CN116277957A

CN116277957A - 一种基于光固化3d打印成型的木塑膏料制备方法及应用

Info

Publication number: CN116277957A
Application number: CN202310127852.6A
Authority: CN
Inventors: 闫承琳; 刘�东; 李晓旭; 刘子昕; 王�琦
Original assignee: Research Institute of Wood Industry of Chinese Academy of Forestry
Current assignee: Research Institute of Wood Industry of Chinese Academy of Forestry
Priority date: 2023-02-09
Filing date: 2023-02-09
Publication date: 2023-06-23
Also published as: ZA202303764B

Abstract

本发明提供了一种基于光固化3D打印成型的木塑膏料制备方法及应用。其按照占比如下：木塑混合粉料占比40‑70％、胶黏混合物占比30‑60％、增稠剂占比0.2‑2％。将木塑混合粉料、增稠剂和胶黏混合物进行分段式离心搅拌得到3D打印木塑膏料后，使用刮刀平整待成型的木塑膏料表面，再将计算机处理过的截面形状投影到膏料表面，逐层下降逐层固化，最后得到木塑膏料3D打印成型件。本发明扩大了速生材木的应用范围，所用木材粉末的颗粒粒度较高，减少了原材料获取的时间和成本，采用膏料形式进行3D打印，原理简单实用，成型速度快，可以实现比粉料更高的木质含量。

Description

一种基于光固化3D打印成型的木塑膏料制备方法及应用

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种基于光固化3D打印成型的木塑膏料制备方法及应用。

背景技术

速生材生长快、成材早、轮伐期短，材木重量轻、变形小、弹性好、吸音效果好，干燥方便且易于加工，一般用作造纸、建筑、板材芯材原料等。热塑性树脂是指具有线型结构的有机高分子化合物，具有受热软化、冷却硬化的性能，可以在模具内赋形，经冷却定型制得所需形状的制品。将热塑性树脂填充到速生材木粉末中形成木塑材料，可以弥补速生材木材质疏松、质地较软的不足，同时木塑材料应用3D打印可以结合木材天然质感和树脂优良性能，是目前3D打印市场拓宽材料应用范围的重要方向。

传统粉末床3D打印工艺对材料粒度有很高的要求，木材颗粒的纤维特性和结构复杂性增加了较小粒度获取的难度和成本，在现有技术条件下提高成型精度难度较大、成型速度也无法保证；此外木塑粉末材料一般只有较低的木质含量才能满足强度要求，而木塑熔融线材虽然在一定程度上可以提高木质含量，但高温会影响木质基材料内部结构强度。

光固化成型技术是用特定波长与强度的光聚焦到光固化材料表面，逐层凝固逐层叠加构成一个三维实体。光固化3D打印一般分为上升式和下沉式两种，上升式光固化工艺原理简单，能以更低的成本获得更高的精度，但成型尺寸的限制难以实现规模化市场应用，而下沉式光固化更适宜流动性较差的膏体形态物料，目前尚未有木塑膏料3D打印的相关报道。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光固化3D打印成型的木塑膏料制备方法及应用，以解决现有技术中存在的问题。该方法所用木材粉末的颗粒粒度较高，采用膏料形式进行3D打印，成型原理简单实用，成型速度快，可以实现比粉料更高的木质含量。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于光固化3D打印成型的木塑膏料制备方法及应用，所述方法包括以下步骤：

S1：将速生材木粉末、热塑性塑料颗粒和改性剂研磨混合均匀得到木塑混合粉料；

S2：将胶黏剂、分散剂和消泡剂搅拌均匀得到胶黏混合物；

S3：将所述木塑混合粉料、增稠剂和所述胶黏混合物进行分段式离心搅拌得到3D打印木塑膏料；

S4：使用刮刀平整待成型的木塑膏料表面，投影仪在成型台表面上方将截面形状投影到膏料表面，第一层完成后成型台下降一定距离，刮刀铺展平整继续固化，这样下降一层固化一层，最后得到木塑膏料3D打印成型件。

本发明提供的3D打印木塑膏料的主要成分及占比为，所述3D打印木塑膏料中木塑混合粉料占比40-70％、增稠剂占比0.2-2％、胶黏混合物占比30-60％；所述木塑混合粉料中木材粉末占比10-60％、热塑性塑料颗粒占比40-90％、改性剂占比1-4％；所述胶黏混合物中UV胶占比80-90％、分散剂占比1-4％、消泡剂占比0.5-2.5％；

优选地，步骤S1中，所述速生材木为杨木、桉木、柳木的一种，经过切段、破碎、磨粉、干燥和筛分后得到，粒径60目-120目；

所述热塑性塑料颗粒为PP、PE、PVC、ABS等的一种或多种；

所述改性剂为马来酸型、丙烯酸改性聚合物型、环氧树脂改性聚合物型等相容剂，或KH550、KH560、KH570、KH792等硅烷偶联剂的一种；

需要说明的是，步骤S1中，马来酸酐、KH550等改性剂的作用是增加热塑性塑料颗粒与速生材木粉末之间的相容性和粘结性，让搅拌均匀后的木塑混合粉料兼具两者的优势，在一定程度上抵消提高木质含量而带来的强度减弱的问题；在混合速生材木粉末、热塑性塑料颗粒和改性剂过程中需要预热提高搅拌效率，预热温度120℃。

优选地，步骤S2中，所述胶黏剂是醇类、树脂和光引发剂的混合物；所述醇类是乙醇、乙二醇、丙醇和正丁醇等的一种或多种；所述树脂是酚醛树脂、聚醋酸乙烯树脂、脲醛树脂等的一种或多种混合而成；所述光引发剂是是苯偶酰衍生物、α-羟烷基苯酮、酰基膦氧化物、二苯甲酮等一种或多种混合而成；

优选地，所述分散剂是BYK-110、BYK-164、BYK9076、TEGO655、TEGO710、TEGO740W、KOS-110、KOS-163、KOS-2000、KOS-2400、Solsperse 27000、Solsperse 36000、Solsperse39000等的一种或多种；

优选地，所述消泡剂是巴斯夫FoamStar SI 2210消泡剂、BYK-1790消泡剂、BYK-a535消泡剂、TEGO 900消泡剂、TEGO 920消泡剂中的一种或多种。

需要说明的是，步骤S2中，所述胶黏剂在紫外光区(250-400nm)或可见光区(400-800nm)都具有一定吸光能力，是吸收光能后发生光聚合反应，实现膏料的固化成型；所述分散剂和消泡剂都是在各自领域效果显著，适用于多种类型的涂料，可以大大提高木塑膏料的综合性能。

优选地，步骤S3中，所述增稠剂是黄原胶、SEM-25增稠剂、ASE-60增稠剂和DN-2024增稠剂的一种；

优选的，第一段离心搅拌的转速800r/min-1200r/min，时间为20s-40s，第二段离心搅拌的转速为1200r/min-1800r/min，时间为60s-100s。

需要说明的是，粘度越高流动性越差，木塑材料本身具备一定的纤维性和黏附性，制备的木塑膏料粘度在180-260cps，可以满足成型台下降过程中不凝滞、不阻碍的要求。

优选地，步骤S4中，分层厚度为0.6mm-1.2mm，每层固化时间25-35s；

需要说明的是，步骤S4中，当成型台下降时，木塑膏体自然填充效果较差，因此需要刮刀平整表面；将每层的截面图案投影到膏料表面，大大提高了打印效率；采用粒径60目-120目的速生材木粉末，经过研磨、离心、磨损后粒径会有所降低，但考虑到紫外光的固化效果，每一层的厚度不易过小。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1.传统木塑粉料增材制造需要铺粉、喷射、固化等，对系统控制要求高，本发明基于光固化实现木塑膏料的3D打印，成型原理简单实用，将每层的截面图案投影到膏料表面，大大提高了打印效率。

2.本发明扩大了速生材木的应用范围，所用木材粉末的颗粒粒度较高，减少了原材料获取的时间和成本。

3.本发明提供的木塑膏料可以实现较高的木质含量，可以提升木质加工品的市场价值，同时具备一定的环保价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的3D打印木塑膏料成型方法流程图

图2为本发明提供的3D打印木塑膏料成型设备示意图

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

精确称量400g杨木粉末(80目)、585g PP粉(100目)和15g马来酸酐，研磨3h得到1000g木塑混合粉料(木质含量40％)，将950g胶黏剂、30gKOS-2400分散剂和20g FoamStarSI 2210消泡剂搅拌均匀得到1000g胶黏混合物，取600g木塑混合粉料、10g ASE-60增稠剂和400g胶黏混合物进行先以800r/min离心20s，再以1400r/min离心80s得到3D打印木塑膏料；

将制备的木塑膏料装满成型料槽后，使成型台下降到成型台表面距离膏料表面0.6mm，使用刮刀紧贴膏料表面平整一遍，投影到每层木塑膏料的时间为35s，一层固化完毕后刮刀铺展平整继续固化，最后得到木塑膏料3D打印成型件。

实施例2

精确称量600g杨木粉末(120目)、385g HDPE粉(100目)和15g马来酸酐，研磨2.5h得到1000g木塑混合粉料(木质含量60％)，将950g胶黏剂、30g BYK-110分散剂和20g TEGO900消泡剂搅拌均匀得到1000g胶黏混合物，取650g木塑混合粉料、10g黄原胶和350g胶黏混合物进行先以1000r/min离心30s，再以1600r/min离心80s得到3D打印木塑膏料；

将制备的木塑膏料装满成型料槽后，使成型台下降到成型台表面距离膏料表面1.2mm，使用刮刀紧贴膏料表面平整一遍，投影到每层木塑膏料的时间为25s，一层固化完毕后刮刀铺展平整继续固化，最后得到木塑膏料3D打印成型件。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于光固化3D打印成型的木塑膏料制备方法及应用，其特征在于，所述成型方法包括如下步骤：

S2：将胶黏剂、分散剂和消泡剂搅拌均匀得到胶黏混合物；

S4：使用刮刀平整待成型的木塑膏料表面，投影装置在成型台表面上方将截面形状投影到膏料表面，第一层完成后成型台下降一定距离，刮刀铺展平整继续固化，这样下降一层固化一层直到木塑膏料素坯成型，最后得到木塑膏料3D打印成型件。

2.根据权利要求1所述的木塑膏料制备方法及应用，其特征在于，步骤S1中，所述速生材木粉末占比10-60％，粒径60目～120目，为杨木、桉木、柳木的一种；所述热塑性塑料颗粒占比40-90％，为PP、PE、PVC、ABS等的一种；所述改性剂占比1-4％，为马来酸型、丙烯酸改性聚合物型、环氧树脂改性聚合物型等反应型相容剂，或KH550、KH560、KH570、KH792等硅烷偶联剂的一种。

3.根据权利要求1所述的木塑膏料制备方法及应用，其特征在于，步骤S2中，所述胶黏剂占比80-90％，是乙醇、乙二醇、丙醇和正丁醇等醇类的一种或多种，和酚醛树脂、聚醋酸乙烯树脂、脲醛树脂等树脂的一种或多种，和光引发剂混合而成；所述分散剂占比1-4％，为BYK-110、BYK-164、BYK9076、TEGO655、TEGO710、TEGO740W、KOS-110、KOS-163、KOS-2000、KOS-2400、Solsperse 27000、Solsperse 36000、Solsperse39000等的一种或多种；所述消泡剂占比0.5-2.5％，为FoamStar SI 2210消泡剂、BYK-1790消泡剂、BYK-a535消泡剂、TEGO900消泡剂、TEGO920消泡剂中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的木塑膏料制备方法及应用，其特征在于，步骤S3中，所述3D打印木塑膏料中木塑混合粉料占比40-70％、胶黏混合物占比30-60％、增稠剂占比0.2-2％；所述增稠剂是黄原胶、SEM-25增稠剂、ASE-60增稠剂和DN-2024增稠剂的一种；所述分段式离心搅拌中，第一段离心搅拌的转速800r/min-1200r/min，时间为20s-40s，第二段离心搅拌的转速为1200r/min-1800r/min，时间为60s-100s。

5.根据权利要求1所述的木塑膏料制备方法及应用，其特征在于，步骤S4中，所述分层厚度为0.6mm-1.2mm，每层固化时间25-35s。