[发明专利]一种纳米纤维素改性山核桃壳微粉/热塑性材料复合3D打印耗材及制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米纤维素改性山核桃壳微粉/热塑性材料复合3D打印耗材及制备方法，由以下质量份数的组分组成：山核桃壳60‑80份、滑石粉5‑10份、纳米纤维素4.8‑9份、阳离子淀粉0.1‑0.5份、烷基烯酮二聚体0.1‑0.5份、偶联剂5‑10份、润滑剂5‑10份；所述热塑性材料包括以下质量份数的组分组成：聚乳酸50‑80份、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯5‑20份、纤维素生物复合材料10‑20份、增韧剂1‑5份、抗氧化剂1‑5份；所述纳米纤维素改性山核桃壳微粉的通式为R‑CH₂‑CO‑CH（‑CO‑O‑Cellulose）‑R，其中，R为憎水基，Cellulose为纤维素生物复合材料。制备方法包括以下步骤：混料，烘料，干燥，搅拌，成型收卷。本发明制成的3D打印耗材的弯曲模量、热变形温度、悬臂梁缺口冲击等性能都得到了有效的提升。

技术领域

本发明涉及一种3D打印耗材技术领域，尤其涉及一种纳米纤维素改性山核桃壳微粉/热塑性材料复合3D打印耗材及制备方法。

背景技术

3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术应用在多个领域，如航空航天、医疗、珠宝服饰、工业设计、汽车制造、建筑、个性化灯具、教育以及其他领域都有所应用。

聚乳酸（PLA）在桌面级（FDM）3D打印中应用最为广泛，它具有良好的机械性能以及物理性能，同时它本身有着绿色环保、无毒无害、可生物降解、生物相容性良好等特性，广泛用于医疗、食品包装、快餐饭盒等各种领域。

纯PLA 3D打印耗材表面光滑，存在表面质感差，透射、反射光线单调等，不能满足某些领域，尤其是装饰、装修领域的艺术木雕、灯饰等产品的应用需求。

将聚乳酸作为基体，纳米粒子或植物纤维作为增强组分制备复合材料，可以得到耐热性、力学性能、光学性能、表面性能等均有所提高的材料。以植物纤维作为增强组分、聚丙烯（PP）等为基体的复合材料已经在工业中开始应用。这类复合材料具有刚度、韧性、断裂性能、隔热、吸声、尺寸稳定性、耐候性能好等优点，但其如果应用在3D打印领域，最大的问题是简单的共混使得植物纤维没有实现均匀的分散，没有分散好的团聚纤维会因为局部热塑性能的降低导致3D打印线材在喷嘴部位阻力的提高，引起喷嘴堵塞、喷嘴磨损等问题，这在3D打印应用上是不能接受的。

纳米纤维素(nanocellulose,NC)具有来源广、质量轻、可降解、比表面积大、比强度高等优点。在力学性能方面，纳米纤维素有极高的强度，极好的韧性和较高的模量，它的强度大约为钢的5倍，而密度却只有钢的五分之一，基于这一特性，将纳米纤维素作为热塑性材料的增强材料时可以得到轻质、高强的复合材料。在实际应用中，由于纳米纤维素的高比表面积，高长径比以及纳米纤维素之间范德华力的作用，容易形成团聚和缠绕，所以未改性的纳米纤维素与热塑性材料的相容性是一个难题。从结构方面来看，纤维和热塑性材料之间存在着一层界面层，界面层的性质对复合材料的性能有决定性的影响。一般认为大分子链段可在界面层之间相互扩散，并且形成界面间的化学键合作用。大分子链的扩散、润湿、相界面的形态，物理化学组成以及分子间作用力的大小等因素的综合作用结果，决定了界面区域的机械强度，纤维素大分子链之间具有强烈的氢键作用，使得天然植物纤维表现较强的极性和亲水性，与疏水性、非极性的热塑性材料之间的相容性差，故而影响复合材料的性能。对天然纤维进行化学改性能够有效的解决纤维和热塑性材料之间的相容性问题。