CN118063954A - 一种低热导率聚氨酯基3d打印耗材及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材及其制备方法和应用，该低热导率聚氨酯基3D打印耗材由以下重量份的组分制备而成：聚合物基体55～90份，中空介孔二氧化硅微球10～45份。本发明采用加工性能好、综合性能优异的热塑性聚氨酯颗粒作为聚合物基体，将热塑性聚氨酯颗粒与低密度且隔热性能良好的中控介孔二氧化硅微球复合，制备出一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材，具有优秀的隔热性能、较低密度和良好的力学性能，同时熔融后粘度较低，熔体流动性好不易造成打印机喷嘴堵塞，并且本发明制备方法操作简单、原料易得，便于推广，因此在基于热管理应用的增材制造领域具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印耗材技术领域，尤其涉及一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材及其制备方法和应用。
背景技术
3D打印技术，也称增材制造(Additive Manufacturing)，作为一种新兴的生产制造技术已经广泛应用于实际生产生活的各个方面，在科学研究与工程实际中占据着越来越重要的位置。3D打印技术涉及人工智能数字化和新型材料合成与应用的交叉领域，相比较于传统的生产制造技术，3D打印具有快速成型，可定制化生产，可设计制造精密复杂结构等独特优势。随着技术的进步，3D打印不断开拓在新领域应用的可能性，3D打印的影响不断扩大，使其成为未来制造业、航空航天、建筑等领域的关键参与者。
打印耗材的合成与应用是FDM型3D打印技术的核心技术之一，也是限制其在生产制造领域进一步更大规模更深层次应用的关键问题。PLA和ABS是目前使用最为广泛的3D打印材料。然而，PLA耗材的熔点温度较低，脆性过大，在制造过程中容易吸收空气中水分，并且耐用性较差；ABS耗材打印成型精度差，打印成品冷却后容易翘曲，打印加热时会产生刺鼻气味，这些问题都限制了它们的推广和应用。现在制造业生产对材料性能要求越来越高，单一聚合物材料往往很难满足性能要求，因此这就急需具有更好性能的复合材料作为FDM型3D打印耗材，使得3D打印制品性能满足更多实际应用的需求。
发明内容
基于此，针对目前现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材及其制备方法和应用，制得的低热导率聚氨酯基3D打印耗材具有优秀的隔热性能、较低密度和良好的力学性能，同时熔融后粘度较低，熔体流动性好不易造成打印机喷嘴堵塞，并且本发明制备方法操作简单、原料易得，便于推广，因此在基于热管理应用的增材制造领域具有广泛应用前景。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
本发明提供的一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材，其由以下重量份的组分制备而成：聚合物基体55～90份，中空介孔二氧化硅微球10～45份。
本发明采用加工性能好、综合性能优异的热塑性聚氨酯颗粒作为聚合物基体，将热塑性聚氨酯颗粒与低密度且隔热性能良好的中控介孔二氧化硅微球复合，制备出一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材：一方面中空介孔二氧化硅微球作为一种新型无机材料，应用广泛，中空介孔二氧化硅微球最明显的特点是中空结构，具有优异的隔热性能和轻质密度，随着中控介孔二氧化硅微球含量增加，使得3D打印耗材表现出的隔热性能越好；另一方面热塑性聚氨酯颗粒具有良好的力学和机械性能并且耐磨和耐油污，结合TPU聚合物基体优异的力学和机械性能，随着中空介孔二氧化硅微球含量的增加，使得3D打印耗材仍能保持良好的加工性以及打印流畅度。
作为本发明上述方案的进一步改进，所述中空介孔二氧化硅微球的平均粒径为10-1000nm。
作为本发明上述方案的进一步改进，所述聚合物基体为TPU颗粒，硬度为85-98A。
本发明提供的一种如前所述的低热导率聚氨酯基3D打印耗材的制备方法，其包括以下步骤：
S1.按比例称取干燥后的聚合物基体和中空介孔二氧化硅微球，充分混合得共混料，将所述共混料冷却后剪切成母粒；
S2.将所述母粒投入挤出机中经熔融挤出，冷却再造粒，即得低热导率聚氨酯基3D打印耗材。
作为本发明上述方案的进一步改进，步骤S1中，所述聚合物基体、中空介孔二氧化硅微球的干燥方法为：将聚合物基体、中空介孔二氧化硅微球分别放入真空干燥箱中，在80～100℃的温度下干燥4～6h。
作为本发明上述方案的进一步改进，步骤S1中，所述充分混合的方法为：将干燥后的聚合物基体和中空介孔二氧化硅微球加入双锥型混合机中在真空环境下熔融混合。
作为本发明上述方案的进一步改进，所述熔融混合的温度为180～185℃，所述熔融混合的时间为6～10min。
作为本发明上述方案的进一步改进，步骤S2中，所述挤出机为单螺杆挤出机，所述单螺杆挤出机的挤出温度设置为：一区温度25～35℃，二区温度175～185℃，三区温度165～175℃，四区温度135～145℃；所述单螺杆挤出机挤出模口内直径为2.0mm，螺杆转速为30rpm/min。
作为本发明上述方案的进一步改进，步骤S2中，所述冷却是冷却至20～30℃。
本发明提供的一种如前所述的低热导率聚氨酯基3D打印耗材在FDM型3D打印中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用加工性能好、综合性能优异的热塑性聚氨酯颗粒作为聚合物基体，将热塑性聚氨酯颗粒与低密度且隔热性能良好的中控介孔二氧化硅微球复合，制备出一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材：一方面中空介孔二氧化硅微球作为一种新型无机材料，应用广泛，中空介孔二氧化硅微球最明显的特点是中空结构，具有优异的隔热性能和轻质密度，随着中控介孔二氧化硅微球含量增加，使得3D打印耗材表现出的隔热性能越好；另一方面热塑性聚氨酯颗粒具有良好的力学和机械性能并且耐磨和耐油污，结合TPU聚合物基体优异的力学和机械性能，随着中空介孔二氧化硅微球含量的增加，使得3D打印耗材仍能保持良好的加工性以及打印流畅度。
2.本发明制得的低热导率聚氨酯基3D打印耗材具有优秀的隔热性能、较低密度和良好的力学性能，同时熔融后粘度较低，熔体流动性好不易造成打印机喷嘴堵塞，并且本发明制备方法操作简单、原料易得，便于推广，因此在基于热管理应用的增材制造领域具有广泛应用前景。
3.本发明利用双锥真空混合与熔融共混，保证了中空二氧化硅微球在聚合物基体内良好均匀分散，有效提高了耗材的隔热效果，同时不易堵塞打印喷头，该制备方法操作控制简单，适用于大规模工业生产，具有广阔的应用前景。
4.本发明的低热导率聚氨酯基3D打印耗材在应用于FDM型3D打印时，可以显著降低热流在打印物件中的传导，有助于设计与制造隔热器件或隔热零件。
附图说明
图1为本发明中空介孔二氧化硅微球透射电子显微镜(TEM)图；
图2为本发明一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材的制备方法流程图；
图3为本发明制得的共混料母粒的扫描电子显微镜(SEM)图；
图4为本发明多级3D打印耗材挤出装置的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
本实施例提出一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材，按重量份计，100份的低热导率聚氨酯基3D打印耗材中包含以下组分：聚合物基体55～90份，中空介孔二氧化硅微球10～45份。
本实施例中，中空介孔二氧化硅微球的平均粒径为500nm，聚合物基体为硬度为95A的TPU颗粒。
本实施例采用加工性能好、综合性能优异的热塑性聚氨酯颗粒作为聚合物基体，将热塑性聚氨酯颗粒与低密度且隔热性能良好的中控介孔二氧化硅微球复合，制备出一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材：一方面中空介孔二氧化硅微球作为一种新型无机材料，应用广泛，结合图1可以看出，二氧化硅微球中空结构明显，形态规则均匀，平均粒径主要分布在200～500nm，使得中空介孔二氧化硅微球具有优异的隔热性能和轻质密度，随着中控介孔二氧化硅微球含量增加，使得3D打印耗材表现出的隔热性能越好；另一方面热塑性聚氨酯颗粒具有良好的力学和机械性能并且耐磨和耐油污，结合TPU聚合物基体优异的力学和机械性能，随着中空介孔二氧化硅微球含量的增加，使得3D打印耗材仍能保持良好的加工性以及打印流畅度。
参照图2，本实施例的低热导率聚氨酯基3D打印耗材的制备方法，包括以下步骤：
S1.将聚合物基体原料、中空介孔二氧化硅微球原料分别放入真空干燥箱中，在80～100℃的温度下干燥4～6h；按比例分别称取干燥后的聚合物基体和中空介孔二氧化硅微球并加入双锥型混合机中，在真空环境下，在180～185℃下熔融混合6～10min，得共混料，将共混料冷却后，通过切粒机剪切成母粒。
图3为本实施例制备的母粒的扫描电子显微镜(SEM)图，从图3可以看出，中控介孔二氧化硅微球在聚合物集体中分散均匀，与基体材料复合紧密，说明利用双锥真空混合与熔融共混，保证了中空二氧化硅微球在聚合物基体内良好均匀分散。
S2.将母粒经过多级3D打印耗材挤出装置进行挤出，得到直径为1.75mm±0.05mm的3D打印耗材，并收卷成捆。
如图4所示，本实施例中多级3D打印耗材挤出装置采用现有技术，主要由螺杆挤出机100、可控温冷却水槽200、履带式牵引装置300、微型收排丝装置400构成，其中：单螺杆挤出机100的参数为：一区温度25～35℃，二区温度175～185℃，三区温度165～175℃，四区温度135～145℃，单螺杆挤出机挤出模口内直径为2.0mm，螺杆转速为30rpm/min；可控恒温冷却水槽200的温度为20～30℃；履带式牵引装置300的牵引速度为3m/min。
本实施例制得的低热导率聚氨酯基3D打印耗材具有优秀的隔热性能、较低密度和良好的力学性能，同时熔融后粘度较低，熔体流动性好不易造成打印机喷嘴堵塞，并且本实施例制备方法操作简单、原料易得，便于推广，因此在基于热管理应用的增材制造领域具有广泛应用前景。本实施例利用双锥真空混合与熔融共混，保证了中空二氧化硅微球在聚合物基体内良好均匀分散，有效提高了耗材的隔热效果，同时不易堵塞打印喷头，该制备方法操作控制简单，适用于大规模工业生产，具有广阔的应用前景。
下面结合更具体的实施例，对本发明的技术方案做更加清楚完整的说明。
实施例1
本实施例提供一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材，其制备方法包括以下步骤：
S1.将TPU颗粒、中空介孔二氧化硅微球在80℃真空烘箱干燥4h后，按照重量份计，称取干燥后的TPU颗粒90份、中空介孔二氧化硅微球10份并加入到双锥型混合机中，在183℃真空环境下熔融混合6min，得共混料。将得到的共混料经冷却后，通过切粒机进行切粒，得到母粒。
S2.将母粒经过多级3D打印耗材挤出装置进行挤出得到直径为1.75mm±0.05mm的复合材料3D打印耗材并收卷成捆。
本实施例中：多级3D打印耗材挤出装置中单螺杆挤出机参数为：一区温度25℃，二区温度185℃，三区温度170℃，四区温度140℃，单螺杆挤出机挤出模口内直径为2.0mm，螺杆转速为30rpm/min；可控恒温冷却水槽温度为25℃；履带式牵引装置牵引速度为3m/min。
实施例2
本实施例提供一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材，其制备方法包括以下步骤：
S1.将TPU颗粒、中空介孔二氧化硅微球在80℃真空烘箱干燥4h后，按照重量份计，称取干燥后的TPU颗粒80份、中空介孔二氧化硅微球20份并加入到双锥型混合机中，在183℃真空环境下熔融混合6min，得共混料。将得到的共混料经冷却后，通过切粒机进行切粒，得到母粒。
S2.将母粒经过多级3D打印耗材挤出装置进行挤出得到直径为1.75mm±0.05mm的复合材料3D打印耗材并收卷成捆。
本实施例中：多级3D打印耗材挤出装置中单螺杆挤出机参数为：一区温度25℃，二区温度185℃，三区温度170℃，四区温度140℃，单螺杆挤出机挤出模口内直径为2.0mm，螺杆转速为30rpm/min；可控恒温冷却水槽温度为25℃；履带式牵引装置牵引速度为3m/min。
实施例3
本实施例提供一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材，其制备方法包括以下步骤：
S1.将TPU颗粒、中空介孔二氧化硅微球在80℃真空烘箱干燥4h后，按照重量份计，称取干燥后的TPU颗粒70份、中空介孔二氧化硅微球30份并加入到双锥型混合机中，在183℃真空环境下熔融混合6min，得共混料。将得到的共混料经冷却后，通过切粒机进行切粒，得到母粒。
S2.将母粒经过多级3D打印耗材挤出装置进行挤出得到直径为1.75mm±0.05mm的复合材料3D打印耗材并收卷成捆。
本实施例中：多级3D打印耗材挤出装置中单螺杆挤出机参数为：一区温度25℃，二区温度185℃，三区温度170℃，四区温度140℃，单螺杆挤出机挤出模口内直径为2.0mm，螺杆转速为30rpm/min；可控恒温冷却水槽温度为25℃；履带式牵引装置牵引速度为3m/min。
实施例4
本实施例提供一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材，其制备方法包括以下步骤：
S1.将TPU颗粒、中空介孔二氧化硅微球在80℃真空烘箱干燥4h后，按照重量份计，称取干燥后的TPU颗粒60份、中空介孔二氧化硅微球40份并加入到双锥型混合机中，在183℃真空环境下熔融混合6min，得共混料。将得到的共混料经冷却后，通过切粒机进行切粒，得到母粒。
S2.将母粒经过多级3D打印耗材挤出装置进行挤出得到直径为1.75mm±0.05mm的复合材料3D打印耗材并收卷成捆。
本实施例中：多级3D打印耗材挤出装置中单螺杆挤出机参数为：一区温度25℃，二区温度185℃，三区温度170℃，四区温度140℃，单螺杆挤出机挤出模口内直径为2.0mm，螺杆转速为30rpm/min；可控恒温冷却水槽温度为25℃；履带式牵引装置牵引速度为3m/min。
实施例5
本实施例提供一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材，其制备方法包括以下步骤：
S1.将TPU颗粒、中空介孔二氧化硅微球在80℃真空烘箱干燥4h后，按照重量份计，称取干燥后的TPU颗粒55份、中空介孔二氧化硅微球45份并加入到双锥型混合机中，在183℃真空环境下熔融混合6min，得共混料。将得到的共混料经冷却后，通过切粒机进行切粒，得到母粒。
S2.将母粒经过多级3D打印耗材挤出装置进行挤出得到直径为1.75mm±0.05mm的复合材料3D打印耗材并收卷成捆。
其中：多级3D打印耗材挤出装置中单螺杆挤出机参数为：一区温度25℃，二区温度185℃，三区温度170℃，四区温度140℃，单螺杆挤出机挤出模口内直径为2.0mm，螺杆转速为30rpm/min；可控恒温冷却水槽温度为25℃；履带式牵引装置牵引速度为3m/min。
对比例
本对比例提供一种聚氨酯基3D打印耗材，其制备方法包括以下步骤：
S1.将TPU颗粒在80℃真空烘箱干燥4h后，按照重量份计，称取干燥后的TPU颗粒100份并加入到双锥型混合机中，在183℃真空环境下熔融6min，得共混料。将得到的共混料经冷却后，通过切粒机进行切粒，得到母粒。
S2.将母粒经过多级3D打印耗材挤出装置进行挤出得到直径为1.75mm±0.05mm的复合材料3D打印耗材并收卷成捆。
本对比例中：多级3D打印耗材挤出装置中单螺杆挤出机参数为：一区温度25℃，二区温度185℃，三区温度170℃，四区温度140℃，单螺杆挤出机挤出模口内直径为2.0mm，螺杆转速为30rpm/min；可控恒温冷却水槽温度为25℃；履带式牵引装置牵引速度为3m/min。
测试例
将实施例1-5以及对比例所制得的3D打印耗材采用3D打印装置在205℃下打印成长8mm×宽8mm×高1mm的立方体样品，并测试立方体样品的热扩散率、比热、密度，测试结果见表1。
表1样品性能测试结果
从表1结果可知，随着中控介孔二氧化硅微球含量的增加，样品的热扩散率逐渐减小，说明本发明制备的低热导率聚氨酯基3D打印耗材表现出优异的隔热性能；随着中控介孔二氧化硅微球含量的增加，样品的密度、比热也逐渐减小，说明本发明制备的低热导率聚氨酯基3D打印耗材具有较低密度和良好的力学性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种低热导率聚氨酯基3D打印耗材，其特征在于，其由以下重量份的组分制备而成：聚合物基体55～90份，中空介孔二氧化硅微球10～45份。
2.根据权利要求1所述的低热导率聚氨酯基3D打印耗材，其特征在于，所述中空介孔二氧化硅微球的平均粒径为10-1000nm。
3.根据权利要求1所述的低热导率聚氨酯基3D打印耗材，其特征在于，所述聚合物基体为TPU颗粒，硬度为85-98A。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述的低热导率聚氨酯基3D打印耗材的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1.按比例称取干燥后的聚合物基体和中空介孔二氧化硅微球，充分混合得共混料，将所述共混料冷却后剪切成母粒；
S2.将所述母粒投入挤出机中经熔融挤出，冷却再造粒，即得低热导率聚氨酯基3D打印耗材。
5.根据权利要求4所述的低热导率聚氨酯基3D打印耗材的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述聚合物基体、中空介孔二氧化硅微球的干燥方法为：将聚合物基体、中空介孔二氧化硅微球分别放入真空干燥箱中，在80～100℃的温度下干燥4～6h。
6.根据权利要求4所述的低热导率聚氨酯基3D打印耗材的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述充分混合的方法为：将干燥后的聚合物基体和中空介孔二氧化硅微球加入双锥型混合机中在真空环境下熔融混合。
7.根据权利要求6所述的低热导率聚氨酯基3D打印耗材的制备方法，其特征在于，所述熔融混合的温度为180～185℃，所述熔融混合的时间为6～10min。
8.根据权利要求4所述的低热导率聚氨酯基3D打印耗材的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述挤出机为单螺杆挤出机，所述单螺杆挤出机的挤出温度设置为：一区温度25～35℃，二区温度175～185℃，三区温度165～175℃，四区温度135～145℃；所述单螺杆挤出机挤出模口内直径为2.0mm，螺杆转速为30rpm/min。
9.根据权利要求4所述的低热导率聚氨酯基3D打印耗材的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述冷却是冷却至20～30℃。
10.一种如权利要求1-3中任一项所述的低热导率聚氨酯基3D打印耗材在FDM型3D打印中的应用。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202410293353.9A CN118063954A (zh) | 2024-03-14 | 2024-03-14 | 一种低热导率聚氨酯基3d打印耗材及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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