CN112625430A - 一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其增材制造应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其增材制造应用。咖啡渣聚合物复合粉末各成份质量配比为：咖啡渣0.1‑30％，表面改性剂0.1‑2％，聚合物粉末70‑99％。咖啡渣聚合物复合粉末制备方法包括：咖啡渣预处理、咖啡渣除油脂、咖啡渣表面改性和研磨、改性咖啡渣与聚合物粉末搅拌混合。所述制得的咖啡渣聚合物复合粉末采用激光烧结增材制造工艺制成产品，具有降低产品成本、降低产品尺寸收缩率、提高可降解性等优点，是一种节材环保的新途径。

Description

一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其增材制造应用
技术领域
本发明属于非金属材料激光烧结增材制造领域，具体涉及一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其在激光烧结增材制造中的应用。
背景技术
增材制造技术(又称3D打印)近些年在制造行业中应用范围逐步扩大，尤其是应用于复杂结构产品的制造。选择性激光烧结(Selective laser sintering，SLS)是一种应用广泛的增材制造成型工艺，是通过计算机选择性控制激光束路径、对金属或聚合物粉末进行逐层烧结的技术。SLS加工技术具有可加工各种复杂结构、无需支撑、生产周期短、精度较高等优点。可用于SLS加工技术的粉末材料目前主要有聚酰胺(尼龙)粉末和热塑性聚氨酯粉末，但价格(约380元/千克)较高，一定程度上限制了此技术的应用。
咖啡在世界上的贸易量仅次于石油及其衍生品。咖啡与可可、茶叶并列成为世界三大饮品，其中咖啡的产量和消费量居三大饮品之首。咖啡原本是是欧美人最重要日常饮品之一，目前咖啡也逐渐成为中国人民普遍喜爱的日常饮品。然而咖啡渣作为咖啡饮品的主要废弃产物，其回收再利用已成为我国建设环保节约型社会的难题之一。通过研究者近几年的探索，咖啡渣回收再利用已有不少可靠途径，例如制成复合生物燃料、功能纤维、活性炭吸附材料、植物肥料、复合塑料等。废弃的干燥咖啡渣价格约6元/千克，咖啡渣及其制品具有成本低的明显优势，除此之外还具有咖啡香味、易降解、抗紫外线等优点。中国专利CN109135221A已申请公开了咖啡渣在3D打印材料中的一种应用方案，研究人员将咖啡渣与聚乳酸熔融混合制备了打印线材，并应用于熔融沉积成型(FDM)增材制造技术。但目前咖啡渣在3D打印材料中的应用较少，尤其是缺乏咖啡渣在选择性激光烧结增材制造材料中的应用。
发明内容
针对上述背景技术存在的问题，本发明目的是提供一种环保低成本的咖啡渣复合粉末制备方法及其应用方案。研究人员可能会将咖啡渣和聚合物熔融混合、制备粉体、采用激光烧结增材制造产品，由于咖啡渣中的纤维较粗，所以这种思路制备精细粉体技术难度大、工序多、成本高。本发明则是将改性咖啡渣和聚合物粉末进行机械搅拌混合，通过选择性激光烧结加工后咖啡渣和聚合物熔为一体，具有工艺流程短、操作简单、低成本、尺寸收缩率低等优点。
本发明通过如下技术方案实现的：
(1)一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其增材制造应用，其特征在于，咖啡渣聚合物复合粉末包括质量百分比的原料为：咖啡渣0.1-30％，表面改性剂0.1-2％，聚合物粉末70-99％。
(2)所述的咖啡渣粒径为100-150目。
(3)优选的，所述的表面改性剂为硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯其中一种或多种。
(4)所述的聚合物粉末包括尼龙粉末、玻璃微珠尼龙粉末、矿物纤维尼龙粉末、芳纶纤维尼龙粉末、碳纤维尼龙粉末、热塑性聚氨酯粉末、聚丙烯粉末其中一种或多种。
(5)所述的一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法，包括以下步骤：
A.咖啡渣预处理，首先将咖啡渣使用去离子水进行清洗，去除咖啡渣中的灰分和杂质，将充分水洗后的咖啡渣放置于烘箱中进行干燥；
B.咖啡渣除油脂，将干燥后的咖啡渣放置于真空加热炉中进行高温除油脂；
C.将经过步骤B处理后的咖啡渣和表面活性剂按一定质量百分比称重配好，放入球磨仪中进行研磨，筛分后获得的咖啡渣粒径为100-150目；
D.将步骤C表面改性后的咖啡渣和聚合物粉末按照一定的质量百分比加入搅拌器，进行机械搅拌混匀。
所述步骤A中，咖啡渣的烘干温度为60-90℃，干燥时间为2-6小时。
所述步骤B中，真空加热炉以10-20℃/min的升温速率将温度升高到350-400℃，保温30-90分钟，真空度为0.05-0.09MPa。
所述步骤C中，研磨转速为30-100转/分钟，研磨时间为1-5小时，研磨温度为10-30℃。
所述步骤D中，机械搅拌速率为50-200转/分钟，搅拌时间为1-5小时，搅拌温度为10-30℃。
(6)将(5)制得的咖啡渣聚合物复合粉末采用激光烧结增材制造工艺制备产品。
本发明的有益效果为：(1)本发明利用废弃咖啡渣制备可用于激光增材制造的复合粉末，将咖啡渣合理高效地回收再利用，充分利用自然资源，减轻人类消费带来的环境压力。(2)本发明制得的咖啡渣聚合物复合粉末，经过选择性激光烧结加工后，与原来的聚合物粉末相比，制成的产品尺寸收缩率更小。(3)咖啡渣价格(约6元/千克)远低于聚合物粉末价格(约380元/千克)，使用本发明的咖啡渣聚合物复合粉末、经激光烧结增材制得的产品，其成本更低，利于市场推广，便于消费者接受。
附图说明
图1为一种激光烧结咖啡渣聚合物复合粉末制得的标识牌外观形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明做进一步详细说明，但不应因此理解为本发明的范围仅限于以下实施例。
实施例1
一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其增材制造应用，其特征在于，咖啡渣聚合物复合粉末包括原料质量百分比为：咖啡渣20％，表面改性剂1％，聚合物粉末79％。
所述的一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法，包括以下步骤：
A.咖啡渣预处理，首先将咖啡渣(2000g)使用去离子水(4000ml)进行清洗，除去咖啡渣中的灰分和杂质，将充分水洗后的咖啡渣放置于鼓风烘箱中进行干燥,烘干温度为90℃，干燥时间为4小时；
B.咖啡渣除油脂，将干燥后的咖啡渣放置于真空加热炉中，真空度为0.07MPa，真空加热炉以15℃/min的升温速率将温度升高到400℃，保温60分钟；
C.咖啡渣研磨，取步骤B所得的咖啡渣和硅烷偶联剂(KH560)按照20：1质量比称重、配好，放入球磨仪中进行研磨改性处理，转速为60转/分钟，研磨时间为4小时，筛分后获得的咖啡渣粒径为100-150目；
D.取上述表面改性的咖啡渣(1680g)和尼龙粉末(6320g)称重、配好、加入搅拌器，进行机械搅拌混匀，搅拌速率为60转/分钟，搅拌时间为3小时，搅拌温度为25℃。
E.将步骤D制得的咖啡渣尼龙复合粉末，使用选择性激光烧结增材制造工艺，制出设计尺寸为50mm(长)x 50mm(宽)x 2mm(厚)的片状物，测量制得的片状物尺寸并计算尺寸收缩率。尺寸收缩率＝(模型设计尺寸-成品试样尺寸)/模型设计尺寸x100％。纯尼龙粉末制造的片状物长和宽尺寸收缩率分别为4.2％、3.9％，咖啡渣尼龙复合粉末制得的产品的长和宽尺寸收缩率分别为1.8％、1.7％，因为咖啡渣中纤维的增强作用，减少了尼龙粉体熔融时的尺寸收缩。
实施例2
一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其增材制造应用，其特征在于，复合粉末包括原料质量百分比为：咖啡渣15％，表面改性剂0.8％，聚合物粉末84.2％。
所述的一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法，包括以下步骤：
A.咖啡渣预处理，首先将咖啡渣(2000g)使用去离子水(4000ml)进行清洗，除去咖啡渣中的灰分和杂质，将充分水洗后的咖啡渣放置于鼓风烘箱中进行干燥,烘干温度为80℃，烘干时间为5小时；
B.咖啡渣除油脂，将干燥后的咖啡渣放置于真空加热炉中，真空度为0.07MPa，真空加热炉以15℃/min的升温速率将温度升高到400℃，保温60分钟。
C.咖啡渣研磨，取步骤B所得的咖啡渣和硅烷偶联剂(KH560)按照15：0.8质量比称重、配好，放入球磨仪中进行研磨改性处理，转速为60转/分钟，研磨时间为5小时，筛分后获得的咖啡渣粒径为100-150目；
D.取上述表面改性的咖啡渣(1580g)和尼龙粉末(8420g)称重、配好、加入搅拌器，进行机械搅拌混匀，搅拌速率为50转/分钟，搅拌时间为4小时，搅拌温度为25℃。
E.将步骤D制得的咖啡渣尼龙复合粉末，参照国家标准GB/T1040.2-2006，使用选择性激光烧结增材制造哑铃状试样，采用万能材料试验机对试样进行拉伸测试，拉伸断裂强度为48MPa，比纯尼龙打印件拉伸强度(46MPa)略有增加，断裂应变为8％，比纯尼龙打印件拉伸断裂应变(16％)减小，由咖啡渣中纤维作用所致。
F.将步骤D制得的咖啡渣聚合物复合粉末，使用选择性激光烧结工艺，制造出某商标牌(其形貌图见图1)。
因此，采用本发明所述的咖啡渣聚合物复合粉末，由激光烧结增材制造出的产品，具有降低产品成本、降低产品尺寸收缩率、提高力学性能和可降解性等优点。
最后应说明的是：以上所展示的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非对其进行限制，相关技术人员应当理解，依照本发明权利要求进行的修改或等同替换，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其增材制造应用，其特征在于，咖啡渣聚合物复合粉末包括质量百分比的原料为：咖啡渣0.1-30％，表面改性剂0.1-2％，聚合物粉末70-99％。
2.一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其增材制造应用，其特征在于，包括以下步骤：
A.咖啡渣预处理，首先将咖啡渣使用去离子水进行清洗，去除咖啡渣中的灰分和杂质，将充分水洗后的咖啡渣放置于烘箱中进行干燥；
B.咖啡渣除油脂，将干燥后的咖啡渣放置于真空加热炉中进行高温除油脂；
C.将经过步骤B处理后的咖啡渣和表面活性剂按一定质量百分比称重配好，放入球磨仪中进行研磨，并筛分；
D.将步骤C表面改性后的咖啡渣和聚合物粉末按照一定的质量百分比加入搅拌器，进行机械搅拌混匀。
E.将步骤D制得的咖啡渣聚合物复合粉末采用激光烧结增材制造工艺制备产品。
3.根据权利要求1或2所述的一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其增材制造应用，其特征在于，所述的咖啡渣粒径为100-150目。
4.根据权利要求1或2所述的一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其增材制造应用，其特征在于，所述的表面改性剂为硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯其中一种或多种。
5.根据权利要求1或2所述的一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其增材制造应用，其特征在于，所述的聚合物粉末包括尼龙粉末、玻璃微珠尼龙粉末、矿物纤维尼龙粉末、芳纶纤维尼龙粉末、碳纤维尼龙粉末、热塑性聚氨酯粉末、聚丙烯粉末其中一种或多种。
6.根据权利要求2所述的一种咖啡渣聚合物复合粉末制备方法及其增材制造应用，其特征在于，所述步骤A中，咖啡渣的烘干温度为60-90℃，干燥时间为2-6小时；所述步骤B中，真空加热炉以10-20℃/min的升温速率将温度升高到350-400℃，保温30-90分钟，真空度为0.05-0.09Mpa；所述步骤C中，研磨转速为30-100转/分钟，研磨时间为1-5小时，研磨温度为10-30℃；所述步骤D中，机械搅拌速率为50-200转/分钟，搅拌时间为1-5小时，搅拌温度为10-30℃。
7.权利要求1～6任意一项所述方法制得的咖啡渣聚合物复合粉末，将其采用激光烧结增材制造工艺制备咖啡渣聚合物复合材料产品。
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