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具有自清洁抗菌功能的3D打印材料及制备方法与应用

申请号:
CN201410789469.8
专利权人:
广州飞胜高分子材料有限公司;华南农业大学
发明人:
谷文亮;周武艺;董先明;麦卓贤;曾伟杰;
专利类别:
发明专利
所属类目:
机械/加工/设备
权利状态:
有效
商品价格:
¥7,777,777.00
七弦琴官方服务:
七弦琴专利交割服务 ¥350.00
2020湾高赛 七弦琴自营
店 主:
13712165455
所在地:
广东省 珠海市
星 级:
弦 级:
1弦
客 服:
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  • 描述相符

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  • 服务态度

    5.0

  • 物流服务

    5.0

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  基础信息

  牵头参赛单位:华南农业大学

  证照号码:124400004554165634

  其他参赛单位:广州飞胜智能科技有限公司

  证照号码:914401060681624605

  广州谱睿汀新材料科技有限公司

  证照号码:124400004554165634

  单位类型:高校

  项目规模:初创型

  参赛团队负责人:周武艺


  参赛项目技术介绍

  核心技术介绍:本项目主要以高分子聚合物为基材,通过对高分子聚集态结构优化和对组分设计配比合理优化而制备具有功能性或质感的复合材料,该材料将具有环境友好、力学性能良好、耐热性较好、可屏蔽射线、木质感强等特点,可用作快速成型的3D打印材料。重点解决复合材料的机械强度、光催化自洁防污、射线屏蔽性、耐热性、具有木质感性等及其他功能性能的关键科学问题。系统研究木质粉/聚合物、夜光稀土/聚合物、光催化剂抗菌剂/聚合物、钨铅粉/聚合物等复合材料的制备工艺,获得可用于3D打印的复合材料最佳加工工艺和组分设计配方;通过研究功能添加剂或辅助添加剂与基体间界面层和界面粘合情况,探讨其复合材料的作用机制;通过改性功能添加剂或辅助添加剂等进一步提高复合材料的功能性或质感效果;开展复合材料在3D打印的应用研究,获得各功能或性能良好的快速成型复合材料产品,拓展3D打印技术的研究前沿,并建立相关的企业标准。

  关键技术点:

  (1)纳米二氧化钛及纳米银复合光催化自清洁抗菌机理。通过掺杂或者半导体复合技术改性纳米二氧化钛颗粒提高其可见光催化活性,掺入纳米银颗粒后对纳米二氧化钛光催化时光生量子或光生电子的影响,探明其催化机理。

  (2)木粉表面改性、生产工艺及产业化。通过辐射接枝聚合、硅烷偶联剂、异氰酸酯类或者油酸等对木屑粉表面进行处理,旨在提高木粉与可降解塑料的相容性及其分散均匀性,提高复合材料的尺寸稳定性、不堵孔、不翘曲、降低加工条件。精确控制木粉/可降解聚合物复合材料的生产工艺及参数优化,获得稳定的生产工艺、3D打印过程流畅,不翘边。

  (3)夜光稀土的改性、生产工艺及产业化。先采用二氧化硅等对夜光稀土(夜光粉)进行包裹改性处理,在采用硅烷偶联剂等对夜光稀土进行有机改性,目的主要是提高夜光稀土与聚合物的相容性和分散性,并且不影响夜光稀土的发光机理和发光功能。精确调节生产加工工艺及参数优化,获取稳定的生产工艺及配方。

  (4)核屏蔽套复合材料表面改性的技术研究及产业化。由于本项目中选用钨粉和铅粉的一种或两种混合的方式作为射线屏蔽添加剂使用,而钨或铅与普通的添加辅助料有很大的不同。密度大,在熔融的聚合物中由于重力作用的情况更容易下沉;添加量大,容易团聚,如果温度太高,会出现大量的粒子团聚,不利于打印;此外粒子容易变形,如铅具有很好的延展性,受力剪切或碾压很容易会变形。因此在该复合材料加工制备过程中需要考虑到各种条件因素。

  复合材料表面改性的技术研究及产业化。目前市场上还没有屏蔽射线的3D打印线材及专用3D打印设备产品,传统的防辐零部件屏蔽套几乎都采用模压成型和压板的工艺制造,对功能材料的表面改性要求不高;本研究中主要采用偶联剂对功能材料表面进行化学改性,在功能材料粒子表面接枝上有机物或偶联剂,将功能材料均匀包裹起来,使得功能材料能更好地与聚合物基体均匀混合,提高了功能材料与聚合物基体的相容性,减少了功能材料在加工过程中的团聚现象。

  复合材料混合、挤出加工工艺的研究及产业化。功能添加料与聚合物材料及辅料在混合造粒过程中容易出现团聚,导致混合不均匀。主要采取方法,一是在混料过程中控制好混料时的温度和速度,以及调节造粒过程中螺杆的熔融混合温度和速度;二是对功能材料进行多次混合,可以为两次、三次等,能够让功能料在聚合物中分散得更加均匀,也能减少功能粒子的团聚情况。由于功能粒子在高温下容易发生团聚,在单螺杆熔融挤出的过程中容易出现螺杆堵头等技术难点。可以采取降低螺杆的加工温度或合适提高螺杆的速度等方法解决。在解决功能粒子团聚的同时,最终单螺杆熔融挤出拉丝时会出现难成型、线径不稳定、线材不符合打印要求等加工技术难点。首先选材上,选择的聚合物与冷却方式必须是一致的,在冷却过程中对线材不产生负面影响;在工艺上,合理设计冷却槽的段数及冷却需要的不同温度及方式;在配方上,减少材料在冷却成型过程中的收缩。

  专用打印设备设计及打印工艺的研究及产业化。在现有的3D打印技术上,大部分材料在打印过程中都会出现不能打印、翘边、堵头、精度不够、打印样件不合格等关键难点,而且又是直接影响我们打印生产的关键难点。首先从打印的温度着手,将各个装置的温度调节到最优的温度,如对打印喷嘴温度、平台温度、打印空间环境温度等进行综合性的调试,增加打印流畅性、稳定性和制品的质量程度;其次从速度上调节,如三轴的移动速度、样件打印速度、内部填充和内外壁及实心部分的打印速度的综合调试,在获得高精度高质量制品的同时又能获得生产加工的合理效率;在打印设备改良设计上,针对屏蔽套复合材料的特性,在原有设备的技术上进行改良改造,如打印设备的密封性、打印环境中需要的恒温装置、打印环境中湿度装置、打印平台的结构及特性、打印喷嘴的特殊性、线材挤出装置的特殊性等。

  技术先进性:将自清洁抗菌功能引入到3D打印材料中并将其实现及有机聚合物与无极聚合物之间的均匀相容性以及结合到3D打印的要求这是本行业关键性、共性的技术难题。与现有技术相比,本项目制备而成的3D打印复合材料不仅杀菌率达到99.9%,抗菌能力也均在4级及以上。本发明专利实现对具有自清洁抗菌功能3D打印复合材料产业化生产,对3D打印行业均具有十分重要的经济和社会意义。

  (1)功能化。与目前市场上的同类型产品相比,不仅具有良好的力学性能,还增加了产品的一些功能,使得本产品更具有实用性;如本项目研究产业化推广的自清洁抗菌功能就是几乎所有的产品都能实现,而且都很有必要实现,这样更能保护产品或打印件的使用寿命;

  (2)质感优异。如本项目的木质属性与目前现有的木色产品相比,木质属性的质感更明显;

  (3)材料新。项目产品不仅是在原有的材质上进行升级,还将材料赋予各种可适用于不同领域或不同环境的新功能;如夜光复合材料,遮光复合材料,香味复合材料等。

  (4)技术领先。本项目产品具有全国甚至全球都领先的技术,如自清洁抗菌技术、射线屏蔽技术等都是目前国内外市场上所没有的。

  (5)经济成本相对低。由于本团队成员绝大部分都是本3D打印技术领域内拥有丰富经验的创业者和科研者,具有一整套成熟的项目产业化管理经验和生产管理经验,因此也大大地提高了产品的生产效率和质量,从而降低了产品生产的成本,与同等产品对比更具有市场竞争力。

  技术壁垒:(1)采用天然木质粉与可降解塑料(聚乳酸)复合制备机械性能良好、可生物降解的绿色木塑复合材料,并将其应用于3D打印,为拓展木塑型可降解塑料复合材料的应用范围和3D打印材料的发展提供了新思路。通过光催化纳米材料改性木粉/可降解塑料复合材料,获得具有自洁3D打印复合材料,实现自清洁防污以及可降解功能,清洁环保,符合国家科技发展方向。

  (2)制备出同时具有良好的发光性能、自清洁抗菌性能和力学性能的聚乳酸3D打印材料产品。相对于市场上现有的聚乳酸3D打印材料产品,本项目所研制的聚乳酸3D打印材料除了保持原有的良好力学性能外,还同时具备发光和自清洁抗菌性能,为拓展聚乳酸3D打印材料的功能、提高其综合性能提供了新思路。通过功能化纳米抗菌材料和稀土发光材料对3D打印用可降解聚合物复合材料进行改进,获得具有发光、自洁防污3D打印材料,实现产品的发光、自清洁防污以及可降解等功能,因此,本项目所研发的产品具有多功能、环保等特色,符合国家当前科技发展方向。

  (3)本项目中使用的纳米银颗粒尺寸为10-20nm,其比表面积可达100-200m2/g。能较好地分散到线状聚合物材料中;纳米二氧化钛颗粒尺寸为20-30nm粉末,其比表面积能达到50-100m2/g;纳米二氧化钛具有较好的光催化自清洁功能,与纳米银颗粒结合形成复合光催化剂。其光生电子和空穴能快速迁移到纳米银颗粒上,提高了光生量子效率,从而能大大提高3D打印产品的表面自清洁和抗菌抑菌功能。此外,本项目的3D打印聚合物材料既能保持良好的韧性和力学性质外,还具有了良好的自清洁及防污性能。

  (4)本项目的屏蔽套的3D打印复合材料除了保持基体材料原有良好力学性能外,还增加了良好的核辐射屏蔽功能,对X射线、Y射线以及核辐射都有优异的屏蔽效果;采用钨粉和铅粉微粒作为屏蔽射线的功能添加剂并均匀分布在高分子聚合物中,制备成具有防核辐射的屏蔽复合材料。关键使用了γ-巯丙基三甲氧基硅烷对铅粉和钨粉微粒进行了表面接枝改性,使得铅粉钨粉表面接上有机改性分子和表面变得更加粗糙,这有利于高分子的分子链对改性铅粉钨粉表面的粘接和缠结,有助于改性铅粉钨粉在高分子聚合物中均匀分散;在应用上,与传统铅板或铅胶板更加整洁,使用更换更加方便快捷,减少射线对操作工作人员身体的伤害。

  产品或技术成熟度:1.目前产业化进展

  目前项目产品已经通过了小试和中试,并实现产业化生产。本项目产品推广上市后,在国内外多家3D打印设备制造商模具企业及国外多家代理商等均有使用,在市场销量占据领先地位,自实施日至2019年12月止,销售量达100吨,自上市后深受广大用户和代理商的青睐,获得重大的社会效益。

  2.已具备的产业化条件

  公司具有产业化条件,目前公司在工业园区厂房有1000多平米,拥有4条生产线,产能达到500吨/条,年产能达到2000吨。公司通过ISO9000认证,产品生产工艺稳定。

  3.未来产业化计划

  未来拟在3-5年内增加2条生产线,人工增加到50人以上,实现产能提高到3000吨/年,实现销售5000万/年。


       联系人:孙明达,  邮箱:sunmingda@7ipr.com,  电话:18618174056,  微信:18618174056

根据《2020年粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛工作方案》,依据公平、公正、公开的原则,经过初赛、复赛、决赛,大赛最终决出金奖2名(初创组1名、成长组1名)、银奖8名(初创组4名、成长组4名)、优秀奖20名(初创组10名、成长组10名)、最佳分析评议奖2名(初创组1名、成长组1名)、最具投资潜力奖6名(初创组3名、成长组3名),现正式予以公布!


2020年湾高赛官网:https://ghm.7ipr.com/

联系人:孙明达,  邮箱:sunmingda@7ipr.com,  电话:18618174056,  微信:18618174056


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