CN104877463A - 一种3d喷墨打印用氧化锆陶瓷墨水及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D喷墨打印用氧化锆陶瓷墨水及制备方法。墨水中分散剂聚丙烯酸铵的含量为氧化锆纳米粉体的质量的0.1～0.2％。在固相含量为38vol％下，仍具有优异的流变性能，其黏度与剪切速率的曲线呈典型的剪切变稀型，在高剪切速率下其具有较低的黏度37.36mPa·s。在剪切速率为1000s-1下，其黏度随温度的升高而降低。墨水中氧化锆粉体的粒径小，平均粒径为348nm，D90为688nm，zeta电位大为-54.1mV；本发明制备的氧化锆陶瓷墨水生产成本低，制备工艺简单且流变性能良好，符合喷墨打印用墨水的性能要求。

Description

一种3D喷墨打印用氧化锆陶瓷墨水及制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷墨水。特别涉及一种3D喷墨打印用氧化锆陶瓷墨水及制备方法。
背景技术
作为一种新型的陶瓷材料成型技术，喷墨打印得到了越来越多的关注，而喷墨打印的关键在于陶瓷墨水的制备。
直接喷墨打印成型技术(Direct Ink-jet Printing,DIP)是将含有陶瓷颗粒的墨水逐层沉积到基底上构建三维陶瓷物体，通过DIP方法已经制得了微米和毫米级别的三维陶瓷结构。DIP技术属于3D打印技术的一种，包括连续式喷墨打印(Continuous Ink-jet Printing)和间歇式喷墨打印(Drop-on-demand Ink-jet Printing)。大部分的DIP技术研究者都采用间歇式喷墨打印机，间歇式喷墨打印技术又可根据墨水喷出原理不同分为两种：热泡式(thermaldrop-on-demand)和压电式(piezoelectric drop-on-demand)。利用这两种打印机已经成功地喷射出陶瓷墨水，但是鉴于打印机自身对墨水性能的限制，这些成功打印墨水的黏度低、固相含量也低[1,2]，这样就增加了墨滴在基底上的干燥时间，增加了墨滴在基底上的流动，同时也减小了喷射层的厚度和打印精度。为了提高墨水的固相含量，Derby B等制备了高固相含量(体积分数为40vol％)的石蜡基墨水[3]，但由于其制备的墨水为石蜡基墨水，与水基墨水不同，石蜡基墨水中的石蜡虽然变相地提高了墨水的固相含量，但是墨水中陶瓷粉的含量仍然很低，打印出的陶瓷生坯密度仍然很低。因此，提高溶剂基陶瓷墨水的固相含量就成了必然。
现有涉及高固相含量和低粘度氧化锆陶瓷墨水的制备方法，公开号CN101941834A其方法制备用于喷雾造粒，其主要技术特征在于采用不同分散剂进行三次球磨，其制备的氧化锆陶瓷浆料仅适用于喷雾造粒，由于喷雾造粒要求的黏度大于喷墨打印对墨水黏度的要求，因此其制备的陶瓷浆料并不符合3D喷墨打印陶瓷的氧化锆墨水的性能要求。
发明内容
本发明的目的，是在现有技术的基础上，提供一种适于3D喷墨打印的高固相含量低粘度氧化锆陶瓷墨水及其制备方法。制备氧化锆陶瓷墨水在高剪切速率下的黏度仅为37.36mPa·s，在3D喷墨打印用陶瓷墨水的黏度要求范围内。
本发明通过如下技术方案予以实现：
一种3D喷墨打印用氧化锆陶瓷墨水，分散剂聚丙烯酸铵的含量为氧化锆纳米粉体的质量的0.1～0.2％。
本发明的3D喷墨打印用氧化锆陶瓷墨水的制备方法，其步骤如下：
(1)将分散剂溶于弱碱性水溶液中，然后加入氧化锆纳米粉体，使得氧化锆粉体的体积占整个墨水体积的38％，然后混合均匀；分散剂聚丙烯酸铵的含量为氧化锆纳米粉体的质量的0.1～0.2％；
(2)将步骤(1)得到的液体倒入球磨罐中，在球磨罐内加入研磨球，研磨球的质量与步骤(1)中用到的氧化锆质量比为1.8～3:1，然后将球磨罐置于球磨机上进行球磨，得到氧化锆浆料。
(3)将研磨球置于砂磨罐内，使研磨机在每分钟200～300转的低速下运行，然后在注料口加入步骤(2)得到的氧化锆浆料，使得氧化锆浆料刚好完全覆盖研磨球，砂磨后得到氧化锆陶瓷墨水。
所述步骤(1)所用的弱碱性水溶液是pH＝10～10.5的氨水溶液。
所述步骤(2)所用的研磨球，是直径为3～5毫米的氧化锆球。
所述步骤(2)中的球磨，是以每分钟为200～250转的转速下球磨18～24小时。
所述步骤(3)所用的研磨球，是直径为0.08～0.12毫米的氧化锆球。
所述步骤(3)中的砂磨，是以每分钟2800～3000转的转速下砂磨60～80分钟。
本发明的一种3D喷墨打印用氧化锆陶瓷墨水及其制备方法，所制备的氧化锆陶瓷墨水固相含量高，分散效果好同时具有较低的黏度。具有如下优点：
1、本发明制备的氧化锆陶瓷墨水，在固相含量为38vol％下，仍具有优异的流变性能，其黏度与剪切速率的曲线呈典型的剪切变稀型，在高剪切速率下其具有较低的黏度37.36mPa·s。在剪切速率为1000s-1下，其黏度随温度的升高而降低。墨水中氧化锆粉体的粒径小，平均粒径为348nm，D90为688nm，zeta电位大为-54.1mV；
2、本发明制备的氧化锆陶瓷墨水生产成本低，制备工艺简单且流变性能良好，符合喷墨打印用墨水的性能要求。
附图说明
图1是本发明实施例3制得的固相含量为38vol％、分散剂含量为0.15wt％的氧化锆陶瓷墨水的黏度与剪切速率的关系图；
图2是本发明实施例3制得的固相含量为38vol％、分散剂含量为0.15wt％的氧化锆陶瓷墨水的黏度与温度的关系图；
图3是本发明实施例3制得的固相含量为38vol％、分散剂含量为0.15wt％的氧化锆陶瓷墨水的平均粒径与pH的关系图；
图4是本发明实施例3制得的固相含量为38vol％、分散剂含量为0.15wt％的氧化锆陶瓷墨水的zeta电位与pH的关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做详细说明。
实施例1
(1)用天平称取0.0577克聚丙烯酸铵(PAA-NH4)溶于15.5毫升pH＝10.5的弱碱性氨水溶液中，然后加入57.741克ZrO2纳米粉体，使得ZrO2纳米粉体的体积浓度为38vol％，然后混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的液体倒入球磨罐中，在球磨罐内加入3～5mm的研磨球，研磨球的质量与步骤(1)中用到的氧化锆质量比为3:1，然后将球磨罐置于球磨机上以每分钟200转的转速进行球磨24小时，得到固相含量为38vol％、分散剂含量为0.1wt％的氧化锆陶瓷浆料。
(3)将400～600克直径为0.08～0.12毫米的氧化锆研磨球置于砂磨罐内，使研磨机在每分钟250转的低速下运行，然后在注料口加入步骤(2)得到的氧化锆浆料，使得氧化锆浆料刚好完全覆盖研磨球，砂磨后得到固相含量为38vol％、分散剂含量为0.1wt％的氧化锆陶瓷墨水。
采用马尔文Zetasizer NanoZS型号的电位粒度仪，本实施例制备的氧化锆陶瓷墨水，其zeta电位为-48.6mV，平均粒径较大503nm，D90为5220nm，说明墨水中的氧化锆纳米粉体发生了团聚。
采用马尔文Kinexus pro型号的流变仪，测得本实施例制备的氧化锆陶瓷墨水在高剪切速率下的黏度为43.46mPa·s。
实施例2
(1)用天平称取0.1155克聚丙烯酸铵(PAA-NH4)溶于15.5毫升pH＝10.2的弱碱性氨水溶液中，然后加入57.741克ZrO2纳米粉体，使得ZrO2纳米粉体的体积浓度为38vol％，然后混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的液体倒入球磨罐中，在球磨罐内加入3～5mm的研磨球，研磨球的质量与步骤(1)中用到的氧化锆质量比为1.8:1，然后将球磨罐置于球磨机上以每分钟250转的转速进行球磨18小时，得到固相含量为38vol％、分散剂含量为0.2wt％的氧化锆陶瓷浆料。
(3)将400～600克直径为0.08～0.12毫米的氧化锆研磨球置于砂磨罐内，使研磨机在每分钟200转的低速下运行，然后在注料口加入步骤(2)得到的氧化锆浆料，使得氧化锆浆料刚好完全覆盖研磨球，砂磨后得到固相含量为38vol％、分散剂含量为0.2wt％的氧化锆陶瓷墨水。
采用马尔文Zetasizer NanoZS型号的电位粒度仪，本实施例制备的氧化锆陶瓷墨水，其zeta电位为-50.4mV，平均粒径较小375nm，D90为5830nm，说明墨水中的氧化锆纳米粉体发生了团聚。
采用马尔文Kinexus pro型号的流变仪，测得本实施例制备的氧化锆陶瓷墨水在高剪切速率下的黏度为42.36mPa·s。
实施例3
(1)用天平称取0.0866克聚丙烯酸铵(PAA-NH4)溶于15.5毫升pH＝10的弱碱性氨水溶液中，然后加入57.741克ZrO2纳米粉体，使得ZrO2纳米粉体的体积浓度为38vol％，然后混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的液体倒入球磨罐中，在球磨罐内加入3～5mm的研磨球，研磨球的质量与步骤(1)中用到的氧化锆质量比为2:1，然后将球磨罐置于球磨机上以每分钟200转的转速进行球磨20小时，得到固相含量为38vol％、分散剂含量为0.15wt％的氧化锆陶瓷浆料。
(3)将400～600克直径为0.08～0.12毫米的氧化锆研磨球置于砂磨罐内，使研磨机在每分钟300转的低速下运行，然后在注料口加入步骤(2)得到的氧化锆浆料，使得氧化锆浆料刚好完全覆盖研磨球，砂磨后得到固相含量为38vol％、分散剂含量为0.15wt％的氧化锆陶瓷墨水。
采用马尔文Kinexus pro型号的流变仪，图1和图2分别为本实施例制备的氧化锆陶瓷墨水的黏度与剪切速率和温度的关系曲线。图2显示本实施例制备的氧化锆陶瓷墨水的黏度随温度的升高而降低，与大部分的陶瓷墨水的黏度与温度关系一致。图1说明本实施例制备的氧化锆陶瓷墨水在高剪切速率下的黏度为37.36mPa·s。相比实施例1和实施例2制备的氧化锆陶瓷墨水，本实施例制备的氧化锆陶瓷墨水的黏度最低，且其在3D喷墨打印用陶瓷墨水的黏度要求范围内。
采用马尔文Zetasizer NanoZS型号的电位粒度仪，本实施例制备的氧化锆陶瓷墨水的平均粒度及zeta电位与pH的关系分别如图3和图4所示。本实施例制备的氧化锆陶瓷墨水，其zeta电位为-54.1mV，平均粒径较小348nm，D90为688nm，说明墨水中的氧化锆纳米粉体粒径小且未发生团聚，符合3D喷墨打印用陶瓷墨水的粒径要求。本实施例制备的氧化锆陶瓷墨水zeta电位较实施例1和实施例2制备的氧化锆陶瓷墨水的zeta电位高，且粒径小，说明本实施例制备的氧化锆陶瓷墨水分散效果较好，能够在较长的时间内保持稳定。
以上仅在说明本发明的技术发明，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
参考文献
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本发明公开和提出的3D喷墨打印用氧化锆陶瓷墨水及制备方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变原料和工艺路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (7)

1.一种3D喷墨打印用氧化锆陶瓷墨水，其特征是分散剂聚丙烯酸铵的含量为氧化锆纳米粉体的质量的0.1～0.2％。
2.权利要求1的3D喷墨打印用氧化锆陶瓷墨水的制备方法，其特征是步骤如下：
(1)将分散剂溶于弱碱性水溶液中，然后加入氧化锆纳米粉体，使得氧化锆纳米粉体的体积占整个墨水体积的38％，然后混合均匀；分散剂聚丙烯酸铵的含量为氧化锆纳米粉体的质量的0.1～0.2％；
(2)将步骤(1)得到的液体倒入球磨罐中，在球磨罐内加入研磨球，研磨球的质量与步骤(1)中用到的氧化锆质量比为1.8～3:1，然后将球磨罐置于球磨机上进行球磨，得到氧化锆浆料；
(3)将研磨球置于砂磨罐内，使研磨机在每分钟200～300转的低速下运行，然后在注料口加入步骤(2)得到的氧化锆浆料，使得氧化锆浆料刚好完全覆盖研磨球，砂磨后得到氧化锆陶瓷墨水。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中所用的弱碱性水溶液是pH＝10～10.5的氨水溶液。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中所用的研磨球，是直径为3～5毫米的氧化锆球。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的球磨，是以每分钟为200～250转的转速下球磨18～24小时。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)所用的研磨球，是直径为0.08～0.12毫米的氧化锆球。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的砂磨，是以每分钟2800～3000转的转速下砂磨60～80分钟。
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