本發(fā)明涉及一種物理改性制備水溶性復(fù)合材料,主要應(yīng)用在3D打印支撐材料領(lǐng)域,特別是涉及一種可用3D打印的PVA/PLA復(fù)合材料。
背景技術(shù):
3D打印是一種快速成型技術(shù),它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或者塑料等可粘合材料,通過(guò)逐層打印的方法來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型,后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造,已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工汽車、航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。
3D打印中的熔融層積成型技術(shù)(FDM)是利用工程塑料絲(如ABS、PLA等)在熔點(diǎn)附近可熔化堆積的特性,打印出三維制品。當(dāng)制品中出現(xiàn)內(nèi)陷、中空結(jié)構(gòu)時(shí),選擇支撐材料進(jìn)行打印成型,再浸漬于特定的溶液或氣氛中,使支撐材料充分溶解,獲得特殊結(jié)構(gòu)的制品。支撐材料在異形件的打印中起到重要的作用,關(guān)系到3D打印的應(yīng)用推廣。3D打印技術(shù)的發(fā)展對(duì)3D打印材料提出了新的要求,以熔融擠出成型技術(shù)為例,需要綜合考慮塑料熔絲尺寸和成型性能對(duì)噴頭溫度進(jìn)行設(shè)計(jì),若要打印大型中空制件,則必須考慮如何將中心的填充材料與表層材料分離,還必須考慮兩者在分離前具有良好的粘結(jié)性,避免表層材料塌陷。
PLA是從植物提煉出來(lái)的乳酸聚合而成,在3D打印耗材領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。其本身具有生物可降解性,在降解過(guò)程中不會(huì)污染環(huán)境;PVA具有極佳的水溶性,在普通條件下即可溶于水中。作為3D打印支撐材料時(shí),利用PVA材料的水溶性,模型上的支撐材料比較容易去除且對(duì)制件表面無(wú)損傷,可用于打印比較精美、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鏤空制件;PBAT作為相容劑可解決PVA/PLA復(fù)合材料不相容的問(wèn)題,增加才材料韌性,使線材更易收卷,利于使用;作為潤(rùn)滑劑的檸檬酸三乙酯和白油等可改善線材的表面效果,使線材表面光滑;分散劑的加入使?jié)櫥瑒┰诠不煳镏蟹植季鶆?,制備出的線材性能穩(wěn)定,提高了材料的使用效果。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于雖然PVA具有可溶于水、可降解等優(yōu)點(diǎn),但是PVA材料本身質(zhì)軟,且與PLA材料粘結(jié)力較小,作為支撐材料使用時(shí)容易導(dǎo)致模型塌陷,影響打印效果;PVA與PLA材料復(fù)合時(shí)相容性不好,需要找到相應(yīng)的相容劑。利用PBAT的增塑特性及檸檬酸三乙酯、白油等的潤(rùn)滑性增加線材的韌性及光滑性,改善線材特性,提高復(fù)合材料的使用性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的研究目的在于解決3D打印水溶性支撐材料的研發(fā)問(wèn)題,利用PLA材料的生物相容性及生物可降解性,結(jié)合PVA可溶于水的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)利用PBAT材料的增塑效果及檸檬酸三乙酯的潤(rùn)滑性改善線材韌性及表面光滑性,利用單螺桿高溫?cái)D出機(jī)熔融共混工藝,采用3D打印生產(chǎn)線,制備一種可用于3D打印的PVA/PLA復(fù)合材料。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明的目的,解決以PVA/PLA為基體樹脂的水溶性3D打印支撐材料研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題,本發(fā)明提供以下技術(shù)方案:
(1)將PVA原料置于80~90℃恒溫干燥箱內(nèi)干燥1~2小時(shí)。
(2)按照以下組分配比配置實(shí)驗(yàn)材料:PVA 60%~70%,PLA 20%~30%,PBAT 2%~4%,潤(rùn)滑劑0.5%~1%、分散劑0.5%~1%。
(3)將上述實(shí)驗(yàn)原料置于高速混合機(jī)中充分混合1~2分鐘,得到混合均勻的實(shí)驗(yàn)料。
(4)將上述混合均勻的實(shí)驗(yàn)料通過(guò)單螺桿高溫?cái)D出機(jī)進(jìn)行擠出拉絲、收卷,得到可用于3D打印的PVA/PLA復(fù)合材料。
(5) 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明所述方法制備的可用于3D打印的PVA/PLA復(fù)合材料,主體使用材料為PVA與PLA,其中PVA可完全溶解于水,PLA在3D耗材領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,且具有生物可降解性,在自然環(huán)境下可完全降解,不污染環(huán)境。利用PBAT增塑、檸檬酸三乙酯和白油潤(rùn)滑后的PVA/PLA復(fù)合材料作為支撐材料打印鏤空或者中空制品時(shí),該支撐材料可很容易地從成型零件上剝離,并且成型零件的外形也不會(huì)因支撐材料的剝離而損傷,從而達(dá)到美化表面效果,提高產(chǎn)品價(jià)值的作用。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明所闡述的是一種水溶性3D打印支撐材料及其制備方法,以下通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)一步進(jìn)行說(shuō)明,但本發(fā)明不僅限于以下實(shí)施例。
實(shí)施例一
(1)將PVA-217原料置于80℃恒溫干燥箱內(nèi)干燥1小時(shí)。
(2)按照以下組分配比配置實(shí)驗(yàn)材料: PVA63%,PLA 2003D 33%,增塑劑PBAT 3%,檸檬酸三乙酯0.5%,輕質(zhì)碳酸鈣0.5%。
(3)將上述實(shí)驗(yàn)原料置于高速混合機(jī)中充分混合2分鐘,得到混合均勻的實(shí)驗(yàn)料,其中高混機(jī)的溫度設(shè)置為40℃,轉(zhuǎn)速為1600r/min
(4)將上述混合均勻的實(shí)驗(yàn)料通過(guò)單螺桿高溫?cái)D出機(jī)擠出拉絲,控制絲材直徑1.75mm,收卷,得到PVA/PLA復(fù)合材料,其中擠出機(jī)的3段溫度依次為182℃、193℃、188℃,機(jī)頭溫度為190℃,眼模溫度為191℃,機(jī)夾溫度為191℃。主機(jī)轉(zhuǎn)速為10.5赫茲,收卷速度為6.4赫茲。
(5)利用(4)所制得的PVA/PLA復(fù)合材料打印耗材進(jìn)行鏤空制件打印,打印過(guò)程流暢不堵頭,材料溶解充分,打印制件表面光滑,支撐結(jié)構(gòu)牢固,與模型粘結(jié)力好,利用常溫水將支撐材料溶解后所得表面無(wú)損傷,尺寸穩(wěn)定無(wú)變形,可完全達(dá)到3D打印支撐材料要求。
實(shí)施例二
(1)將PVA M-2000置于95℃恒溫干燥箱內(nèi)干燥1小時(shí)
(2)按照以下組分配比配置實(shí)驗(yàn)材料: PVA64%,PLA 4032D 32%,PBAT 2%,檸檬酸三乙酯1%、白油0.5%,輕質(zhì)碳酸鈣0.5%。
(3)將上述實(shí)驗(yàn)原料置于高速混合機(jī)中充分混合2.5分鐘,得到混合均勻的實(shí)驗(yàn)料,其中高混機(jī)的設(shè)置溫度為40℃,轉(zhuǎn)速為1800r/min
(4)將上述混合均勻的實(shí)驗(yàn)料通過(guò)單螺桿高溫?cái)D出機(jī)擠出拉絲,控制絲材直徑1.75mm,收卷,得到PVA/PLA復(fù)合材料,其中擠出機(jī)的3段溫度依次為184℃、194℃、188℃,機(jī)頭溫度為190℃,眼模溫度為191℃,機(jī)夾溫度為191℃。主機(jī)轉(zhuǎn)速為10.3赫茲,收卷速度為6.3赫茲。
(5)利用(4)所制得的水溶性3D打印支撐材料進(jìn)行鏤空制件打印,打印過(guò)程流暢,打印制件表面光滑,支撐結(jié)構(gòu)牢固,粘結(jié)力好,利用常溫水將支撐材料溶解后所得表面無(wú)損傷,尺寸穩(wěn)定無(wú)變形,可完全達(dá)到3D打印支撐材料要求。