CN114921049A - 一种用于大尺寸fdm打印的abs改性材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料及其制备方法和应用，属于增材制造技术领域，解决采用ABS材料得到的大尺寸材料流动性差，易断料，且打印制件翘曲变形大、开裂，机械性能各向异性严重的技术问题。本发明公开的用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料包括：ABS颗粒60％‑99％，辅料≤3％，无机填料≤15％，增强纤维≤15％，偶联剂≤0.5％，抗氧化剂≤3％，相容剂≤5％，分散剂≤5％，所述ABS改性材料用于大尺寸FDM打印时，得到的器件收缩率明显降低，抗弯折能力明显提高，器件的各向异性性明显降低，流动性明显提高，本材料成分所用原料成本低，经济环保易产业化生产。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料及其制备方法和应用。
背景技术
熔融沉积成型(FDM)工艺是目前使用最广的3D打印技术之一，FDM工艺无需传统模具制造,使得产品的设计和生产周期缩短，生产成本下降。通用FDM成型设备以热塑性塑料为原材料，可应用于其工艺的材料选择相对较广。在改善和提高现有材料相关性能的同时开发和研究新的材料是近年来FDM成型技术的研究热点。
由于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材料的综合性能优异,使其成为FDM工艺最常用的材料之一。但通用注塑级和挤出级ABS应用于FDM工艺时，由于韧性不够、流动性较差、成型过程中不均匀收缩以及材料冷却成型后抗挠曲性能较差，导致翘曲、开裂等问题的存在，使ABS材料在FDM工艺中的打印效果难以达到理想的应用需求，尤其是在大尺寸(最大成型尺寸≥1m)FDM打印工艺中，通用级ABS打印件的变形及开裂现象更为明显，因此有必要对ABS进行改性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料及其制备方法和应用，用以解决采用ABS材料得到的大尺寸材料流动性差，易断料，且打印制件翘曲变形大、开裂，机械性能各向异性严重的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料，以质量百分比计，所述用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的成分包括：ABS颗粒60％-99％，辅料≤3％，无机填料≤15％，增强纤维≤15％，偶联剂≤0.5％，抗氧剂≤3％，相容剂≤5％，分散剂≤5％。
进一步地，所述辅料为LLDPE、LDPE和PE中的一种或几种；所述无机填料为碳酸钙、滑石粉、硫酸钡和高岭土中的一种或多种。
进一步地，所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、不锈钢纤维和芳纶纤维中的一种或多种。
进一步地，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH-550或KH-560中的一种。
进一步地，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168和抗氧剂264中的一种或多种；所述相容剂为ABS-g-MAH、MBS、SMA和相容剂58816中的一种或多种。
进一步地，所述分散剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁、聚乙二醇和石蜡中的一种或多种。
本发明还公开了上述种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将ABS颗粒、辅料、无机填料、偶联剂、抗氧化剂，相容剂和分散剂混合，得到ABS混合树脂；
S2：将ABS混合树脂采用挤出机挤出，冷却后进行切粒，得到用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料；
或将ABS混合树脂采用挤出机进行第一次挤出，并在挤出机的第五段中加入增强纤维，冷却后进行切粒，得到ABS改性一次混合料，随后将ABS改性一次混合料采用挤出机进行第二次挤出，冷却后进行切粒，得到用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料。
进一步地，S1中，所述混合是采用高速混合机进行混合，所述高速混合机的温度为150-200℃，转速为1000-1200r/min，混合时间为5-10min。
进一步地，S2中，所述挤出是采用双螺杆挤出机进行，所述双螺杆挤出机共有十段；所述双螺杆挤出机的温度为150-250℃，转速为50-250r/min；所述冷却是采用水冷或风冷的方式，所述切粒是采用切粒机进行切粒。
本发明还公开了上述用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的应用，所述用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料作为采用FDM打印方法进行大尺寸器件制备的原材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料，采用辅料，提高了流动性；加入无机填料后，填料均匀分散在树脂基体中，材料拉伸强度和弯曲强度增加，收缩率降低；偶联剂增加填料与树脂基体的相容性所述ABS改性材料用于大尺寸FDM打印时，得到的器件收缩率明显降低，抗弯折能力明显提高，器件的各向异性性明显降低，流动性明显提高，本材料成分所用原料成本低，经济环保易产业化生产。
本发明还公开了上述用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的制备方法，所述方法操作简单，通过物理混合、挤出制粒即可得到所需材料。
具体实施方式
为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。
本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值(包括整数与分数)。
本文中，若无特别说明，“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由……组成”和“主要由……组成”的意思，例如“A包含a”涵盖了“A包含a和其他”和“A仅包含a”的意思。
本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范围。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品，其规格为本领域常规规格。在本发明的说明书以及下述实施例中，如没有特别说明，“％”都表示重量百分比，“份”都表示重量份，比例都表示重量比。
实施例1
一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将干燥充分的95.1％的ABS颗粒、0.8％的LLDPE、3％的纳米碳酸钙填料、0.3％的偶联剂KH-550、0.5％的抗氧剂168、0.3％的分散剂硬脂酸锌加入高速混合机中进行混合，得到ABS混合树脂；所述高速混合机的温度为160℃，转速为1000r/min,混合时间为10min；
步骤2：将ABS混合树脂用双螺杆挤出机挤出，双螺杆挤出机的温度设置从第一段到第十段分别为(170℃、185℃、200℃、215℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃)，双螺杆挤出机的转速为180r/min，温度为200℃，经双螺杆挤出机挤出后通过风冷冷却后用切粒机切粒，即可获得用于FDM打印的改性ABS材料。
实施例2
一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将干燥充分的95％的ABS颗粒、0.3％的LLDPE、3％的1250目碳酸钙填料、1％的相容剂58816、0.1％的偶联剂KH-550、0.5％的抗氧剂168、0.1％的分散剂硬脂酸锌加入高速混合机中进行混合，得到ABS混合树脂；所述高速混合机的温度为160℃，转速为1000r/min，混合时间为10min；
步骤2：将ABS混合树脂用双螺杆挤出机挤出，同时在挤出机第5段引入1200tex连续玻璃纤维，调节进料速率将玻璃纤维含量控制为3％，双螺杆挤出机的温度设置从第一段到第十段分别为(180℃、195℃、205℃、220℃、240℃、240℃、240℃、240℃、240℃、240℃)，双螺杆挤出机的转速为60r/min，温度为200℃，经双螺杆挤出机挤出后通过风冷冷却后用切粒机切粒，得到ABS改性一次混合料；
将ABS混合料加入双螺杆挤出机中进行制粒，双螺杆挤出机的温度设置从第一段到第十段分别为(180℃、195℃、205℃、220℃、240℃、240℃、240℃、240℃、240℃、240℃)，双螺杆挤出机的转速为180r/min，温度为200℃，经双螺杆挤出机挤出后通过风冷冷却后用切粒机切粒，用于FDM打印的改性ABS材料。
实施例3
一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将干燥充分的92％的ABS颗粒、1.5％的LLDPE、5％的4000目纳米碳酸钙填料、0.5％的偶联剂KH-550、0.5％的抗氧剂168、0.5％的分散剂硬脂酸锌加入高速混合机中进行混合，得到ABS混合树脂；所述高速混合机的温度为160℃，转速为1000r/min，混合时间为10min；
步骤2：将ABS混合树脂用双螺杆挤出机挤出，双螺杆挤出机的温度设置从第一段到第十段分别为(170℃、185℃、200℃、215℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃)，双螺杆挤出机的转速为180r/min，温度为200℃，经双螺杆挤出机挤出后通过风冷冷却后用切粒机切粒，即可获得用于FDM打印的改性ABS材料。
实施例4
一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将干燥充分的92％的ABS颗粒、1.5％的LLDPE、5％的4000目纳米碳酸钙填料、0.5％的偶联剂KH-550、0.5％的抗氧剂168、0.5％的分散剂硬脂酸锌加入高速混合机中进行混合，得到ABS混合树脂；所述高速混合机的温度为160℃，转速为1000r/min，混合时间为10min；
步骤2：将ABS混合树脂用双螺杆挤出机挤出，双螺杆挤出机的温度设置从第一段到第十段分别为(170℃、185℃、200℃、215℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃)，双螺杆挤出机的转速为180r/min，温度为200℃，经双螺杆挤出机挤出后通过风冷冷却后用切粒机切粒，即可获得用于FDM打印的改性ABS材料。
实施例5
一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将干燥充分的78％的ABS颗粒、3％的LDPE、10％的滑石粉填料、0.5％的偶联剂KH-560、0.5％的抗氧剂264、1.5％的相容剂ABS-g-MAH、2％分散剂硬脂酸镁、加入高速混合机中进行混合，得到ABS混合树脂；所述高速混合机的温度为200℃，转速为1200r/min，混合时间为5min；
步骤2：将ABS混合树脂用双螺杆挤出机挤出，双螺杆挤出机的温度设置从第一段到第十段分别为(170℃、185℃、200℃、215℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃)，双螺杆挤出机的转速为250r/min，温度为250℃，经双螺杆挤出机挤出后通过风冷冷却后用切粒机切粒，即可获得用于FDM打印的改性ABS材料。
实施例6
一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将干燥充分的99％的ABS颗粒、0.8％的PE、0.2％的滑石粉加入高速混合机中进行混合，得到ABS混合树脂；所述高速混合机的温度为150℃，转速为1150r/min，混合时间为10min；
步骤2：将ABS混合树脂用双螺杆挤出机挤出，双螺杆挤出机的温度设置从第一段到第十段分别为(170℃、185℃、200℃、215℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃)，双螺杆挤出机的转速为50r/min，温度为250℃，经双螺杆挤出机挤出后通过风冷冷却后用切粒机切粒，即可获得用于FDM打印的改性ABS材料。
实施例7
步骤1：将干燥充分的60％的ABS颗粒、3％的LLDPE、15％的1250目碳酸钙填料、5％的相容剂58816、0.5％的偶联剂KH-550、3％的抗氧剂168、5％的分散剂硬脂酸锌加入高速混合机中进行混合，得到ABS混合树脂；所述高速混合机的温度为160℃，转速为1000r/min，混合时间为10min；
步骤2：将ABS混合树脂用双螺杆挤出机挤出，同时在挤出机第5段引入不锈钢纤维，调节进料速率将不锈钢纤维含量控制为8.5％，双螺杆挤出机的温度设置从第一段到第十段分别为(180℃、195℃、205℃、220℃、240℃、240℃、240℃、240℃、240℃、240℃)，双螺杆挤出机的转速为60r/min，温度为200℃，经双螺杆挤出机挤出后通过风冷冷却后用切粒机切粒，得到ABS改性一次混合料；
将ABS混合料加入双螺杆挤出机中进行制粒，双螺杆挤出机的温度设置从第一段到第十段分别为(180℃、195℃、205℃、220℃、240℃、240℃、240℃、240℃、240℃、240℃)，双螺杆挤出机的转速为180r/min，温度为200℃，经双螺杆挤出机挤出后通过风冷冷却后用切粒机切粒，用于FDM打印的改性ABS材料。
对比例：选用上述实施例中的ABS原料做为对比例。
将ABS颗粒原料充分干燥，按照要求打印翘曲试样、力学性能测试样件。
相关实验结果
将本发明制备得到的用于FDM打印的改性ABS材料采用打印设备打印试验样件，试验样件分为两种：
1)、翘曲率测试，打印一个长*宽*高＝200mm*200mm*120mm的单壁，打印参数为线宽4mm，层厚1.5mm，打印温度205℃，打印速度30mm/s，以单壁螺旋方式打印，打印完成后测量样件4个角的高度，取平均值h1，并以实际值与理论值h＝120mm的差值与理论值h的比值定义翘曲率，即翘曲率＝(h-h1)/h。
2)、机械性能测试，机械性能测试分为2种，即沿打印方向的机械性能及垂直打印方向的机械性能，具体模型为长*宽*高＝250mm*250mm*250mm，打印参数为线宽10mm，层厚3mm，打印温度205℃，打印速度30mm/s，以单壁螺旋方式打印，将打印完成的样件以拉伸性能——GB/T1040，弯曲性能——GB/T9341的尺寸标准分别按沿打印方向及垂直打印方向进行机械加工以去除台阶及毛刺，并将加工好的样件按标准要求进行测试。
表1所示为采用本发明制备得到的ABS改性材料和原始ABS材料进行打印得到的打印试验样件的性能参数，由表1中可以看出：对比例在垂直方向的弯曲强度下降较大，且各向异性明显，改性料在这方面有明显提高，而在FDM打印过程中，垂直方向的弯曲强度越大，打印件在翘曲变形时越不易开裂；翘曲率有明显降低，说明本发明实施例制备得到的ABS改性材料对抑制翘曲变形有明显的效果；挤出扭矩明显降低，挤出扭矩可以衡量材料在螺杆挤出时流动性的好坏，流动性越好，扭矩越小，越不易断料。
因此，本发明实施例制备得到的ABS改性材料对于FDM打印工艺来说，各方面性能较为均衡，比ABS原料更适合FDM打印工艺，起到了有益的作用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料，其特征在于，以质量百分比计，所述用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的成分包括：ABS颗粒60％-99％，辅料≤3％，无机填料≤15％，增强纤维≤15％，偶联剂≤0.5％，抗氧剂≤3％，相容剂≤5％，分散剂≤5％。
2.根据权利要求1所述的一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料，其特征在于，所述辅料为LLDPE、LDPE和PE中的一种或几种；所述无机填料为碳酸钙、滑石粉、硫酸钡和高岭土中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料，其特征在于，所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、不锈钢纤维和芳纶纤维中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH-550或KH-560中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168和抗氧剂264中的一种或多种；所述相容剂为ABS-g-MAH、MBS、SMA和相容剂58816中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料，其特征在于，所述分散剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁、聚乙二醇和石蜡中的一种或多种。
7.权利要求1～6中任意一项所述的一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将ABS颗粒、辅料、无机填料、偶联剂、抗氧化剂，相容剂和分散剂混合，得到ABS混合树脂；
S2：将ABS混合树脂采用挤出机挤出，冷却后进行切粒，得到用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料；
或将ABS混合树脂采用挤出机进行第一次挤出，并在挤出机的第五段中加入增强纤维，冷却后进行切粒，得到ABS改性一次混合料，随后将ABS改性一次混合料采用挤出机进行第二次挤出，冷却后进行切粒，得到用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料。
8.根据权利要求7所述的一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述混合是采用高速混合机进行混合，所述高速混合机的温度为150-200℃，转速为1000-1200r/min，混合时间为5-10min。
9.根据权利要求7所述的一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的制备方法，其特征在于，S2中，所述挤出是采用双螺杆挤出机进行，所述双螺杆挤出机共有十段；所述双螺杆挤出机的温度为150-250℃，转速为50-250r/min；所述冷却是采用水冷或风冷的方式，所述切粒是采用切粒机进行切粒。
10.权利要求1～6中任意一项所述的一种用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料的应用，其特征在于，所述用于大尺寸FDM打印的ABS改性材料作为采用FDM打印方法进行大尺寸器件制备的原材料。
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