可降解3D打印材料及其制备方法技术

本公开提供了一种可降解3D打印材料，包括16‑20份木粉；10‑15份淀粉；68‑72份聚乳酸，10‑12份甘油。本公开还提供了上述材料的制备方法，包括木粉改性步骤、淀粉改性步骤及混合步骤；木粉微波辐射处理；淀粉和甘油在双螺杆挤压机内混合并挤出；将木粉、淀粉、聚乳酸及甘油在单螺杆挤出机内混合并挤出。本公开的优点在于，木粉和淀粉是非常低廉的天然可降解材料，适合与聚乳酸混合后作为3D打印材料使用，但是木粉、淀粉与聚乳酸的相容性都很差，单独木粉与聚乳酸的混合材料打印试件的力学性能较差，但掺入淀粉后，混合物的力学得到了一定程度的改善，成为一种价格低廉、性能优良的3D打印材料。

【技术实现步骤摘要】
可降解3D打印材料及其制备方法
本公开涉及3D打印
，尤其涉及一种可降解3D打印材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，3D打印技术及其材料迅猛发展，并在高端领域逐渐崭露头脚。3D打印首先利用CAD建模，实现由传统模具化向结构数字化的转变；再以物理逐层叠加的方式由数字化信息3D打印机打印成型。打印材料主要涉及金属、无机非金属和聚合物材料，其中关于聚合物材料的研究最为广泛，但大多聚合物材料属于石油基塑料，较难降解。人们在积极寻找3D打印材料的替代材料，聚乳酸(PLA)是一种绿色且可完全生物降解的材料，其降解之后对环境无污染，并具有良好的生物相容性，因此被视为3D打印的最佳选择之一。但是聚乳酸的价格较高，这都限制了PLA在3D打印方面的应用。为了降低聚乳酸材料的成本，人们开始在聚乳酸内掺入其他可降解物质，一些研究已经取得了初步成果，但仍然需要不断摸索。因此，如何针对上述现有技术所存在的缺点进行研发改良，实为相关业界所需努力研发的目标，本公开设计人有鉴于此，乃思及创作的意念，遂以多年的经验加以设计，经多方探讨并试作样品试验，及多次修正改良，乃推出本公开。公开内容(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本公开提供了一种可降解3D打印材料及其制备方法。(二)技术方案本公开提供了一种可降解3D打印材料，包括如下重量组分的：在本公开的一些实施例中，所述甘油、木粉、淀粉及聚乳酸的质量比为5:8:7:35。在本公开的一些实施例中，所述木粉目数为40-60目。在本公开的一些实施例中，所述淀粉为玉米淀粉。本公开还提出了一种上述可降解3D打印材料的制备方法，在本公开的一些实施例中，包括如下步骤：(1)木粉改性：木粉干燥后，在处理剂内浸润，浸润后的木粉微波辐射处理；(2)淀粉改性：淀粉和甘油在双螺杆挤压机内混合并挤出；挤出后的淀粉、甘油混合物低温干燥后研磨粉碎；(3)混合：将步骤(1)和(2)所得产物、聚乳酸及甘油在单螺杆挤出机内混合并挤出。在本公开的一些实施例中，所述步骤(1)中，先将丙烯酰胺溶解于去离子水中，然后用得到的丙烯酰胺水溶液浸润木粉12h，放入微波炉内，微波炉调到375W，处理2min，重复3-4次。在本公开的一些实施例中，所述步骤(2)中，所述双螺杆挤压机具有沿挤压机机身依次布置的五个加热区，其中，第五加热区位于模头附近；开启第三加热区和第五加热区，第三加热区的温度设定为125-135摄氏度，第五加热区温度设定为110-125摄氏度。在本公开的一些实施例中，所述步骤(2)中甘油/淀粉质量比为2/5。在本公开的一些实施例中，所述步骤(3)中，先将步骤(1)、(2)所得产物与部分聚乳酸在单螺杆挤出机外事先进行预混。在本公开的一些实施例中，预混时，所述聚乳酸质量占比为40％。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开至少具有以下有益效果其中之一：(1)木粉和淀粉是非常低廉的天然可降解材料，适合与聚乳酸混合后作为3D打印材料使用，但是木粉、淀粉与聚乳酸的相容性都很差，单独木粉与聚乳酸的混合材料打印试件的力学性能较差，但掺入淀粉后，混合物的力学得到了一定程度的改善，成为一种价格低廉、性能优良的3D打印材料；(2)当甘油、木粉、淀粉及聚乳酸的质量比达到5:8:7:35时，打印出的3D试样的拉伸强度和弯曲模量以及热稳定性均较木粉或淀粉单独与聚乳酸混合的效果好；(3)木粉中含有大量的木纤维，经过微波蒸汽爆破处理经过木纤维，之前渗入到纤维素内部的热蒸汽水分子气流迅速膨胀，使纤维素的微纤及晶胞之间产生摩擦及碰撞，使晶区分裂变小，无定形区及晶区氢键发生重排，其结果是纤维素表观结晶度增大；另一方面纤维素内部及周围热蒸汽的高速瞬间流动，使纤维素发生一定程度上的机械断裂，同时爆破极大地破坏了纤维素分子内氢键作用，使得纤维素渗透性和溶解性都得到了加强，更加均匀的填充的聚孔酸基体当中，使得木粉和聚乳酸之间的相容性得到改善，提高复合材料的性能；(4)将反应挤出技术应用于淀粉与甘油的共混步骤，充分利用挤压机物理作用，成本低廉，无污染，物料在温度、压力和螺杆剪切力的共同作用下混合，能够改善热塑性淀粉的塑化度和相容性。具体实施方式本公开提供了一种可降解3D打印材料及其制备方法。采用木粉、淀粉及聚乳酸三种可降解材料共混，以甘油作为相容剂，得到的3D打印材料，该打印材料的力学性能优于其中任两者单独共混，且成本低廉，具有较为广阔的应用前景。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本公开进一步详细说明。实施例一在本公开的一个示例性实施例中，提供了可降解3D打印材料，包括木粉16份、淀粉10份、聚乳酸68份及甘油10份。由于木粉是一种具有特殊结晶结构的刚性粒子，将其加入PLA基体中能够提高材料刚性；淀粉是另一种天然可降解的材料，淀粉的添加不仅降低了聚乳酸材料产品的成本，更有可能进一步提高其降解速率。另外相容剂甘油的添加不但在复合体系中起到物理增塑的作用，而且使原本不相容的两相大分子发生缠结，起到提高材料储能模量的作用。木粉、淀粉和聚乳酸在甘油的作用下共混，不但降低了材料的成本，而且其力学性能和耐水性及流动性都得到一定程度的提高。但是，木粉中含有大量的木材纤维，木材纤维表面的亲水极性会吸附环境水分和其它杂质如灰尘等，从而在木塑复合时形成木材表面与塑料的弱边界层，即使在甘油的作用下，复合材料的界面结合力仍然不够理想。其次，大量的羟基在木材纤维表面形成分子间氢键，使木材不易于在非极性聚合物基体中分散。在复合材料的制备过程中，木材纤维趋于相互聚集，形成纤维团、束，引起应力集中及产生缺陷的几率增大，造成材料力学性能的下降。本公开采用蒸汽喷发处理木粉。蒸汽喷发会引起木纤维的形态和结构变化。此法使木粉的细胞壁被破坏，同时木质素和半纤维素的消除使得纤维素含量比例增加，从而导致木纤维强度和表面积均增加。采用微波方式达到蒸汽喷发处理，在微波电磁场中，由于介质损耗使物体加热。这种加热方式，热量不是从外部表面传入，而是在内部直接发生。微波的热效应具有三维、瞬时、均一和选择性等特点，所得复合材料性能相比未处理的木粉有所提高。微波处理前，采用具有双键的水溶性单体－丙烯酰胺浸润木粉，通过FTIR谱图得知丙烯酰胺与木粉发生了接枝发应。大幅提升的力学性能，并能促进聚乳酸与木粉之间界面相容性的改善。在木粉混合前，对木粉进行微波处理，步骤如下：(1)干燥木粉：将木粉置于105℃烘箱内干燥12h。(2)硅烷偶联剂处理木粉：先配置一定量的硅烷偶联剂水溶液，然后将一定量的木粉加入，在30℃下搅拌3小时；用清水冲洗过滤3次，在105℃下干燥12h。(3)微波辐射处理木粉：将一定量的木粉用去离子水浸润12h，放入微波炉内，中火(功率：375W)处理5次，2min/次，取出干燥12h。(4)微波辐射处理单体+木粉：先将丙烯酰胺溶解于去离子水中，然后用得到的丙烯酰胺水溶液浸润木粉12h，放入微波炉内，中火(功率：375W)处理10min，2min/次，取出干燥。在微波辐射过程中存在微波萃取作用，易溶于水的半纤维素(聚木糖)会被微波萃取到木粉到表面，而聚木糖除了具有较强的吸水性和持水性外，还具有较好的乳化稳定性和表面活性，进一步增强了木粉与聚乳酸内的相容性。淀粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可降解3D打印材料，其特征在于，包括如下重量组分的：

【技术特征摘要】
1.一种可降解3D打印材料，其特征在于，包括如下重量组分的：2.根据权利要求1所述的可降解3D打印材料，其特征在于，所述甘油、木粉、淀粉及聚乳酸的质量比为5∶8∶7∶35。3.根据权利要求1所述的可降解3D打印材料，其特征在于，所述木粉目数为40-60目。4.根据权利要求1所述的可降解3D打印材料，其特征在于，所述淀粉为玉米淀粉。5.一种权利要求1-4任一项所述的可降解3D打印材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)木粉改性：木粉干燥后，在处理剂内浸润，浸润后的木粉微波辐射处理；(2)淀粉改性：淀粉和甘油在双螺杆挤压机内混合并挤出；挤出后的淀粉、甘油混合物低温干燥后研磨粉碎；(3)混合：将步骤(1)和(2)所得产物、聚乳酸及甘油在单螺杆挤出机内混合并挤出。6.根据权利要求5所述的可降解3D打印材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，先将丙烯酰胺溶解于去离子水...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾海，李彬，孙健华，张捷，姜杰，曹赛男，黄天成，
申请(专利权)人：南通理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32