CN106674934A - 一种3d打印用高粘结性聚乳酸材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印材料领域，具体为一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量组份：聚乳酸40‑80份，改性可塑性粘合剂1‑10份，热塑性弹性体5‑15份，抗氧剂0.1‑2份，填料10‑30份，润滑剂0.1‑2份，偶联剂0.5‑5份。应用本发明高粘结性聚乳酸材料，可打印出X、Y、Z三个方向机械性能接近的产品，解决打印产品Z方向机械性能严重不足的问题。使用本发明材料进行3D打印时无需使用美纹纸、3D打印专用防翘胶水，降低打印成本，简化打印过程。利用本材料打印的产品X、Y、Z方向机械性能一致，可拓宽3D打印产品应用范围。

Description

一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料
技术领域
本发明涉及3D打印材料领域，具体为一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料。
背景技术
3D打印是一种快速成型技术，热熔堆积固化成型法(FDM)为3D打印技术常用方法之一，主要利用热塑性材料在一定温度下成为熔融状态，根据三维模型逐层热熔挤出沉积在堆积基础上而构建物体，可用于快速制作物体。目前FDM打印材料主要有PLA(聚乳酸)、ABS(丙烯酸-丁二烯-苯乙烯三元共聚物)、尼龙-618等，但ABS和尼龙-618材料加工气味重、打印过程易变形、加工困难等原因应用较少，聚乳酸材料收缩变形较小、打印和加工过程无气味成为最常用和用量最大的FDM打印材料。
聚乳酸材料具有诸多优点但也存在本身强度不够高、耐热性差、刚性和韧性均较低，针对聚乳酸材料机械性能不足的问题，在现有公开方法中已有大量改进方案，如专利CN104356619A公开一种3D打印机用改性PLA材料的制备工艺，该发明通过添加增韧剂、填充剂等提高PLA材料韧性和强度；专利CN103804862A公开一种高性能的3D打印耗材合金材料，该发明通过高抗冲聚苯乙烯与PLA的共混改性制得机械性能优异的合金材料；专利CN201010555337.0公开一种聚乳酸/聚碳酸酯合金材料制备方法及其应用，该发明通过增加聚碳酸酯制得结晶速度快、可以快速成型的合金材料。
现有已公开的技术均为提高聚乳酸材料强度、韧性、刚性等机械性能，经过此类方法改性后的聚乳酸材料机械性能虽能提高，但无法提高材料熔融后的粘结性，甚至会导致材料熔融后自身粘结性能降低，而FDM打印是逐层堆积成型，层与层之间依靠材料之间熔融粘结提供强度，如对材料粘结性能不行进改进，打印的物体层与层之间容易剥离，无实际应用价值，故提高聚乳酸材料层与层之间的粘接强度是目前聚乳酸打印材料亟待解决的问题。
目前公知的3D打印用聚乳酸材料，在提高聚乳酸材料强度、韧性、刚性、耐热等性能的同时，未能兼顾材料熔融后粘结性，导致打印的物体容易在层与层之间剥离开裂，打印过程中材料与打印平台无法粘结，需要使用美纹纸、3D打印专用防翘胶水等辅助物解决打印物体与平台之间剥离问题。
发明内容
发明的目的是提供一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，此材料具有优良机械性能的同时兼有高粘结性，用此材料打印的产品X和Y方向具有优良的机械性能的同时，Z方向(逐层堆积方向)亦具有优良机械性能(如图1所示)，层与层之间不易剥离，打印过程中可去除3D打印专用胶水和美纹纸等的使用，使打印过程简单化，打印产品综合性能大幅提高，可拓宽打印产品的应用范围。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量组份：聚乳酸40-80份，改性可塑性粘合剂1-10份，热塑性弹性体5-15份，抗氧剂0.1-2份，填料10-30份，润滑剂0.1-2份，偶联剂0.5-5份；所述改性可塑性粘合剂为利用增粘剂改性的可塑性粘合剂。
进一步，本发明采用聚乳酸为主体材料，优选聚乳酸的结晶度为30-45％。
进一步，所述改性可塑性粘合剂的性能要求为：①具有与聚乳酸相近的熔融温度，优选的改性后熔融温度为160-200℃；②拥有高于聚乳酸的热分解温度，③改性可塑性粘合剂和聚乳酸需要具有很好的相容性。
本发明通过加入增粘剂，将可塑性粘合剂改性成熔融温度与聚乳酸相近并且相容性极佳的改性可塑性粘合剂。所述改性可塑性粘合剂与聚乳酸在熔融状态下采用机械方式混合后能构成复合体系，在机械剪切力作用下使部分高聚物断链，再接枝或嵌段，亦或基团与链段交换，从而形成聚合物与聚合物之间的复合新材料，实现性能的互补与提高，使各自优越性能叠加，最终可得到高分子合金材料。
本发明所述的可塑性粘合剂为EVA(乙烯-乙酸乙烯共聚物)类、PET(聚对苯二甲酸已二醇酯)类、PA(聚酰胺)类、PU(聚氨酯)类粘合剂中的一种或多种的混合。这里所述的多种的混合，可以是同一类中多种不同型号的可塑性粘合剂的混合，也可以是不同类的可塑性粘合剂的混合。
改性可塑性粘合剂的加入主要起粘接作用，提高打印过程层与层之间的粘接以及打印过程中打印物体与平台之间的粘接。
具体的，所述改性可塑性粘合剂的改性方法为添加增粘剂进行改性，添加方式为常规混合。使用增粘剂改性后的可塑性粘合剂，除了使打印过程中材料本体之间具有较高粘结强度之外，还与配方中其他材料之间具有较高的润湿和渗透效果，可确保打印过程中打印层与平台之间及打印过程中层与层之间的相互润湿与渗透，从而提高层与层及与平台之间的粘结能力。
优选的增粘剂有松香，改性松香(138或145)，C5石油树脂，C9石油树脂等，但不限于此。增粘剂的使用量以使改性后的可塑性粘合剂能达到上述指标为准。进一步优选的，增粘剂占改性可塑性粘合剂的比重为1-5wt％。
可塑性粘合剂必须在使用前进行改性。
进一步，所述热塑性弹性体包括TPU(热塑性聚氨酯弹性体)、TPEE(热塑性聚酯弹性体)、SBS(苯乙烯-丁二烯热塑性弹性体)中的一种或多种。热塑性弹性体的引入可提高聚乳酸材料的韧性及加工性能等。
进一步，所述抗氧剂包括2，6-三级丁基-4-甲基苯酚、双(3，5-三级丁基-4-羟基苯基)硫醚、季戊四醇酯、双十二碳醇酯、双十四碳醇酯和双十八碳醇酯中的一种或多种。抗氧剂的引入可提高耐候性，拓宽应用范围；
进一步，所述填料包括滑石粉、高岭土、膨润土、石灰石、石膏、石英粉中的一种或多种。填料的引入可提高材料刚性及加速聚乳酸成核。
进一步，所述填料粒径优选为1000目-3000目之间。
进一步，所述润滑剂包括液体石蜡、脂肪酸、硅油、三羟甲基丙烷三油酸酯、油酸乙酯、油酸月桂醇酯中的一种或多种。润滑剂的引入可确保印过程熔体挤出的流畅性。
进一步，所述偶联剂包括单烷氧基焦磷酸酯型钛酸酯偶联剂、KH570型硅烷偶联剂、KH792型硅烷偶联剂、DL602型硅烷偶联剂中的一种或多种。偶联剂的引入可提高所有物料之间的相容性。
上述各种助剂的优选方案所涉及的助剂具体种类都是本领域的常规品种，其性能为本领域技术人员熟知。需要多种混合复配的助剂，本领域技术人员也可以根据实际情况进行配比。只要各助剂能够发挥正常功能，本发明的技术方案作为一个整体，就能达到所述的有益效果。
上述技术方案可通过机械混合、螺杆挤出机熔融混合挤出、造粒等方法实现。
本发明具有如下有益效果：
第一、发明了一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，应用此材料可打印出X、Y、Z三个方向机械性能接近的产品(如图1所示)，解决打印产品Z方向机械性能严重不足问题。
第二、使用本发明材料进行3D打印时无需使用美纹纸、3D打印专用防翘胶水，降低打印成本，简化打印过程。
第三、利用本材料打印的产品X、Y、Z方向机械性能一致，可拓宽3D打印产品应用范围。
附图说明
图1为3D打印示意图。
图中01为逐层堆积方向。
具体实施方式
下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量组份：聚乳酸60份，改性可塑性粘合剂3份，热塑性弹性体12份，抗氧剂0.3份，填料20份，润滑剂1.7份，偶联剂3份。
所述的聚乳酸结晶度为40％；
所述的可塑性粘合剂为PET(聚对苯二甲酸已二醇酯)和PA(聚酰胺)质量比2:1的混合物；
所述热塑性弹性体为TPU(热塑性聚氨酯弹性体)；
所述抗氧剂季戊四醇酯和双十二碳醇酯的混合物；
所述填料包括滑石粉和石英粉；
所述填料粒径主要集中在1500目；
所述润滑剂为液体石蜡；
所述偶联剂为DL602型硅烷偶联剂。
实施例2
一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量组份：聚乳酸67份，改性可塑性粘合剂：5份，热塑性弹性体8份，抗氧剂0.5份，填料15份，润滑剂1.5份，偶联剂3份。
所述的聚乳酸结晶度为45％；
所述的可塑性粘合剂为EVA(乙烯-乙酸乙烯共聚物)和PET(聚对苯二甲酸已二醇酯)质量比3:1的混合物；
所述热塑性弹性体为TPU(热塑性聚氨酯弹性体)；
所述抗氧剂为双(3，5-三级丁基-4-羟基苯基)硫醚；
所述填料为石膏和石英粉；
所述填料粒径集中在2000目；
所述润滑剂为油酸乙酯和油酸月桂醇酯；
所述偶联剂为KH570型硅烷偶联剂。
实施例3
一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量份配比的组分：聚乳酸80份，改性可塑性粘合剂10份，热塑性弹性体15份，抗氧剂2份，填料30份，润滑剂2份，偶联剂5份。
所述的聚乳酸结晶度为45％；
所述的改性可塑性粘合剂为EVA和PET质量比1:1混合后加入混合物质量3％的松香经机械搅拌均匀制成；
所述热塑性弹性体为TPEE；
所述抗氧剂为双(3，5-三级丁基-4-羟基苯基)硫醚；
所述填料为石英粉；
所述填料粒径集中在2000目；
所述润滑剂为油酸乙酯和油酸月桂醇酯；
所述偶联剂为KH570型硅烷偶联剂。
实施例4
一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量份配比的组分：聚乳酸48份，改性可塑性粘合剂3份，热塑性弹性体8份，抗氧剂1.5份，填料23份，润滑剂0.6份，偶联剂2.5份。
所述的聚乳酸结晶度为45％；
所述的改性可塑性粘合剂为PET加1.5wt％的改性松香138经机械搅拌均匀制成；
所述热塑性弹性体为SBS：
所述抗氧剂为双(3，5-三级丁基-4-羟基苯基)硫醚；
所述填料为石膏；
所述填料粒径集中在3000目；
所述润滑剂为硅油；
所述偶联剂为KH792型硅烷偶联剂。
实施例5
一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量份配比的组分：聚乳酸65份，改性可塑性粘合剂8份，热塑性弹性体12份，抗氧剂1.5份，填料19份，润滑剂1.7份，偶联剂4.5份。
所述的聚乳酸结晶度为42％；
所述的改性可塑性粘合剂为EVA加1wt％的C9石油树脂经机械搅拌均匀制成；
所述热塑性弹性体为TPU、TPEE、SBS的混合物；
所述抗氧剂为双十八碳醇酯；
所述填料为滑石粉和石英粉的混合物；
所述填料粒径集中在2500目；
所述润滑剂为脂肪酸；
所述偶联剂为单烷氧基焦磷酸酯型钛酸酯偶联剂。
实施例6
一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量份配比的组分：聚乳酸50份，改性可塑性粘合剂121份，热塑性弹性体12份，抗氧剂1.4份，填料30份，润滑剂1.8份，偶联剂2份。
所述的聚乳酸结晶度为35％；
所述的改性可塑性粘合剂为PA和PET质量比4:1混合后加入混合物质量5％的C5石油树脂经机械搅拌均匀制成；
所述热塑性弹性体为TPEE；
所述抗氧剂为季戊四醇酯、双十二碳醇酯、双十四碳醇酯的混合物；
所述填料为石膏和石英粉；
所述填料粒径集中在2000目；
所述润滑剂为三羟甲基丙烷三油酸酯；
所述偶联剂为KH570型硅烷偶联剂、KH792型硅烷偶联剂、DL602型硅烷偶联剂三种按质量比例1:2:3的混合物。
实施例7
一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量份配比的组分：聚乳酸40份，改性可塑性粘合剂2份，热塑性弹性体7份，抗氧剂0.4份，填料18份，润滑剂1.1份，偶联剂3.5份。
所述的聚乳酸结晶度为30％；
所述的改性可塑性粘合剂为EVA和PU质量比3:2混合后加入混合物质量5％的改性松香145经机械搅拌均匀制成；
所述热塑性弹性体为TPU；
所述抗氧剂为双(3，5-三级丁基-4-羟基苯基)硫醚、季戊四醇酯的混合物；
所述填料为膨润土；
所述填料粒径集中在1000目；
所述润滑剂为油酸乙酯；
所述偶联剂为DL602型硅烷偶联剂。
实施例8
一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量份配比的组分：聚乳酸54份，改性可塑性粘合剂7份，热塑性弹性体10份，抗氧剂1.5份，填料25份，润滑剂1.3份，偶联剂2份。
所述的聚乳酸结晶度为38％；
所述的改性可塑性粘合剂为PA加入2.5wt％的改性松香145经机械搅拌均匀制成；
所述热塑性弹性体为TPU与SBS的混合物；
所述抗氧剂为2，6-三级丁基-4-甲基苯酚；
所述填料为高岭土；
所述填料粒径集中在2000目；
所述润滑剂为油酸月桂醇酯；
所述偶联剂为KH792型硅烷偶联剂。
实施例9
一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量份配比的组分：聚乳酸43份，改性可塑性粘合剂1份，热塑性弹性体5份，抗氧剂0.1份，填料10份，润滑剂0.1份，偶联剂0.5份。
所述的聚乳酸结晶度为43％；
所述的改性可塑性粘合剂为PU加入6wt％的C5石油树脂经机械搅拌均匀制成；
所述热塑性弹性体为SBS；
所述抗氧剂为双十四碳醇酯；
所述填料为滑石粉和石灰石的混合物；
所述填料粒径集中在1000目；
所述润滑剂为脂肪酸、硅油的混合物；
所述偶联剂为单烷氧基焦磷酸酯型钛酸酯偶联和DL602型硅烷偶联剂质量比2:1的混合物。
实施例10
一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量份配比的组分：聚乳酸75份，改性可塑性粘合剂7份，热塑性弹性体12份，抗氧剂0.3份，填料15份，润滑剂0.2份，偶联剂1.2份。
所述的聚乳酸结晶度为35％；
所述的改性可塑性粘合剂为PET加入1wt％的松香经机械搅拌均匀制成；
所述热塑性弹性体为TPU；
所述抗氧剂为季戊四醇酯；
所述填料为高岭土和膨润土的混合物；
所述填料粒径集中在3000目；
所述润滑剂为液体石蜡、脂肪酸的混合物；
所述偶联剂为KH792型硅烷偶联剂、DL602型硅烷偶联剂质量比1：:1额混合物。
实施例11
一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，包括以下重量份配比的组分：聚乳酸60份，改性可塑性粘合剂4份，热塑性弹性体7份，抗氧剂0.6份，填料10份，润滑剂0.1份，偶联剂0.9份。
所述的聚乳酸结晶度为40％；
所述的改性可塑性粘合剂为EVA加入1.5wt％的改性松香138经机械搅拌均匀制成；
所述热塑性弹性体为TPU；
所述抗氧剂为双十二碳醇酯；
所述填料为石膏和石英粉的混合物；
所述填料粒径集中在2500目；
所述润滑剂为油酸乙酯和油酸月桂醇酯的混合物；
所述偶联剂为单烷氧基焦磷酸酯型钛酸酯偶联剂。
本领域技术人员应理解，以上实施例特别是助剂的混合配比，仅是示例性实施例，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (11)

1.一种3D打印用高粘结性聚乳酸材料，其特征在于，包括以下重量份配比的组分：聚乳酸40-80份，改性可塑性粘合剂1-10份，热塑性弹性体5-15份，抗氧剂0.1-2份，填料10-30份，润滑剂0.1-2份，偶联剂0.5-5份；所述改性可塑性粘合剂为用增粘剂改性的可塑性粘合剂。
2.根据权利要求1所述的3D打印用高粘结性聚乳酸材料，其特征在于，所述聚乳酸的结晶度为30-45％。
3.根据权利要求1所述的3D打印用高粘结性聚乳酸材料，其特征在于，所述增粘剂为松香、改性松香、C5石油树脂或C9石油树脂。
4.根据权利要求1所述的3D打印用高粘结性聚乳酸材料，其特征在于，所述的改性可塑性粘合剂的性能要求为：熔融温度160-200℃，热分解温度高于聚乳酸。
5.根据权利要求1所述的3D打印用高粘结性聚乳酸材料，其特征在于，所述可塑性粘合剂为EVA类、PET类、PA类和PU类粘合剂中的一种或多种的混合物；这里所述的多种的混合物，可以是同一类中多种不同型号的可塑性粘合剂的混合物，也可以是不同类的可塑性粘合剂的混合物。
6.根据权利要求1所述的3D打印用高粘结性聚乳酸材料，其特征在于，所述热塑性弹性体为TPU、TPEE、SBS中的一种或多种的混合物。
7.根据权利要求1所述的3D打印用高粘结性聚乳酸材料，其特征在于，所述抗氧剂为2，6-三级丁基-4-甲基苯酚、双(3，5-三级丁基-4-羟基苯基)硫醚、季戊四醇酯、双十二碳醇酯、双十四碳醇酯和双十八碳醇酯中的一种或多种的混合物。
8.根据权利要求1所述的3D打印用高粘结性聚乳酸材料，其特征在于，所述填料包括滑石粉、高岭土、膨润土、石灰石、石膏、石英粉中的一种或多种的混合物。
9.根据权利要求8所述的3D打印用高粘结性聚乳酸材料，其特征在于，所述填料的粒径为1000目-3000目。
10.根据权利要求1所述的3D打印用高粘结性聚乳酸材料，其特征在于，所述润滑剂为液体石蜡、脂肪酸、硅油、三羟甲基丙烷三油酸酯、油酸乙酯、油酸月桂醇酯中的一种或多种的混合物。
11.根据权利要求1所述的3D打印用高粘结性聚乳酸材料，其特征在于，所述偶联剂为单烷氧基焦磷酸酯型钛酸酯偶联剂、KH570型硅烷偶联剂、KH792型硅烷偶联剂、DL602型硅烷偶联剂中的一种或多种的混合物。
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