[发明专利]一种3D打印用聚丙烯线材及其制备方法

说明书

本发明公开了一种3D打印用聚丙烯线材及其制备方法。所述聚丙烯线材包括以下组成：共聚聚丙烯、低熔点均聚聚丙烯、无机填料、热塑性弹性体、增塑剂和稳定剂。所述聚丙烯线材的材料结晶度低，收缩变形小，低翘曲，具有良好的3D打印效果和打印精度，并且能够很大程度上降低成本。本发明所述的3D打印用聚丙烯线材的制备方法，工艺简单，生产设备要求较低，能够实现大规模的推广生产，具有广阔的市场前景。

技术领域

本发明涉及3D打印技术和塑料加工领域，尤其涉及一种3D打印用聚丙烯线材及其制备方法。

背景技术

3D打印是指根据数字模型文件，使用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印、层层堆积的方式来构造物体的一种技术。与传统材料表形成型(如注塑加工)和去除成型的工艺方法完全不同，3D打印技术可在没有夹具或模具的条件下迅速制造出任意复杂形状的三维实体零件，可大大缩短产品开发周期和降低产品开发成本。随着3D打印技术的不断成熟，现在3D打印技术已经在生物医疗、信息技术、精密机械等多个领域得到实际应用，并表现出越来越强的竞争力，因此被称为“具有工业革命意义的制造技术”。

事实上，3D打印技术并不是专指一种工艺，3D打印可以通过多种工艺来实现物体制造。具体来讲，3D打印技术包括熔融沉积成型、选择性激光烧结、立体光固化成型等多种工艺。其中，熔融沉积成型(Fused Deposition Molding, FDM)是将热塑性线材经固体-熔体-固体两次相变加工成型实现3D打印的工艺。实际打印过程中，热塑性线材由供丝机构送进喷头，在喷头中加热至熔融态，然后从喷头中挤出，依照数字模型文件信息，通过加热喷头的运动进行选择性涂覆。一层涂覆完成后，喷头上升一个层高(或工作台下降一个层高)，再进行下一层的涂覆，如此循环，最终形成三维制件，完成3D打印。现在市场上用于FDM的3D打印材料主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸 (PLA)两种。

在熔融沉积成型工艺中，熔融态的热塑性材料从喷涂挤出完成涂覆，冷却转变为固态。由熔融态到固态的转变中，如果材料存在较大的体积变化，将会导致材料发生变形，即通常所讲的翘曲。翘曲的发生，轻则导致三维制件发生变形，3D打印精度受到影响，重则严重干扰3D打印，造成3D打印中断，甚至会损坏3D打印设备。因此，熔融沉积成型工艺对3D打印用材料的翘曲情况有严格的要求，以保证3D打印的顺利进行和打印精度。

3D打印用材料的翘曲性质与材料的结晶情况密切相关。当材料为结晶性聚合物，其在冷却结晶过程中会发生很大的收缩变形，因而具有很严重的翘曲情况。而当材料为非结晶聚合物时，在冷却过程中不会结晶所以仅有轻微的体积变化，收缩变形和翘曲非常小。正因如此，非结晶性聚合物ABS才能够在FDM 工艺当中广泛应用，成为主要的3D打印用材料。当然，材料的翘曲还与成型过程中的应力释放有关，但具体到FDM工艺中没有应力的累积，所以材料翘曲情况与应力释放关联较小。

聚丙烯(PP)作为五大通用树脂，是现今世界上产量最大、消费量最大和应用领域最广的高分子材料之一。特定的化学结构使得聚丙烯材料具有密度小、强度高、耐热、绝缘性好、化学性质稳定和综合力学性能优良等优点，在日用品、包装、建筑和汽车等领域有着广泛的应用。PP在FDM中的广泛应用，相信能够大大促进FDM的发展，拓宽FDM的应用领域。但是，PP是一种非常典型的结晶性聚合物，具有很高的收缩率(均聚PP收缩率通常为2.0)，在FDM 过程中会发生很严重的翘曲现象，难以制备三维制品，目前还没有满足FDM要求的低翘曲3D打印用聚丙烯线材。

为降低PP材料的收缩变形，提高3D打印成型精度，共混改性方法是现在主要的3D打印用聚丙烯线材的制备方法。共混改性方法是通过将PP与其他物质混合，达到改变PP自身结晶性的目的，该方法工艺简单，成本低，易于大规模生产。当然，可以通过聚合过程将乙烯、丁烯或辛烯等单体引入PP中，破坏 PP原有的规整结构，从而改变自身结晶性，但该方法工艺复杂成本高，而且受制于不同单体之间的竞聚率实际引入的乙烯等单体含量有限，实际改善效果较共混改性方法还有差距。