纤维素分散液，将得到的产物放入冰箱冷藏备用；然后将纳米纤维素分散液放入到冷冻干燥箱中进行冷冻干燥，冷冻干燥完全，形成为纳米纤维素固体粉末。
步骤2、搅拌共混：将上述固体粉末、高密度聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙二醇以及其它助剂充分搅拌混合，形成共混料；其中，所述共混料以重量份数计，包括如下组分：微纳米纤维素固体粉末46、高密度聚乙烯45份、马来酸酐接枝聚乙烯12份、聚乙二醇5份、润滑剂2份、增韧剂2、增塑剂3份。
步骤3、挤压成粒：将上述共混料通过同向锥形的双螺杆挤压机熔融、挤出并切粒，其中，上述双螺杆挤压机中各段温度分别为135℃、155℃、170℃、170℃、135℃，转速为180rpm，得到粒料。
步骤4、3D打印：首先将单螺杆挤出机移植到FDM打印设备上，然后将所得粒料通过单螺杆挤出机挤出，并在3D打印机的牵引，通过绕线加工成3D成品，其中，所述单螺杆挤出机的各段温度分别为170℃、175℃、190℃、190℃，牵引速度为60mm/s。
检测例
通过对实施例1～实施例3得到的产品进行力学性质检测。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
检测结果表明，实施例1～3的获得的产品的力学性能较市售尼龙打印材料性能有一个突出进步，符合3D打印材料的力学强度。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (9)

1.一种高强度轻量化家具的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、预处理
将纳米纤维素分散液放入到冷冻干燥箱中进行冷冻干燥，冷冻干燥完全，形成为纳米纤维素固体粉末；
步骤2、搅拌共混
将上述固体粉末、高密度聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙二醇以及其它助剂充分搅拌混合，形成共混料；
步骤3、挤压成粒
将上述共混料通过同向锥形的双螺杆挤压机熔融、挤出并切粒，其中，上述双螺杆挤压机中各段温度分别为120～135℃、140～155℃、155～170℃、155～170℃、120～135℃，转速为150～180rpm，得到粒料，然后于100～105℃充分干燥8～12h；
步骤4、3D打印
将单螺杆挤出机移植到FDM打印设备上，然后将所得粒料通过单螺杆挤出机挤出，并在3D打印机的牵引，通过绕线加工成3D成品，其中，所述单螺杆挤出机的各段温度分别为160～170℃、160～175℃、175～190℃、175～190℃，牵引速度为50～60mm/s。
2.根据权利要求1所述的高强度轻量化家具的增材制造方法，其特征在于，所述纳米纤维素为低结晶度的微纳米纤维素。
3.根据权利要求2所述的高强度轻量化家具的增材制造方法，其特征在于，所述微纳米纤维素的制备工艺包括如下步骤：
步骤11、将红木粉在高速剪切机中进行剪切处理，然后将产物过300～350目筛，得到微纤维素晶体；
步骤12、将微纤维素晶体放入质量分数为8～12%的碱液中，搅拌均匀至完全溶解，在-12～-6℃冰箱中冷冻24～48h；
步骤13、将冷冻后的纤维素溶液置于凝固液中再结晶，并通过抽滤、洗涤得到微纳米纤维素晶体；
步骤14、将洗至中性的微纳米纤维素晶体、聚乙二醇加入去离子水在均质机中进行均质化，形成纳米纤维素分散液，将得到的产物放入冰箱冷藏备用。
4.根据权利要求3所述的高强度轻量化家具的增材制造方法，其特征在于，所述凝固浴至少包括蒸馏水、乙醇、甲醇、乙二醇中的一种溶剂。
5.根据权利要求3所述的高强度轻量化家具的增材制造方法，其特征在于，所述碱液为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。
6.根据权利要求3所述的高强度轻量化家具的增材制造方法，其特征在于，所述红木粉为花梨粉、黄檀粉、酸枝粉中的一种。
7.根据权利要求3所述的高强度轻量化家具的增材制造方法，其特征在于，所述步骤14中均质过程中，均质温度为2～6℃，均质压力为30～50MPa。
8.根据权利要求1所述的高强度轻量化家具的增材制造方法，其特征在于，所述共混料以重量份数计，包括如下组分：微纳米纤维素固体粉末50～60份、高密度聚乙烯40～50份、马来酸酐接枝聚乙烯10～20份、聚乙二醇3～6份、润滑剂1～3份、增韧剂1～4、增塑剂1～5份。
9.一种基于权利要求1～8中任一项所述的高强度轻量化家具的增材制造方法制备得到的高强度、镂空结构化、轻量化的家具。
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