CN113372658B - 一种适用于医疗和航空的3d打印tpx复合材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印，提出了一种适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料，按照重量份包括以下组分：TPX 70～90份、PLA 10～20份、TPU 1～5份、Sumilizer GM 0.1～2份。通过上述技术方案，解决了现有技术中3D打印材料无法同时实现轻质、高强、亲肤的问题。

Description

一种适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体的，涉及一种适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料及制备方法。
背景技术
与传统的制造技术相比，3D打印技术大大减少了加工工序环节缩短了加工周期，而且越是复杂结构的产品，其制造的效率相对地就越发显著。3D打印技术不仅在开发和制造阶段，就连物流和销售领域也将掀起革命。
然而，3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础，在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。
目前的3D打印材料中，能够适用于医疗康复的3D打印新材料并不能适用于航空领域的3D打印新材料，无法同时实现轻质、高强、亲肤。
发明内容
本发明提出一种适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料及制备方法，解决了现有技术中3D打印材料无法同时实现轻质、高强、亲肤的问题。
本发明的技术方案如下：
一种适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料，按照重量份包括以下组分：TPX 70～90份、PLA 10～20份、TPU 1～5份、Sumilizer GM 0.1～2份。
作为进一步的技术方案，所述的适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料，按照重量份包括以下组分：TPX 80份、PLA 15份、TPU 3份、Sumilizer GM 1份。
本发明还提出一种适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将TPX干燥处理；
S2、TPX进行预热；
S3、将TPU、Sumilizer GM与预热后的TPX进入挤出机第一阶段挤出；
S4、将PLA添加至第二阶段与S3所得混料挤出造粒后进行拉线即得产品。
作为进一步的技术方案，所述步骤S1将TPX干燥温度90～120℃。
作为进一步的技术方案，所述步骤S1中，将TPX干燥至含水量0.025％以下。
作为进一步的技术方案，所述步骤S2中预热温度为210～230℃。
作为进一步的技术方案，所述步骤S3中，控制温度为240～280℃，转速80～100r/pm，注射压力50～60MPa。
作为进一步的技术方案，所述步骤S4中，控制温度为240～280℃，转速120～140r/pm，注射压力45～55MPa。
作为进一步的技术方案，所述步骤S4中注射压力小于所述步骤S3中的注射压力。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出的适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料的屈服强度可达200～220kg/cm2，添加PLA及TPU作为改性剂后，其熔体流动速率在15～55g/10min，非常适合3D打印机作为打印材料使用。无荷重情形下在150℃以上无变形，成型后测试密度在0.55-0.95g/cc之间。TPX在添加复合材料后仍然有很好的透气性，经3D打印康复夹板使用测试，该材料无憋闷、亲肤性好适合用于医疗康复的穿戴覆盖件的制作。本复合材料基础料复合美国食品及药物管理局(FDA)食品接触安全认证、符合欧洲EN13432标准，欧洲2002/72/EC食品接触安全认证、符合日本JHOSPA食品接触安全认证。
2、聚4-甲基戊烯-1，本发明中简称为TPX。TPX的比重为0.83，是所有塑料中最轻的，因此本发明选用TPX作为3D打印新材料的主体材料。但是由于TPX的熔点为240℃，是聚烯中最高的，比热也较大，因此在可塑化阶段要供应大量的热。TPX的熔点高，约为240℃，所以具有优良的耐温性。而且TPX的熔融粘度较低、温度变化也较大。比重只0.83，是可塑性塑料中最小的。在螺杆挤出时，挤出量较PE、PP少，若提高螺杆转速，又会使挤出波纹激增，不易安全生产。在此情形下，本发明人设置了特定的挤出工艺，先预热原料，再与其他辅料进行挤出，以增强可塑化能力，提高押出量。经过挤出条件的改进，其挤出量最高可达PP的70％-80％。另一方面，发明人将PLA作为辅料，与其他原料分段挤出，且需控制第二阶段的压力略小于第一阶段的压力，这样的工艺也可以能够改善TPX的加工性能，降低塑化阶段需要供应的热，有利于安全生产，也可以适应较高的螺杆转速，从两方面的工艺改进可以实现押出量与PP、PE达到相同的水准，能够获得1.75mm均匀线材。
3、Polylactic Acid(简称PLA)学名聚乳酸又称聚丙交酯，是以乳酸为主要原料聚合得到的聚酯类聚合物，是一种新型的生物降解材料，可生物降解为活性堆肥。但是PLA抵抗温度变化能力弱，当温度超过50℃时就发生变形，从而制约了其在3D打印材料中的应用。而发明人将PLA和TPX混合，能够改善PLA的抗温度变化能力，而PLA熔融粘性较大，可以降低TPX塑化阶段需要的热，两者相互协同，改善复合材料的加工性能，缺一不可。
4、本发明记载的Sumilizer GM化学名称为2-特丁基-6-(3-特丁基-2-羟基-5-甲基苄基)-4-甲基苯基丙烯酸酯，简称GM。传统抗氧化剂的增强耐热性的效果很差，GM能够增强材料的超耐热性，使得复合材料的熔点为190～240℃。GM含有酚羟基和丙烯酸酯基两个活性基团，能有效防止聚合物的热老化可以捕获TPX、PLA、TPU中的烷基自由基，有效地防止了TPX、PLA、TPU的热老化。
5、TPU(Thermoplastic polyurethanes)名称为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，TPU是由二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)或甲苯二异氰酸酯(TDI)等二异氰酸酯类分子和大分子多元醇、低分子多元醇(扩链剂)共同反应聚合而成的高分子材料。TPU具有卓越的高张力、高拉力、强韧和耐老化的特性，可以提高复合材料的韧性。本发明中采用TPU WHT-1195。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为温度对本发明实施例1中TPX复合材料及其他高分子材料的抗张屈服强度的影响。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
实施例1
S1、备料：TPX 80份、PLA 15份、TPU 3份、Sumilizer GM 1份；
S2、将TPX在110℃干燥处理至含水量为0.02％；
S3、TPX在220℃进行预热；
S4、将TPU、Sumilizer GM与预热后的TPX进入挤出机第一阶段挤出，控制温度为240～280℃，转速80～100r/pm，注射压力50～60MPa；
S5、将PLA添加至第二阶段与S3所得混料挤出造粒，控制温度为240～280℃，转速120～140r/pm，注射压力45～55MPa，整个挤出过程的停留时间为1～2分钟，进行拉线即得产品。
实施例2
备料：TPX 70份、PLA 10份、TPU 1份、Sumilizer GM 0.1份，制备方法与实施例1相同。
实施例3
备料：TPX 90份、PLA 20份、TPU 5份、Sumilizer GM 2份，制备方法与实施例1相同。
实施例4
备料：TPX 85份、PLA 18份、TPU 2份、Sumilizer GM 0.5份，制备方法与实施例1相同。
实施例5
S1、备料：TPX 80份、PLA 15份、TPU 3份、Sumilizer GM 1份、淀粉辛烯基琥珀酸铝0.8份；
S2、将TPX在120℃干燥处理至含水量为0.01％；
S3、TPX在220℃进行预热；
S4、将TPU、Sumilizer GM、淀粉辛烯基琥珀酸铝与预热后的TPX进入挤出机第一阶段挤出，控制温度为240～280℃，转速80～100r/pm，注射压力50～60MPa；
S5、将PLA添加至第二阶段与S3所得混料挤出造粒，控制温度为240～280℃，转速120～140r/pm，注射压力45～55MPa，整个挤出过程的停留时间为1～2分钟，进行拉线即得产品。
对比例1
不添加Sumilizer GM，其他与实施例1相同。
对比例2
S1、备料：TPX 80份、TPU 3份、Sumilizer GM 1份；
S2、将TPX在110℃干燥处理至含水量为0.02％；
S3、TPX在220℃进行预热；
S4、将TPU、Sumilizer GM与预热后的TPX进入挤出机第一阶段挤出，控制温度为240～280℃，转速80～100r/pm，注射压力50～60MPa，整个挤出过程的停留时间为1～2分钟，进行拉线即得产品。
对比例3
原料与实施例1相同，但是TPX不经过预热。
对比例4
S1、备料：TPX 80份、PLA 15份、TPU 3份、Sumilizer GM 1份；
S2、将TPX在110℃干燥处理至含水量为0.02％；
S3、TPX在220℃进行预热；
S4、将TPU、Sumilizer GM、PLA与预热后的TPX进入挤出机挤出，控制温度为240～280℃，转速80～100r/pm，注射压力50～60MPa，整个挤出过程的停留时间为1～2分钟，进行拉线即得产品。
熔体流动速率(MFR)测试依据GB/T 3682-2000测试，测试条件为温度240℃，负荷10kg。实施例与对比例的其他测试数据如表1所示。
表1实施例与对比例的测试结果
Figure BDA0003106771690000051
温度对本发明实施例1得到的TPX复合材料与聚碳酸酯、propylene copolymer、低密度聚乙烯的抗张屈服强度的影响如图1所示，可见，实施例在150℃仍可维持一定的强度，但是其他高分子材料都已经软化。
本发明实施例5中添加淀粉辛烯基琥珀酸铝，能够改善高分子材料的熔融粘性，使得3D打印复合材料具有合适的熔融流动性，提高了复合材料的屈服强度，并且提高了材料的耐热性，另一方面还可以附于复合材料抗紫外线能力。
对比例1与实施例1相比没有添加Sumilizer GM，得到的复合材料不仅耐热性变差，熔体流动性也较差，会导致喷头难以挤出丝进行打印，影响打印质量。对比例2中没有添加PLA，制得的复合材料虽然比较轻质，但是熔体流动速率过低，导致加工性能变差，而且，在加工过程中需要较高的温度。对比例3中TPX不经过预热，最后的复合材料耐热性、力学性能都有所降低，经过发明人分析才发现这可能是由于没有经过预热的TPX可加工性能变差，塑化能力差，导致最后产品的各方面性能都比较差。对比例4中，没有进行分段挤出，这也是发明人最开始的技术方案，但是发明人发现，这种工艺最后得到的产品各方面性能都比较差，最后发现，采用分段挤出，将固体与熔融体分离并可塑化，不仅可以提高押出量，还可以改善成品的耐热性、力学性能。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料，其特征在于，按照重量份包括以下组分：TPX 70~90份、PLA 10~20份、TPU 1~5份、Sumilizer GM 0.1~2份；
所述3D打印TPX复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将TPX干燥处理；
S2、TPX进行预热；
S3、将TPU、Sumilizer GM与预热后的TPX进入挤出机第一阶段挤出；
S4、将PLA添加至第二阶段与S3所得混料挤出造粒后进行拉线即得产品；
所述步骤S4中挤出压力小于所述步骤S3中的挤出压力。
2.根据权利要求1所述的适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料，其特征在于，按照重量份包括以下组分：TPX 80份、PLA 15份、TPU 3份、Sumilizer GM 1份。
3.一种如权利要求1所述的适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将TPX干燥处理；
S2、TPX进行预热；
S3、将TPU、Sumilizer GM与预热后的TPX进入挤出机第一阶段挤出；
S4、将PLA添加至第二阶段与S3所得混料挤出造粒后进行拉线即得产品；
所述步骤S4中挤出压力小于所述步骤S3中的挤出压力。
4.根据权利要求3所述的适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1将TPX干燥温度90~120℃。
5.根据权利要求4所述的适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，将TPX干燥至含水量0.025%以下。
6.根据权利要求3所述的适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中预热温度为210~230℃。
7. 根据权利要求3所述的适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，控制温度为240~280℃，转速80~100 r/pm，挤出压力50~60MPa。
8.根据权利要求3所述的适用于医疗和航空的3D打印TPX复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，控制温度为240~280℃，转速120~140 r/pm，挤出压力45~55MPa。
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