CN114015213A - 一种用于生物全降解的3d打印线材改性pga复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物全降解PGA复合材料改性技术领域,目的是提供一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料及其制备方法,本发明选择了PGA作为基体树脂,采用PHA复合材料为增韧剂,十聚甘油为增塑剂,物理共混后,在3D打印线材挤出机中进行熔融共混,得到PGA/PHA复合材料;本发明得到的PGA/PHA复合材料具有全生物降解、高韧性、高耐温、高强度且易于加工的优点。
Description
技术领域
本发明涉及生物全降解PGA复合材料改性技术领域,更具体地说,它涉 及一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料及其制备方法。
背景技术
PGA材料是一种新型的生物全降解材料,全称为聚乙醇酸,化学结构式 为聚羟基乙酸。与常见的聚乳酸、PBAT相比,PGA具有全自然域降解、高阻 隔性、高强度、高耐热等特点,因此有着广阔的应用领域与发展前景。
目前PGA产品由于具有较好的气体阻隔性、生物相容性和可降解性,在 医用缝合线和组织修复等领域已经得到了应用。但一方面由于其材料生产技 术壁垒高,成本单价高,国内企业占有率不足10%,另一方面其材料结构刚 度高,缺少柔韧性,材料加工难度大,使用技术门槛高,因此难以广泛推广 应用。而在近年来的3D打印行业发展迅速,而常用的PLA材料的降解性得到 一定的质疑,基于环保要求,因此生物全降解将会成为3D打印行业的重要发 展方向。
现有PGA材料存在高刚性、高强度的优点,但在分子量达到1万左右时, 强度不足,仅可用于医用缝合线。而当分子量达到4-13万时候,PGA材料具 有很高的结晶度,而且加工温度和分解温度非常接近,因此常常在加工过程 伴随着材料的快速降解。而采用常见的PBAT或者PBS增韧改性,则会影响 PGA材料的全降解性能,限制了生物全降解方向的应用。
因此,研发一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料十分有 必要。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种用于生物全降解 的3D打印线材改性PGA复合材料,具有可生物全降解、高耐热、高强度且便 于加工的优点。
本发明的另一目的在于提供一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA 复合材料的制备方法。
为实现上述目的,本发明提供了一种用于生物全降解的3D打印线材改性 PGA复合材料,按质量份数计,由以下原料制备而成:PGA 61-75份;PHA复合 材料21-31份;聚甘油5-9份;润滑剂0.5-1.5份。
可选的,按质量份数计,由以下原料制备而成:PGA 73份;PHA复合材料 21份;聚甘油5份;润滑剂1份。
可选的,所述PGA为线性分子链结构,及优选分子量为5万-20万。
可选的,按质量分数计,所述PHA复合材料中GMA接枝PHB共聚物含量为 33-45%,优选为37%。
可选的,所述GMA接枝PHB共聚物中GMA接枝PHB的接枝率为0.9-1.5%。
可选的,所述聚甘油为十聚甘油、六聚甘油及二聚甘油中的一种或复合 物。
可选的,所述润滑剂为硬脂酸镁、硬脂酸锌及硬脂酸钙中的一种或复合 物。
可选的,一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料的制备方法, 所述制备方法包括以下步骤:
(1)以过氧化二异丙苯(DCP)为引发剂,将甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA) 单体接枝到聚-3-羟基丁酸酯(PHB)上,然后与3-羟基丁酸和4-羟基丁酸共 聚物(P3HB4HB)进行共混改性得到PHA复合材料;
(2)将PGA、PHA复合材料、聚甘油、润滑剂共混熔融挤出造粒,得到用 于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料。
本发明的原理为:选择PGA作为基体树脂,采用PHA(聚羟基烷酸酯) 复合材料为增韧剂,十聚甘油为增塑剂,物理共混后,在3D打印线材挤出机 中进行熔融共混,得到3D打印用PGA/PHA复合材料,丝径为1.75mm、3.0mm 或者其他尺寸。其中PHA复合材料制备过程如下:以过氧化二异丙苯(DCP) 为引发剂,将甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)单体接枝到聚-3-羟基丁酸酯 (PHB)上,然后与3-羟基丁酸和4-羟基丁酸共聚物(P3HB4HB)进行共混改 性得到PHA复合材料。
PHA材料也是一种含有多种聚酯的热塑性生物全降解材料,在无需堆肥 的情况下,半年左右在自然环境中即可完全分解为二氧化碳和水。采用GMA 接枝的方式一方面可以提高PHA材料的耐温性,另一方面可以提高了与PGA 主体树脂的相容性。而采用与改性PHA材料进行共混,可以提高PHA复合的 柔韧性,特别是材料的断裂伸长应变,有利于对PGA进行改性,保证PGA/PHA 复合材料的加工性能,满足3D打印线材的生产要求。而其他功能性助剂均为 天然环保材料,均符合目前在工业堆肥或海水条件下的生物全降解方面的要求。
本发明相对于现有技术具有如下的优点:可全生物降解、高韧性、高耐 温、高强度且易于加工。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述,但本发明要求保护的范围并 不局限于实施例表述的范围。
本发明实施例1~4的配方如下:
表1 不同实施例的配方数据表
实施例1~4所述的用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料的制备 方法包括以下步骤:
(1)以20g过氧化二异丙苯(DCP)为引发剂,将280-350g甲基丙烯酸缩水 甘油酯(GMA)单体与2kg聚-3-羟基丁酸酯(PHB)聚合物,通入氮气进行保护, 在200MPa的压力下缓慢搅拌,在反应釜中预热至60℃,保温30分钟;然后 提高温度至160-190℃,反应时间为3小时,停止加热,至反应物冷却至50℃, 排出相应的水后减压至常压,取出固体后粉碎,在60℃的温度下真空干燥4 小时,得到改性PHB粉末;然后将30%的改性PHB粉末与70%的3-羟基丁酸 和4-羟基丁酸共聚物(P3HB4HB)在140-160℃的条件下进行共混熔融挤出, 得到PHA复合材料;
(2)将PGA、PHA复合材料、十聚甘油、硬脂酸镁共混熔融挤出造粒,得 到用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料。
将实施例1~4的3D打印线材改性PGA复合材料进行堆肥填埋,得到如下降 解数据:
表2 不同材料的堆肥填埋分解数据表
从表2可以看出:实施例1~4的3D打印线材改性PGA复合材料在堆肥填 埋15天后分解率约为18%,30天后分解率约为37%,45天后分解率约为55%, 60天后分解率约为75%,75天后分解率约为90%,90天后分解率在99%以上。
对比例1为PLA材质的3D打印线材,对比例2为ABS材质的3D打印线材,对 比例3为PLA材质的3D打印线材。
将实施例1~4的3D打印线材改性PGA复合材料及对比例1~3的3D打印线材 进行机械性能及降解性能测试,得到如下数据:
表3 不同3D打印线材的性能数据表
其中,测试3D打印线材的线径为1.75mm。生物分解率测试依据GB/T 19277.1-2011的方法进行,参比材料为微晶纤维素,其中该参比材料45天后, 生物分解率为75%,符合GB/T20197-2006降解材料有效性的要求。海水中生物 分解率测试参照V AUSTRIA发布的“OK Biodegradable Marine认证”的 方法,测试材料在6个月的海水处理条件下,材料的生物分解率是否达到90% 以上。
从表3可以看出:实施例1~4的3D打印线材改性PGA复合材料的断裂强度均 远高于对比例1~3,断裂伸长率远高于对比例1~2且小于对比例3,45天生物分 解率、90天总生物分解率、及6个月的海水生物分解率均远远高于对比例1~3。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于 上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应 当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下 的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料,其特征在于,按质量份数计,由以下原料制备而成:PGA 61-75份;PHA复合材料21-31份;聚甘油5-9份;润滑剂0.5-1.5份。
2.根据权利要求1所述的一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料,其特征在于,按质量份数计,由以下原料制备而成:PGA 73份;PHA复合材料21份;聚甘油5份;润滑剂1份。
3.根据权利要求1所述的一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料,其特征在于,所述PGA为线性分子链结构,及优选分子量为5万-20万。
4.根据权利要求1所述的一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料,其特征在于,按质量分数计,所述PHA复合材料中GMA接枝PHB共聚物含量为33-45%,优选为37%。
5.根据权利要求4所述的一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料,其特征在于,所述GMA接枝PHB共聚物中GMA接枝PHB的接枝率为0.9-1.5%。
6.根据权利要求1所述的一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料,其特征在于,所述聚甘油为十聚甘油、六聚甘油及二聚甘油中的一种或复合物。
7.根据权利要求1所述的一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料,其特征在于,所述润滑剂为硬脂酸镁、硬脂酸锌及硬脂酸钙中的一种或复合物。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
(1)以过氧化二异丙苯(DCP)为引发剂,将甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)单体接枝到聚-3-羟基丁酸酯(PHB)上,然后与3-羟基丁酸和4-羟基丁酸共聚物(P3HB4HB)进行共混改性得到PHA复合材料;
(2)将PGA、PHA复合材料、聚甘油、润滑剂共混熔融挤出造粒,得到用于生物全降解的3D打印线材改性PGA复合材料。
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2021
- 2021-11-16 CN CN202111354716.8A patent/CN114015213A/zh active Pending
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