一种通过3d打印获得炭黑微观形貌放大实体的方法
【专利摘要】本发明公开了一种通过3D打印获得炭黑微观形貌放大实体的方法，该方法针对无机材料微观炭黑原生颗粒或聚集体，通过3D打印机打印出炭黑的微观形貌，建立了炭黑形貌微观与宏观的联系，即通过3D打印技术实现了把微观进行宏观化、实体化。且依靠精确的数据点来做出炭黑微观形貌图，有真实数据作为支撑，所得放大实体结构精确。本发明将炭黑微观进行了宏观化，极大的促进了科研工作者对炭黑结构、粒径、形貌的研究，也将为研究炭黑聚集体补强橡胶提供一手资料，而且对这种技术的开发也对实际生产具有指导意义。
【专利说明】一种通过3D打印获得炭黑微观形貌放大实体的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及炭黑微观形貌转化为宏观实体技术，属于研究纳米新材料微观形貌技术。
技术背景
[0002]炭黑微观形貌一般用扫描探针显微镜或透射电镜得到，只是一张形貌图，目前还无法转化为精确的形貌实体，市场上出现的炭黑模型仅仅是根据微观形貌图或猜想画出来的，这不能避免人为主观因素。
[0003]目前，3D打印技术方兴未艾，在材料制备领域的应用日益广泛。BillietT等人在 B1materials 期干丨J上发表的论文 The 3D printing of gelatin methacrylamidecell-laden tissue-engineered constructs with high cell viability 以丙烯酉先胺凝胶为原料，打印出了生物组织结构。这种结构可以装载细胞，其细胞的存活率达97%，3D打印出的这种组织结构与细胞具有良好的相容性。Pati F等人在Manufacturing Letters期干丨J上发表的论文 3D printing of cell-laden constructs for heterogeneous tissueregenerat1n采用了类似的方法用3D打印出了再生异构组织,其细胞的存活率也很高。但目前这种技术都只是用于打印出宏观的结构物件，还没有人提出通过宏观的方法打印出微观(纳米级)的结构，更没有将其用于打印炭黑聚集体、原生颗粒的报道。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明提供了一种通过3D打印获得炭黑微观形貌放大实体的方法。针对无机材料微观炭黑原生颗粒或聚集体，通过3D打印机打印出炭黑的微观形貌，建立了炭黑形貌微观与宏观的联系，即通过3D打印技术实现了把微观进行宏观化、实体化。
[0005]本发明通过以下技术方案来实现:
一种通过3D打印获得炭黑微观形貌放大实体的方法，包括以下步骤:
1)获取炭黑的微观形貌图；
2)将所述微观形貌图转换成表示所述微观形貌图中各点坐标值的数据文件；
3)将步骤2)中所得的数据文件转换成绘图软件可识别的形式；
4)将步骤3)中所得的数据导入绘图软件绘制出各独立的点，然后对这些点进行实体化，获得放大的三维实体图片；
5)采用3dmax软件将步骤4中所得的三维实体图片转换成3D打印机可识别的格式；
6)开启3D打印机打印出表现炭黑微观形貌结构的放大实体。
[0006]本方法通过3 D打印技术实现了炭黑微观形貌放大实体化，依靠精确的数据点来做出炭黑微观形貌图，有真实数据作为支撑，所得放大实体结构精确。
[0007]作为可选方式，在上述方法中，所述步骤I)中的微观形貌图采用扫描探针显微镜或透射电镜得到。
[0008]作为可选方式，在上述方法中，通过超声把炭黑分散在无水乙醇中，超声20min ；然后将超声好的炭黑无水乙醇溶液滴在干净的云母片上，吹干，把云母片放入扫描探针显微镜样品室，进行扫描，得到炭黑微观形貌图。其中炭黑和无水乙醇的配合比例优选为炭黑
0.1mg,无水乙醇200ml ο
[0009]作为可选方式，在上述方法中，所述步骤2 )通过步骤I )中所用的微观形貌获取工具自带的软件完成，例如通过扫描探针显微镜自带软件转化为Excel数据，数据点的个数可根据图像分辨率的要求灵活选取(当数据提供得越多，图像分辨率越高)，可选的数据点个数包括:64X64,128X 128，256X 256，512X 512，1024X1024 等。优选 256X256 个点。
[0010]作为可选方式，在上述方法中，所述步骤3 )和4 )中所述绘图软件为AutoCAD。
[0011]作为可选方式，在上述方法中，所述步骤3 )具体为将每个点的各坐标值之间的空格换成逗号。具体转换方式可采用MATLAB软件，按照以下程序来进行:
clear
clc ；
mm=xlsread(J dat.xlsxJ);
mn=size(mm);
k=l;
for i=l:1:mn (I)
for j=l:1:mn (2)
XX(k,:) = [mm(l, j)，mm(i，l)，mm(i，j)];
k=k+l;
end
end
xlswrite (’ s j.xlsx’，xx)
导入数据库，得到 X1 Y1 Z1
χ2y2 z2
坐标群，将文件另存为txt格式，利用替换功能，用“，”代替“ ”，得到:
X1, Yn zi
X2，12，Z2
坐标系。
[0012]作为可选方式，在上述方法中，步骤4 )中所述的实体化具体为:选择AutoCAD中的三维多段线画图程序将各点连接起来形成封闭曲线，并通过设置两点间的距离值来调整放大倍数。由于炭黑形貌图的数据导入CAD没有经过实体化，所以3D打印机是无法识别的，如果依次将每个数据(256 X 256个点)实体化，也是不现实的，这是一个难点，通过CAD的“三维多段线画图程序”将炭黑形貌转化为实体。
[0013]作为可选方式，在上述方法中，所述3D打印在常温下进行，所用材料为光敏树脂。采用常温下光敏树脂打印，节能且可控性增加，是将微观炭黑宏观化并精确的打印出来，真实地反映了炭黑的形貌与结构。
[0014]作为可选方式，在上述方法中，通过超声把炭黑分散，是炭黑颗粒达到原生颗粒、聚集体的级别，采用扫描探针显微镜对炭黑形貌进行扫描，得到炭黑形貌图。再用扫描探针原子力显微镜自带软件把形貌图导出，数据为.exl格式。通过MATLAB软件对.exl数据处理，转化成特定的格式。然后把数据导入CAD，画出炭黑形貌，再转化为实体，通过3dmax把数据转化为3D打印机可识别的.stl格式。最后，打印出炭黑微观形貌的放大实体。
[0015]本发明还提供了一种炭黑微观形貌的宏观放大实体模型，该模型可采用上述方法中的任意一个制得。
[0016]本发明还提供了一种上炭黑微观形貌的宏观放大实体模型的应用，其特征在于，将其用于教学模型。
[0017]本发明还提供了一种上炭黑微观形貌的宏观放大实体模型的应用，其特征在于，将其用于有关炭黑的风洞试验，探索微观炭黑与高分子链的关系，模拟炭黑补强橡胶机理。
[0018]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0019]本发明的有益效果:
1、本发明针对无机材料微观炭黑原生颗粒或聚集体，通过3D打印机打印出炭黑的微观形貌，建立了炭黑形貌微观与宏观的联系，即通过3D打印技术实现了把微观进行宏观化、实体化。且依靠精确的数据点来做出炭黑微观形貌图，有真实数据作为支撑，所得放大实体结构精确。
[0020]2、本发明将炭黑微观进行了宏观化，极大的促进了科研工作者对炭黑结构、粒径、形貌的研究，也将为研究炭黑聚集体补强橡胶提供一手资料，而且对这种技术的开发也对实际生产具有指导意义。比如可用于做有关炭黑的风洞试验，探索微观炭黑与高分子链的关系，模拟炭黑补强橡胶机理。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为实施例1中所述方法的流程图。
[0022]【具体实施方式】:
以下通过实施例的【具体实施方式】再对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应当将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明的精神和原则之内做的任何修改，以及根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的等同替换或者改进，均应包括在本发明的保护范围内。
[0023]实施例1:
本试验首先通过超声把炭黑分散，是炭黑颗粒达到原生颗粒、聚集体的级别，采用日立公司E-sweep扫描探针对炭黑形貌进行扫描，得到炭黑形貌图。再用扫描探针原子力显微镜自带软件把形貌图导出，数据为.exl格式。通过MATLAB软件对.exl数据处理，转化成特定的格式。然后把数据导入CAD,画出炭黑形貌,再转化为实体(.dwg文件),通过3dmax把数据转化为3D打印机可识别的.stl格式。最后，打印出炭黑微观形貌的放大实体。具体流程如图1所示。
[0024]作为可选方式，在上述方法中，所述3D打印在常温下进行，所用材料为光敏树脂。采用常温下光敏树脂打印，节能且可控性增加，是将微观炭黑宏观化并精确的打印出来，真实地反映了炭黑的形貌与结构。
[0025] 实施例2:
按照以下步骤制备炭黑的微观形貌放大实体:
1)通过超声把炭黑分散在无水乙醇中(炭黑0.1mg,无水乙醇200ml),超声20min ；
2)将超声好的炭黑无水乙醇溶液滴在干净的云母片上，吹干。把云母片放入扫描探针显微镜样品室，进行扫描，得到炭黑微观形貌图(纳米级)；
3)将炭黑微观形貌.xqd转化为.xqt，然后导出.exl数据(256X256个点)；
4)利用MATLAB软件，开发出一个程序来对.exl数据进行处理: clear
clc ；
mm=xlsread(J dat.xlsxJ);
mn=size(mm);
k=l;
for i=l:1:mn (I)
for j=l:1:mn (2)
xx(k,:) = [mm(l, j)，mm(i，l)，mm(i，j)];
k=k+l;
end
end
xlswrite (’ s j.xlsx’，xx)
导入数据库，得到 X1 Yi Z1
χ2 y2 z2
坐标群，将文件另存为txt格式，利用替换功能，用“，”代替空格，得到:
X1, Yn zi
X2，12，Z2
坐标系；
5)打开AutoCAD，选择三维多段线画图程序，将3)步得到的数据导入，待AutoCAD画图完成后，输出“C”命令，使其形成封闭曲线，再输出“W”命令，选择将图像转化成“块”；
6)把AutoCAD保存的.dwg文件导入3dmax,转化为3D打印机可识别的.stl格式,打印出炭黑微观形貌结构实体；
7)开启电脑，连接至3D打印机。关闭电脑防火墙和电脑管家等电脑安全软件程序；
8)在控制面板的网络Internet连接选项中，设置电脑静态IP地址:169.254.1.3，设置子掩码为255.255.0.0 ；
9)开启3D打印机，开机后3D打印机系统会自检，打开IE8(或以上版本)浏览器，输入IP地址=169.254.1.1，进入3D打印机网页控制界面；
10)点击login，输入账号密码，此时3D打印机会进行准备工作，依次点击OK和NO之后(如需要更换材料，则需要点击YES,更换材料)，网页会显示“printer is ready”字样,此时打印机准备完成；
11)选择print中new,新建打印任务，选择creat,此时会弹出3D打印的模型控制窗口。选择“load CAD file”,将转化的.STL格式的文件选中，然后选择“Auto partplacement”自动居中，通过“Scale”控制放大缩小和“Rotate”控制旋转方向，调整至所需要的模板模型；
12)模型尺寸确定以后,选择“Generateand Preview Supports”生成和预览支撑，然后点击“Submit”按钮来提交任务到打印列表,或者从File下拉菜单中点击“Submitjob”，此时会回到网页控制界面；
13)点击“clickhere to start”,分别选择YES和NO之后，点击statr print,开始打印工作；
14)待打印机打印完成之后，必须佩带丁腈手套和防紫外专用眼镜，然后打开打印机，取出打印成果，用铲子和小刀取下打印的模型，然后放入酒精中，浸泡半小时取出，即打印出炭黑形貌结构。
[0026]作为可选方式，在上述方法中，所述3D打印在常温下进行，所用材料为光敏树脂。采用常温下光敏树脂打印，节能且可控性增加，是将微观炭黑宏观化并精确的打印出来，真实地反映了炭黑的形貌与结构。
[0027]应用例
将实施例2中所得的炭黑形貌结构的宏观模型用于课堂教学，对学生理解炭黑形貌结构具有极大的帮助。应用于科研工作中也能极大的促进了科研工作者对炭黑结构、粒径、形貌的研究。另外，将该模型用作有关炭黑的风洞试验，也有助于探索微观炭黑与高分子链的关系，模拟炭黑补强橡胶机理。
[0028]以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种通过3D打印获得炭黑微观形貌放大实体的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)获取炭黑的微观形貌图； 2)将所述微观形貌图转换成表示所述微观形貌图中各点坐标值的数据文件； 3)将步骤2)中所得的数据文件转换成绘图软件可识别的形式； 4)将步骤3)中所得的数据导入绘图软件绘制出各独立的点，然后对这些点进行实体化，获得放大的三维实体图片； 5)采用3dmax软件将步骤4中所得的三维实体图片转换成3D打印机可识别的格式； 6)开启3D打印机打印出表现炭黑微观形貌结构的放大实体。
2.根据权利要求1所述的通过3D打印获得炭黑微观形貌放大实体的方法，其特征在于，所述步骤I)中的微观形貌图采用扫描探针显微镜或透射电镜得到。
3.根据权利要求1所述的通过3D打印获得炭黑微观形貌放大实体的方法，其特征在于，所述步骤I)中的微观形貌图采用扫描探针显微镜得到，其具体方法为:通过超声把炭黑分散在无水乙醇中，超声20min;然后将超声好的炭黑无水乙醇溶液滴在干净的云母片上，吹干，把云母片放入扫描探针显微镜样品室，进行扫描，得到炭黑微观形貌图。
4.根据权利要求1所述的通过3D打印获得炭黑微观形貌放大实体的方法，其特征在于，所述步骤2 )通过步骤I )中所用的微观形貌获取工具自带的软件完成。
5.根据权利要求1所述的通过3D打印获得炭黑微观形貌放大实体的方法，其特征在于，所述步骤3 )和4 )中所述绘图软件为AutoCAD。
6.根据权利要求5所述的通过3D打印获得炭黑微观形貌放大实体的方法，其特征在于，所述步骤3 )具体为将每个点的各坐标值之间的空格换成逗号。
7.根据权利要求5所述的通过3D打印获得炭黑微观形貌放大实体的方法，其特征在于，步骤4 )中所述的实体化具体为:选择AutoCAD中的三维多段线画图程序将各点连接起来形成封闭曲线，并通过设置两点间的距离值来调整放大倍数。
8.一种炭黑微观形貌的宏观放大实体模型，其特征在于，采用如权利要求1?7中任意一个所述的方法制得。
9.根据权利要求8所述的炭黑微观形貌的宏观放大实体模型的应用，其特征在于，将其用于教学模型。
10.根据权利要求8所述的炭黑微观形貌的宏观放大实体模型的应用，其特征在于，将其用于有关炭黑的风洞试验，探索微观炭黑与高分子链的关系，模拟炭黑补强橡胶机理。
【文档编号】B29C67/00GK104385586SQ201410489001
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】陈建, 吴召洪, 朱晓飞, 罗少伶, 蒋文平, 朱林英, 龚勇, 胥会 申请人:四川理工学院