CN105504439B - 一种用于3d打印的低密度陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于3D打印的低密度陶瓷材料，主要由包含多孔轻质碳酸钙和杨木粉的以下材料组成：聚乙烯、多孔轻质碳酸钙、杨木粉、石墨、硅烷偶联剂、铝酸酯。所述的聚乙烯的重量份为40‑50；多孔轻质碳酸钙的重量份为35‑45；杨木粉的重量份为10‑20；石墨的重量份为1.0‑2.5；硅烷偶联剂的重量份为0.8‑1.6；铝酸酯的重量份为0.2‑0.4。利用多孔轻质碳酸钙的密度小、流动性能好、力学性能优异的特点，以及杨木粉的密度小、价格低、绿色环保的特点，使制得的用于3D打印的低密度陶瓷材料具有密度小、流动性能好以及优异的力学性能，适用于3D打印技术。本发明还公开了用于3D打印低密度陶瓷材料的制备方法，其生产工艺简单，成本低廉，安全环保，具有市场应用前景。
Description
技术领域
本发明属于新材料领域，具体涉及一种用于3D打印的低密度陶瓷材料。
背景技术
3D打印，又被称作为增材制造，是快速成型技术的一种，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。与传统制造技术相比，3D打印不需要事先制造模具，不必在制造过程中去除大量的材料，也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品，因此，在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等，也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。因此，3D打印产业受到了国内外越来越广泛的关注，将成为下一个具有广阔发展前景的朝阳产业。
中国专利公开号为CN 104446392A公开了一种用于3D打印的掺钙无机纳米复合材料及其制备方法，该用于3D打印的掺钙无机纳米复合材料，以重量百分数计，包括：73-80％的陶瓷前驱体粉末、5-10％的纳米粉末增强材料、2-5％的钙粉、2-5％的表面活性剂、2-5％的有机溶剂、1-4％无机粘结剂、5-10％的低温固化剂，纳米粉末增强材料的粒径为20-200纳米。该方法采用表面活性剂对纳米粉末实施解团聚处理，使得纳米粉末具备优异的分散性，将其添加入陶瓷前驱体粉末中，可以提高陶瓷致密度及强度，并进一步提升产品韧性；无机混合粉末、无机粘结剂及低温固化剂相互协同配合，在低温下即可快速粘结，但是该发明原材料使用大量粉末，使得制得的复合材料加工流动性差，易堵塞打印机喷头。
中国专利公开号为CN 103937278A公开了一种3D打印木塑复合材料及其制备方法，该3D打印材料是由天然植物纤维、聚烯烃塑料、矿物填料和加工助剂组成，其重量份组成如下：植物纤维为100～150份，聚烯烃塑料125～175份，矿物填料20～30份，偶联剂1～5份，分散剂10～15份，润滑剂5～10份，增韧剂15～20份。本发明的制备方法在于，植物纤维粉碎烘干后经加工助剂改性，然后与聚烯烃料粒共混，混合料用双螺杆造粒机造出母粒，母粒与聚烯烃按一定质量比混合，用双螺杆挤出机挤出、拉丝、绕盘，该发明制备的3D打印材料具备木质品的外观和木塑材料的加工特性，适用范围广，但是该发明制备的3D打印材料力学性能较差。
中国专利公开号为CN 103980593A公开了一种改性高密度聚乙烯3D打印成型材料及其制备方法，该方法重量份组成如下：按重量份计60份高密度聚乙烯，10-50份滑石粉，20-25份碳酸钙，10-50份硅灰石，10-15份的碳纳米管，0.1-0.5份的抗氧剂，0.1-0.5份硅烷偶联剂。本发明的改性高密度聚乙烯材料具有高的拉伸强度和较好的冲击韧性，可以提高高密度聚乙烯的应用价值，扩大其应用领域，使高密度聚乙烯材料更加符合3D打印材料的特点，但是该发明制备的3D打印材料密度较高，应用受限。
随着3D打印技术的高速发展，3D打印材料作为3D打印技术中的重要组成部分也越加收到重视，而目前低密的3D打印陶瓷材料的很少，大大限制了3D打印材料的选择，因此，开发一种适用于3D打印的低密度陶瓷材料，对促进3D打印的发展，丰富3D打印材料具有重要意义。
发明内容
本发明目的：为了丰富3D打印材料种类，本发明提供一种用于3D打印的低密度陶瓷材料，其流动性好，密度低，耐磨，耐腐蚀，力学性能优异且生态环保，为3D打印材料提供更多的选择。
本发明采用的技术方案：为了解决上述问题，提供了一种用于3D打印的低密度陶瓷材料，由包含多孔轻质碳酸钙和杨木粉的以下材料以重量份为单位组成：
聚乙烯 40-50
多孔轻质碳酸钙 35-45
杨木粉 10-20
石墨 1.0-2.5
硅烷偶联剂 0.8-1.6
铝酸酯 0.2-0.4。
进一步地，所述聚乙烯为低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的一种或多种。
进一步地，所述多孔轻质碳酸钙为轻质多孔球形碳酸钙，粒径介于1微米和10微米之间，孔径介于50纳米和200纳米之间，孔隙率介于50%和60%之间。
进一步地，述杨木粉细度介于1000目和5000目之间，含水率低于5%。
进一步地，所述石墨为片状石墨，粒径介于100纳米和200纳米之间，径厚比介于10：1和20：1之间，经由十六烷基三甲基溴化铵改性处理。
上述用于3D打印的低密度陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将重量份为35-45的碳酸钙，重量份为10-20的杨木粉，重量份为1.0-2.5的石墨，重量份为0.8-1.6的硅烷偶联剂和重量份为0.2-0.4的铝酸酯在常温下的高速搅拌机中进行混合搅拌，搅拌转速240-300rpm，搅拌时间30分钟，得到改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉；
(2)将步骤（1）得到的改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉加入重量份为40-45，加热温度130℃下熔融的聚乙烯中，加入过程中进行搅拌，搅拌转速300-400rpm，搅拌时间45-60分钟，得到混合均匀的聚乙烯复合材料；
(3)将步骤（2）得到的混合均匀的聚乙烯复合材料送入长径比为36：1的双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出机转速为100-120rpm，挤出机各段温度为：加料段130-140℃、熔融段140-150℃、混炼段150-155℃、排气段150-145℃、均化段145-135℃；制得所需用于3D打印的低密度陶瓷材料。
本发明的原理：利用轻质多孔球形碳酸钙的优异力学性能和流动性能，利用杨木粉的密度小、价格低、生态环保，以及片状石墨的流动性和力学性能，与聚乙烯混合挤出造粒，制得具有密度小、流动性好、力学性能优异的用于3D打印的低密度陶瓷材料，丰富了3D打印材料中陶瓷材料的种类，为3D打印材料提供更多选择。另一方面利用聚乙烯的热塑加工性和熔融状态下的流动性，使得制得的3D打印低密度陶瓷材料在加热状态下具备流动性，冷却状态下也可以快速固化成型，完全满足熔融沉积和3D打印的要求。在利用熔融沉积3D打印设备打印该低密度陶瓷材料时，位于打印头的加热设备可以使材料熔融从而具备流动性；在材料打印离开打印头后，环境温度下降，材料中的聚乙烯快速冷却固化成型。
本发明突出特点和有益效果在于：
(1)本发明的用于3D打印的低密度陶瓷材料以聚乙烯、多孔轻质碳酸钙和杨木粉为主要原料，密度小、绿色环保；
(2)本发明的用于3D打印的低密度陶瓷材料流动性好，通过改性后的轻质多孔球形碳酸钙和石墨优异的流动性，使得用于3D打印的低密度陶瓷材料的流动性和力学性能增强；
(3)本发明用于3D打印的低密度陶瓷材料的生产工艺简单，成本低廉，安全环保，具有较高的市场应用前景。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明作更进一步的说明，以下所述仅是本发明的优选实施方式，在相同原理下，可以做出部分改进，这些改进也属于本发明的保护范围内：
实施例1：
一种用于3D打印的低密度陶瓷材料：
(1)将重量份为35的碳酸钙，重量份为10的杨木粉，重量份为1.0的石墨，重量份为0.8的硅烷偶联剂和重量份为0.2的铝酸酯在常温下的高速搅拌机中进行混合搅拌，搅拌转速300rpm，搅拌时间30分钟，得到改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉；
(2)将步骤（1）得到的改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉加入重量份为40，加热温度130℃下熔融的低密度聚乙烯中，加入过程中进行搅拌，搅拌转速300rpm，搅拌时间45分钟，得到混合均匀的聚乙烯复合材料；
(3)将步骤（2）得到的混合均匀的聚乙烯复合材料送入长径比为36：1的双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出机转速为100rpm，挤出机各段温度为：加料段130-140℃、熔融段140-150℃、混炼段150-155℃、排气段150-145℃、均化段145-135℃；制得所需用于3D打印的低密度陶瓷材料。
实施例2：
一种用于3D打印的低密度陶瓷材料：
(1)将重量份为45的碳酸钙，重量份为20的杨木粉，重量份为2.5的石墨，重量份为1.6的硅烷偶联剂和重量份为0.4的铝酸酯在常温下的高速搅拌机中进行混合搅拌，搅拌转速240rpm，搅拌时间30分钟，得到改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉；
(2)将步骤（1）得到的改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉加入重量份为45，加热温度130℃下熔融的线性低密度聚乙烯中，加入过程中进行搅拌，搅拌转速400rpm，搅拌时间60分钟，得到混合均匀的聚乙烯复合材料；
(3)将步骤（2）得到的混合均匀的聚乙烯复合材料送入长径比为36：1的双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出机转速为120rpm，挤出机各段温度为：加料段130-140℃、熔融段140-150℃、混炼段150-155℃、排气段150-145℃、均化段145-135℃；制得所需用于3D打印的低密度陶瓷材料。
实施例3：
一种用于3D打印的低密度陶瓷材料：
(1)将重量份为40的碳酸钙，重量份为15的杨木粉，重量份为1. 5的石墨，重量份为1.1的硅烷偶联剂和重量份为0.2的铝酸酯在常温下的高速搅拌机中进行混合搅拌，搅拌转速260rpm，搅拌时间30分钟，得到改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉；
(2)将步骤（1）得到的改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉加入重量份为42，加热温度130℃下熔融的低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯中，加入过程中进行搅拌，搅拌转速360rpm，搅拌时间50分钟，得到混合均匀的聚乙烯复合材料；
(3)将步骤（2）得到的混合均匀的聚乙烯复合材料送入长径比为36：1的双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出机转速为110rpm，挤出机各段温度为：加料段130-140℃、熔融段140-150℃、混炼段150-155℃、排气段150-145℃、均化段145-135℃；制得所需用于3D打印的低密度陶瓷材料。
实施例4：
一种用于3D打印的低密度陶瓷材料：
(1)将重量份为42的碳酸钙，重量份为17的杨木粉，重量份为2.1的石墨，重量份为1.4的硅烷偶联剂和重量份为0.3的铝酸酯在常温下的高速搅拌机中进行混合搅拌，搅拌转速240rpm，搅拌时间30分钟，得到改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉；
(2)将步骤（1）得到的改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉加入重量份为42，加热温度130℃下熔融的线性低密度聚乙烯中，加入过程中进行搅拌，搅拌转速400rpm，搅拌时间45分钟，得到混合均匀的聚乙烯复合材料；
(3)将步骤（2）得到的混合均匀的聚乙烯复合材料送入长径比为36：1的双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出机转速为120rpm，挤出机各段温度为：加料段130-140℃、熔融段140-150℃、混炼段150-155℃、排气段150-145℃、均化段145-135℃；制得所需用于3D打印的低密度陶瓷材料。
实施例5：
一种用于3D打印的低密度陶瓷材料：
(1)将重量份为36的碳酸钙，重量份为12的杨木粉，重量份为1.7的石墨，重量份为0.9的硅烷偶联剂和重量份为0.4的铝酸酯在常温下的高速搅拌机中进行混合搅拌，搅拌转速300rpm，搅拌时间30分钟，得到改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉；
(2)将步骤（1）得到的改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉加入重量份为41，加热温度130℃下熔融的低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯中，加入过程中进行搅拌，搅拌转速360rpm，搅拌时间45-60分钟，得到混合均匀的聚乙烯复合材料；
(3)将步骤（2）得到的混合均匀的聚乙烯复合材料送入长径比为36：1的双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出机转速为100rpm，挤出机各段温度为：加料段130-140℃、熔融段140-150℃、混炼段150-155℃、排气段150-145℃、均化段145-135℃；制得所需用于3D打印的低密度陶瓷材料。
表一各实施例性能分析数据
| 指标 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 密度 | 0.84 | 0.91 | 0.88 | 0.89 | 0.90 |
| 拉伸强度/MPa | 31 | 34 | 32 | 32 | 33 |
| 断裂伸长率/% | 3 | 5 | 4 | 3 | 4 |
| 弯曲强度/MPa | 27 | 32 | 29 | 30 | 31 |
| 冲击强度/MPa | 17 | 15 | 19 | 16 | 15 |
| 硬度 | 61 | 59 | 63 | 58 | 60 |
Claims (1)
1.一种用于3D打印的低密度陶瓷材料，其特征在于：由包含多孔轻质碳酸钙和杨木粉的以下材料以重量份为单位组成：
聚乙烯 40-50
多孔轻质碳酸钙 35-45
杨木粉 10-20
石墨 1.0-2.5
硅烷偶联剂 0.8-1.6
铝酸酯 0.2-0.4；
所述聚乙烯为低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的一种或多种；所述多孔轻质碳酸钙为轻质多孔球形碳酸钙，粒径介于1微米和10微米之间，孔径介于50纳米和200纳米之间，孔隙率介于50%和60%之间；所述杨木粉细度介于1000目和5000目之间，含水率低于5%；所述石墨为片状石墨，粒径介于100纳米和200纳米之间，径厚比介于10：1和20：1之间，经由十六烷基三甲基溴化铵改性处理；
所述用于3D打印的低密度陶瓷材料，由如下方法制备得到：
（1）将重量份为35-45的多孔轻质碳酸钙，重量份为10-20的杨木粉，重量份为1.0-2.5的石墨，重量份为0.8-1.6的硅烷偶联剂和重量份为0.2-0.4的铝酸酯在常温下的高速搅拌机中进行混合搅拌，搅拌转速240-300rpm，搅拌时间30分钟，得到改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉；
（2）将步骤（1）得到的改性的多孔轻质碳酸钙和杨木粉加入重量份为40-50，加热温度130℃下熔融的聚乙烯中，加入过程中进行搅拌，搅拌转速300-400rpm，搅拌时间45-60分钟，得到混合均匀的聚乙烯复合材料；
（3）将步骤（2）得到的混合均匀的聚乙烯复合材料送入长径比为36：1的双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出机转速为100-120rpm，挤出机各段温度为：加料段130-140℃、熔融段140-150℃、混炼段150-155℃、排气段150-145℃、均化段145-135℃；制得所需用于3D打印的低密度陶瓷材料。
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