CN103601502A - 一种环氧树脂覆膜陶瓷粉末的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环氧树脂覆膜陶瓷粉末的制备方法，该方法将陶瓷粉末、环氧树脂、丙酮溶剂按所需比例投入反应釜中，将密封的反应釜升温并进行机械搅拌，保温时，丙酮直接挥发并回收；冷却过程中，环氧树脂结晶包覆在陶瓷粉末表面；从反应釜中取出粉末，放置自然干燥后研磨过筛，即得到最终的环氧树脂覆膜陶瓷粉末材料。该方法有利于提高初始形坯的强度、覆膜效果好，并降低粘接剂的含量，并且工艺简单、对设备要求低，不会对环境造成污染。

Description

一种环氧树脂覆膜陶瓷粉末的制备方法

技术领域

本发明涉及快速成形技术领域，具体涉及一种环氧树脂覆膜陶瓷粉末的制备方法。 

背景技术

目前，研究比较多的SLS材料有高分子粉末材料、金属粉末材料、陶瓷粉末材料、纳米复合材料等，其中，陶瓷材料的快速成型制造是SLS技术的一个重要的发展方向。现阶段研究的陶瓷粉末材料主要有四类：直接混合粘结剂的陶瓷粉末、表面覆膜的陶瓷粉末、表面改性的陶瓷粉末、树脂砂。 

一般来说，SLS系统配备的激光器的功率较小，不足以直接熔化高熔点陶瓷粉末，因此采用间接法来制造陶瓷零件，这种方法使用的陶瓷基粉末材料中含有低熔点粘接剂，激光器通过扫描熔融这些低熔点粘接剂来成形初始形坯。用于间接法SLS的陶瓷复合粉末的制备方法通常有两种：一是机械混合法，是将陶瓷粉末和粘接剂粉末机械混合得到复合粉末，机械混合法具有工艺简单的优点，但其缺点非常明显，如粘接剂含量高，零件后处理收缩大；初始形坯强度低，后处理过程中形坯容易损坏；很难均匀混合，粉末在运输及铺粉过程中易产生偏聚现象等。另外一种为覆膜法，即通过一定工艺将聚合物粘接剂包覆在陶瓷粉末颗粒的外表面，形成聚合物覆膜陶瓷粉末。这种覆膜陶瓷粉末具有较多优点，包括：形坯的强度比较高；粘接剂效率较高，因而含量较少；材料稳定，不易产生偏聚现象；激光吸收率高等。然而目前的覆膜工艺较复杂、成本较高，如最常用的喷雾干燥法，对材料要求高，材料准备工序复杂，对设备要求较高。 

在间接法SLS过程中，初始形坯必须具有足够的强度来保证后处理过程中形坯的形状、尺寸精度不受损失。增加初始形坯的强度最简单的方法是提高聚合物粘接剂的含量，然而由于粘接剂最终要高温脱除即脱脂后处理，因而高粘接剂含量往往造成形坯在脱脂后形成大量空洞，这就使得最终零件要产生不可接受的收缩量，而且还可能使形坯在脱脂过程中溃散。高粘接剂含量引起的另一个问题是脱脂时间的延长，造成效率减低、成本提高。因此，在形坯强度满足后处理要求的情况下，粘接剂的含量要降到最低。因为覆膜粉末的形坯强度高于机械混合粉末，因而使用覆膜粉末更有利于降低粘接剂的含量。另外，环氧树脂作为粘接剂具有粘接力极高、成形收缩率小、化学稳定性好等特性，因此，选用与陶瓷粉末界面粘接较好且SLS成形件的强度较高的环氧树脂作为粘接剂也有利于提高形坯强度，降低聚合物粘接剂的含量，提高制件精度。 

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种新型的环氧树脂覆膜陶瓷粉末的制备方法。 

一种环氧树脂覆膜陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤： 

1）将陶瓷粉末、环氧树脂按所需比例投入反应釜中，加入足量的丙酮溶剂，将反应釜和与之相连的丙酮挥发收集装置整体密封，通氮气保护；将釜内温度从室温经过0.5～1小时升高到40～50℃，升温同时进行机械搅拌，使环氧树脂完全溶解于丙酮中，然后保温1小时～2小时，在保温过程中，丙酮直接挥发； 

2）釜内经过2～3小时冷却至室温，将覆膜粉末聚集体从所述反应釜中取出，放置自然干燥一段时间后，放入真空干燥箱进一步干燥，最后将粉末研磨过筛，即得到环氧树脂覆膜陶瓷粉末材料，其中，所述环氧树脂与陶瓷粉末的质量比不得小于1:19，丙酮的加入量应足够使反应釜搅拌头置于丙酮液面以下。 

其中，所述陶瓷粉末可为氧化铝、碳化硅、氧化锆等。 

其中，步骤1）中丙酮挥发后通过与反应釜相连的挥发收集装置将丙酮回收。 

由上可知，本发明所使用的溶剂为丙酮，因为丙酮可以溶解环氧树脂。整个制备过程在密闭容器中进行，不会对环境造成污染。使用环氧树脂作为粘接剂，因为环氧树脂的软化点低，粘接性强，尺寸稳定性好，机械强度高，成形性好，因而使用环氧树脂做粘接剂有利于提高初始形坯的强度、降低粘接剂的含量。溶剂析出法制备覆膜陶瓷粉末是采用一步法加料，而且使用的反应设备为常规的反应釜，因而具有工艺简单、对设备要求低等特点。 

本发明的方法具有以下有益效果： 

1）粘接剂加入量较少，覆膜效果好，形坯的强度比较高，因此最终烧结体的密度和强度较高，较高强度的SLS坯体有利于后续其它工艺的进行； 

2）材料稳定，不易产生偏聚现象，覆膜较为均匀； 

3）整个制备过程是在密闭容器中进行，丙酮挥发后有专门的收集装置，不会对环境造成污染； 

4）选用环氧树脂作为粘接剂，相比其他用于覆膜的高分子材料，有利于提高初始形坯的强度、降低粘接剂的含量； 

5）采用一步法加料，而且使用的反应设备为常规的反应釜，因而工艺简单、对设备要求低； 

6）解决了传统的喷雾干燥法工艺复杂、成本较高、对材料和设备要求较高等难题。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

本发明提供了环氧树脂覆膜陶瓷粉末的制备方法，其步骤为： 

1）将陶瓷粉末、环氧树脂分别投入带夹套的不锈钢反应釜中，加入足量的溶剂，将反应釜和与之相连的丙酮挥发收集装置整体密封，通氮气保护；其中，陶瓷粉末可以为：氧化铝、碳化硅、氧化锆等各种陶瓷粉料，环氧树脂与陶瓷粉末的质量比可根据需要选取，但不得小于1:19，溶剂为丙酮，加入量应足够使反应釜搅拌头置于丙酮液面以下，一般为4000ml～7000ml；将釜内温度从室温经过0.5～1小时升高到40～50℃，升温同时进行机械搅拌，使环氧树脂完全溶解于丙酮中，剧烈搅拌使陶瓷粉料均匀分散在环氧树脂的丙酮溶液中，保温1～2小时。由于丙酮在室温就会挥发，在保温过程中，丙酮直接挥发，需要通过与反应釜相连的挥发收集装置将丙酮回收，以免污染环境。 

2）釜内经过2小时～3小时冷却至室温，使环氧树脂逐渐以陶瓷粉末为核，结晶包覆在其表面，形成环氧树脂覆膜陶瓷粉末聚集体；将该复合粉末聚集体从反应釜中取出，放置自然干燥一段时间后，再放入真空干燥箱进一步干燥，最后将结成块状的粉末研磨后过筛，即得到所需的环氧树脂覆膜陶瓷粉末材料。 

下面结合通过该方法制造的环氧树脂覆膜不同的陶瓷粉末实施例对本发明作进一步描述。 

实施例1制备环氧树脂覆膜氧化铝粉末 

（1）将环氧树脂E06、氧化铝粉末（FC-A型，法国Baikowski公司）按质量比1：2投入反应釜中，加入4000ml溶剂丙酮（分析纯，天津宝玺丰公司），将反应釜和与之相连的丙酮挥发收集装置整体密封，通氮气保护。将釜内温度从室温经过0.5小时～1小时升高到40～50℃左右，升温同时进行机械搅拌，使环氧树脂完全溶解于丙酮中，剧烈搅拌使氧化铝均匀分散在环氧树脂的丙酮溶液中，保温1小时～2小时，在保温过程中，丙酮直接挥发，通过挥发收集装置将丙酮回收； 

（2）釜内经过2小时～3小时冷却至室温，使环氧树脂逐渐以氧化铝粉末为核，结晶包覆在其表面，形成环氧树脂覆膜氧化铝粉末聚集体。将该聚集体从反应釜中取出，放置自然干燥一段时间后，将结成块状的粉末研磨后过筛，即得到所需的环氧树脂覆膜氧化铝粉末材料。 

实施例2制备环氧树脂覆膜碳化硅粉末 

（1）将环氧树脂E06、碳化硅粉末按质量比1：3投入反应釜中，加入4000ml溶剂丙酮，将反应釜和与之相连的丙酮挥发收集装置整体密封，通氮气保护。将釜内温度从室温经过0.5小时～1小时升高到40～50℃，升温同时进行机械搅拌，使碳化硅均匀分散在环氧树脂的丙酮溶液中，保温1小时～2小时，在保温过程中，丙酮直接挥发，通过挥发收集装置将其回收； 

（2）釜内经过2小时～3小时冷却至室温，使环氧树脂逐渐以碳化硅粉末为核，结晶包覆在其表面，形成环氧树脂覆膜碳化硅粉末聚集体。将该复合粉末聚集体从反应釜中取出，放置自然干燥一段时间后，再放入真空干燥箱10小时左右烘干，最后将结成块状的粉末研磨过筛，即得到所需的环氧树脂覆膜碳化硅粉末材料。 

实施例3制备环氧树脂覆膜氧化锆粉末 

一、对氧化锆粉末表面进行改性即表面有机化处理： 

1）将氧化锆（东莞南玻陶瓷科技有限公司生产）进行预热，并利用超声震荡使其充分分散在乙醇溶剂中，形成悬浮液。偶联剂选用（3-氨丙基）三乙氧基硅烷偶联剂（APTS），用以提高环氧树脂与氧化锆表面之间的黏合强度与耐久性。用乙醇（分析纯）和水按质量比95:5配成醇-水溶液，搅拌下加入APTS使浓度达到2%，将溶液放置1小时使APTS充分水解。将水解的APTS加入到上述悬浮液中，混合物在常温下搅拌2小时，再在75℃下冷凝回流4小时； 

2）将混合物进行离心处理回收溶剂，并用乙醇洗涤沉淀物以除去吸附在氧化锆表面多余的APTS。最后，将得到的沉淀物在110℃下真空干燥1 小时，再在50℃下真空干燥12小时。 

二、对氧化锆粉末进行覆膜： 

1）将环氧树脂E06、表面改性的氧化锆粉末按质量比1：9投入反应釜中，加入5000ml溶剂丙酮，将反应釜和与之相连的丙酮挥发收集装置整体密封，通氮气保护。将釜内温度从室温经过0.5小时～1小时升高到40～50℃，升温同时进行机械搅拌，使氧化锆均匀分散在环氧树脂的丙酮溶液中，保温1～2小时，在保温过程中，丙酮直接挥发，通过挥发收集装置将丙酮回收； 

2）釜内经过2～3小时冷却至室温，使环氧树脂逐渐以氧化锆粉末为核，结晶包覆在其表面，形成环氧树脂覆膜氧化锆粉末聚集体。将该复合粉末聚集体从反应釜中取出，放置自然干燥一段时间后，将结成块状的粉末研磨后过筛，即得到所需的环氧树脂覆膜氧化锆粉末材料。 

综上，本发明通过环氧树脂对陶瓷粉末进行覆膜，获得了性能较好的SLS用陶瓷粉末。该发明克服了传统方法制备SLS用陶瓷粉末时的如下缺陷：（1）粘接剂含量高，零件后处理收缩大；（2）初始形坯强度低，后处理过程中形坯容易损坏；（3）材料不稳定，易产生偏聚现象；（4）工艺复杂，对材料和设备要求较高等。由本发明的工艺制备SLS用覆膜陶瓷粉末具有简单易行、加工周期短、成本低等特点，有助于实现陶瓷零件的SLS快速制造，拓展了SLS成形技术的应用范围，在快速成形领域具有广泛的应用前景。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种环氧树脂覆膜陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

1）将陶瓷粉末、环氧树脂按所需比例投入反应釜中，加入丙酮溶剂，将反应釜和与之相连的丙酮挥发收集装置整体密封，通氮气保护；将釜内温度从室温经过0.5～1小时升高到40～50℃，升温同时进行机械搅拌，使环氧树脂完全溶解于丙酮中，然后保温1～2小时，在保温过程中，丙酮直接挥发；

2）釜内经过2～3小时冷却至室温，将得到的覆膜粉末聚集体从所述反应釜中取出，放置自然干燥一段时间后，放入真空干燥箱进一步干燥，最后将粉末研磨过筛，即得到环氧树脂覆膜陶瓷粉末材料；

其中，所述环氧树脂与陶瓷粉末的质量比不小于1:19，丙酮的加入量应足够使反应釜搅拌头置于丙酮液面以下。

2.根据权利要求1所述的一种环氧树脂覆膜陶瓷粉末的制备方法，其中，所述陶瓷粉末为氧化铝、碳化硅或氧化锆。

3.根据权利要求1或2所述的一种环氧树脂覆膜陶瓷粉末的制备方法，其中，所述步骤1）中丙酮挥发后通过与反应釜相连的挥发收集装置将丙酮回收。

4.根据权利要求1所述的一种环氧树脂覆膜陶瓷粉末的制备方法，其中，丙酮的加入量为4000ml～7000ml。

5.一种环氧树脂覆膜氧化锆陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

一、对氧化锆粉末表面进行改性即表面有机化处理：

1）将氧化锆粉末进行预热，并利用超声震荡使其充分分散在乙醇溶剂中，形成悬浮液；选用（3-氨丙基）三乙氧基硅烷偶联剂（APTS）作为偶联剂，用以提高环氧树脂与氧化锆表面之间的黏合强度与耐久性；用乙醇和水按质量比95:5配成醇-水溶液，搅拌下加入APTS使浓度达到2%，将溶液放置1小时使APTS充分水解；将水解的APTS加入到上述悬浮液中，混合物在常温下搅拌2小时，再在75℃下冷凝回流4小时；

2）将混合物进行离心处理回收溶剂，并用乙醇洗涤沉淀物以除去吸附在氧化锆表面多余的APTS；最后，将得到的沉淀物在110℃下真空干燥1小时，再在50℃下真空干燥12小时。

二、对氧化锆粉末进行覆膜：

1）将上述经过表面改性的氧化锆粉末、环氧树脂、溶剂丙酮按所需比例投入反应釜中，将反应釜和与之相连的丙酮挥发收集装置整体密封，通氮气保护；其中，环氧树脂与氧化锆粉末的质量比不得小于1:19，丙酮的加入量应足够使反应釜搅拌头置于丙酮液面以下；

将釜内温度从室温经过0.5～1小时升高到40～50℃，升温同时进行机械搅拌，使氧化锆均匀分散在环氧树脂的丙酮溶液中，保温1～2小时，在保温过程中，丙酮直接挥发，通过与反应釜相连的挥发收集装置将丙酮回收；

2）釜内经过2～3小时冷却至室温，使环氧树脂逐渐以氧化锆粉末为核，结晶包覆在其表面，形成环氧树脂覆膜氧化锆粉末聚集体；将该复合粉末聚集体从反应釜中取出，放置自然干燥一段时间后，将结成块状的粉末研磨后过筛，即得到所需的环氧树脂覆膜氧化锆粉末材料。