CN107674369A - 一种3d打印的无机粘结剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种3D打印的无机粘结剂及其制备方法，稳定性好、溃散性好和抗吸湿性优良。无机粘结剂包括：氢氧化铝3％‑10％、磷酸氢二钠3％‑10％、水玻璃20％‑50％、镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物3％‑5％、酚醛树脂2％‑5％和水溶性的硅油1％‑5％，余量为水。制备方法包括：首先将氢氧化铝、水玻璃、磷酸氢二钠和去离子水混合后加热并搅拌，至微沸状态后保持1h以上；加入镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物和酚醛树脂，保持微沸状态，搅拌反应30min以上；加入水溶性硅油，保持微沸状态，搅拌反应1h以上后，停止搅拌和加热，得到粘接剂，于室温下静置24h以上，取上层清液得到3D打印的无机粘结剂。

Description

一种3D打印的无机粘结剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印的粘接剂，具体为一种3D打印的无机粘结剂及其制备方法。
背景技术
近年来，3D打印技术得到了飞速发展。3D打印技术的发展离不开粘结剂的研究和发展。粉末3D打印是一种利用微滴喷射、粉末粘结技术的3D打印方法。喷头在计算机控制下，按照当前分层截面的信息，在事先铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射粘结剂，使部分粉末粘结，形成一层截面薄层；一层成形完后，工作台下降一个层厚，进行下一层的铺粉，继而选区喷射粘结剂，成形薄层同时也会与已成形零件粘为一体；不断循环此过程，直至零件加工完为止；通常所成形的零件还需要一定的后处理，如干燥、烧结等，从而得到最后的零件。
然而，传统粉末3D打印工艺多采用有机粘结剂体系，而这种粘结剂体系主要存在成本高、环境严重污染的缺陷，为了迎合高效、节能、环保的理念，开发一种性能与有机树脂相当、环保无污染的3D打印用无机粘结剂，已然成为了3D打印工作者们的共识。
但是，传统的无机粘结剂存在稳定性差、溃散性差、抗吸湿性差等问题，因此，传统的无机粘结剂无法满足3D打印的需求，直接阻碍无机粘结剂在3D打印方面的应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种3D打印的无机粘结剂及其制备方法，稳定性好、溃散性好和抗吸湿性优良。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种3D打印的无机粘结剂，其组分按质量百分比分计，包括：氢氧化铝3％-10％、磷酸氢二钠3％-10％、水玻璃20％-50％、镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物3％-5％、酚醛树脂2％-5％和水溶性的硅油1％-5％，余量为水。
优选的，其组分按质量百分比分计，包括：氢氧化铝8％、磷酸氢二钠10％、水玻璃30％、镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物4％、酚醛树脂5％和水溶性的硅油3％，余量为水。
优选的，还包括助挥发剂5％-10％。
进一步的，所述助挥发剂为丙酮。
优选的，所述镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物中镁离子与硼离子的摩尔之比的百分数为20％-25％。
一种上述任意一3D打印的无机粘结剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，首先将氢氧化铝、水玻璃、磷酸氢二钠和适量的去离子水混合后开始加热并搅拌，升温至微沸状态后，保持1h以上；
步骤2，加入镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物和酚醛树脂，保持微沸状态，搅拌反应30min以上；
步骤3，加入水溶性硅油，保持微沸状态，搅拌反应1h以上后，停止搅拌和加热，合成得到粘接剂；
步骤4，将合成的粘结剂于室温下静置24h以上，取上层清液得到3D打印的无机粘结剂。
优选的，在步骤3中得到粘接剂后加入助挥发剂搅拌均匀后进行步骤4的操作。
优选的，所有组分的加热和搅拌均在电热套式加热三口反应釜中进行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明中，磷酸氢二钠作为一种改性剂，在高温条件下与硅酸可形成[PO4]、[SiO4]复合玻璃网络，在冷却过程中，由于析出晶体破坏了粘结膜，以及因二者收缩性相差极大而导致粘结膜开裂，使得该无机粘结剂砂具有优异的溃散性。同时高温烧结性能较好的A13+也可以改善无机粘结剂砂的高温溃散性。镁离子添加剂和硼离子添加剂的共同作用，能够使粘结剂在较低密度时具有良好的稳定性。水性的酚醛树脂，在很大程度上提高了无机粘结剂的粘结强度。水溶性的硅油可以明显改善无机粘结剂的抗吸湿性。得到的无机粘结剂其性能稳定、抗吸湿性强，易于保存，而且不易堵塞喷头，对喷头无腐蚀作用。而且成本低、绿色环保。
进一步的，助挥发剂丙酮可以提高粘结剂的干燥速度。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
总量为100g的配方组成：
氢氧化铝8g、磷酸氢二钠10g、水玻璃30g、镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物4g(镁离子与硼离子的摩尔之比的百分数为20％)、酚醛树脂5g、水溶性的硅油3g、余量为水；
制备方法：
(1)按量称取上述原料；
(2)将氢氧化铝、水玻璃、和去离子水加入到电热套式加热三口反应釜中开始加热，并开动搅拌器，升温至微沸状态后，保持1h以上；
(3)缓慢加入镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物、酚醛树脂，反应30min以上；
(4)加入水溶性硅油，保持微沸状态，搅拌反应1h以上后，停止搅拌和加热；
(5)将合成的粘结剂于室温下静置24h，取上层清澈透明液体作为最终的无机粘结剂产品。
按照质量份将打印机原料粉末90份与实施例1制备的粘结剂10份混合进行粉末打印，打印完成后保存打印零件在送入到热干燥箱中进行干燥；干燥完成后，去除未粘结粉末，并进行高温烧结，获得试样1。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于配方组成不同，本实施例的总量为100g的配方组成为：
氢氧化铝5g、磷酸氢二钠3g、水玻璃40g、镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物5g(镁离子与硼离子的摩尔之比的百分数为25％)、酚醛树脂3g、水溶性的硅油5g、余量为水。
按照质量份将打印机原料粉末90份与实施例2制备的粘结剂10份混合进行粉末打印，打印完成后保存打印零件在送入到热干燥箱中进行干燥；干燥完成后，去除未粘结粉末，并进行高温烧结，获得试样2。
实施例3：
总量为100g的配方组成：
氢氧化铝8g、磷酸氢二钠7g、水玻璃30g、镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物4g(镁离子与硼离子的摩尔之比的百分数为20％)、酚醛树脂5g、丙酮8g、水溶性的硅油3g、余量为水；
制备方法：
(1)按量称取上述原料；
(2)将氢氧化铝、水玻璃、和去离子水加入到电热套式加热三口反应釜中开始加热，并开动搅拌器，升温至微沸状态后，保持1h以上；
(3)缓慢加入镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物、酚醛树脂，反应30min以上；
(4)加入水溶性硅油，保持微沸状态，搅拌反应1h以上后，停止搅拌和加热；
(5)加入丙酮搅拌均匀；
(6)将合成的粘结剂于室温下静置24h，取上层清澈透明液体作为最终的无机粘结剂产品。
按照质量份将打印机原料粉末90份与实施例3制备的粘结剂10份混合进行粉末打印，打印完成后保存打印零件在送入到热干燥箱中进行干燥；干燥完成后，去除未粘结粉末，并进行高温烧结，获得试样3。
实施例4：
本实施例与实施例3的区别在于，丙酮的添加量为10g。
按照质量份将打印机原料粉末90份与实施例4制备的粘结剂10份混合进行粉末打印，打印完成后保存打印零件在送入到热干燥箱中进行干燥；干燥完成后，去除未粘结粉末，并进行高温烧结，获得试样4。
实施例5：
本实施例与实施例3的区别在于，丙酮的添加量为5g。
实施例6：
本实施例与实施例1的区别在于总量为100g的配方组成不同，本实施例的配方组成为：
氢氧化铝3g、磷酸氢二钠3g、水玻璃20g、镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物3g(镁离子与硼离子的摩尔之比的百分数为23％)、酚醛树脂4g、水溶性的硅油1g、余量为水。
实施例7：
本实施例与实施例1的区别在于总量为100g的配方组成不同，本实施例的配方组成为：
氢氧化铝10g、磷酸氢二钠8g、水玻璃50g、镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物5g(镁离子与硼离子的摩尔之比的百分数为22％)、酚醛树脂2g、水溶性的硅油3g、余量为水。
对比例1：(没有添加镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物)
配方组成：
氢氧化铝8g、水玻璃30g、酚醛树脂5g、水溶性的硅油3g、余量为水；
制备方法：
(1)按量称取上述原料
(2)将氢氧化铝、水玻璃、和去离子水加入到电热套式加热三口反应釜中开始加热，并开动搅拌器，升温至微沸状态后，保持1h以上；
(3)缓慢加入酚醛树脂，反应30min以上；
(4)加入水溶性硅油，保持微沸状态，搅拌反应1h以上后，停止搅拌和加热；
(5)将合成的粘结剂于室温下静置24h，取上层清澈透明液体作为最终的无机粘结剂产品。
按照质量份将打印机原料粉末90份与对比例1制备的粘结剂10份混合进行粉末打印，打印完成后保存打印零件在送入到热干燥箱中进行干燥；干燥完成后，去除未粘结粉末，并进行高温烧结，获得试样5。
对比例2：(没有添加酚醛树脂)
配方组成：
氢氧化铝8g、水玻璃30g、镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物4g(镁离子与硼离子的摩尔之比的百分数为20％)、水溶性的硅油3g、余量为水；
制备方法：
(1)按量称取上述原料
(2)将氢氧化铝、水玻璃、和去离子水加入到电热套式加热三口反应釜中开始加热，并开动搅拌器，升温至微沸状态后，保持1h以上；
(3)缓慢加入镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物，反应30min以上；
(4)加入水溶性硅油，保持微沸状态，搅拌反应1h以上后，停止搅拌和加热；
(5)将合成的粘结剂于室温下静置24h，取上层清澈透明液体作为最终的无机粘结剂产品。
按照质量份将打印机原料粉末90份与实施例1制备的粘结剂10份混合进行粉末打印，打印完成后保存打印零件在送入到热干燥箱中进行干燥；干燥完成后，去除未粘结粉末，并进行高温烧结，获得试样6。
对比例3:(没有添加水溶性的硅油)
配方组成：
氢氧化铝8g、水玻璃30g、镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物4g(镁离子与硼离子的摩尔之比的百分数为20％)、酚醛树脂5g、余量为水；
制备方法：
(1)按量称取上述原料
(2)将氢氧化铝、水玻璃、和去离子水加入到电热套式加热三口反应釜中开始加热，并开动搅拌器，升温至微沸状态后，保持1h以上；
(3)缓慢加入镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物、酚醛树脂，反应30min以上后停止搅拌和加热；
(4)将合成的粘结剂于室温下静置24h，取上层清澈透明液体作为最终的无机粘结剂产品。
按照质量份将打印机原料粉末90份与实施例1制备的粘结剂10份混合进行粉末打印，打印完成后保存打印零件在送入到热干燥箱中进行干燥；干燥完成后，去除未粘结粉末，并进行高温烧结，获得试样7。
试验例1：
分别将实施例1-4、对比例1-3制备得到的无机粘结剂产品在室温下存放3个月后，测量其稳定性，结果见表1。
表1无机粘结剂的稳定性
通过表1发现，添加有镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物的粘结剂其稳定性能更优越，放置90天以上仍然能够保持优良的稳定性。
试验例2：
分别测量试样1、试样2、试样3、试样4、试样5、试样6、试样7其1h抗压强度和24h抗压强度，取平均值作为最终测量结果见表2。
表2无机粘结剂的稳定性
通过表2发现，没有添加酚醛树脂的粘结剂其粘结强度不够强。
试验例3：
分别将试样1、试样2、试样3、试样4、试样5、试样6、试样7置于湿度为55％的恒温恒湿培养箱中，25℃保存0h、4h、24h、48h、72h后测量抗压强度，取平均值作为最终测量结果见表3。
表3湿度为55％的恒温恒湿培养箱中试样的抗吸湿性
试验例4：
分别将试样1、试样2、试样3、试样4、试样5、试样6、试样7置于湿度为65％的恒温恒湿培养箱中，25℃保存0h、4h、24h、48h、72h后测量抗压强度，取平均值作为最终测量结果见表4。
表4湿度为65％的恒温恒湿培养箱中试样的抗吸湿性
试验例5：
分别将试样1、试样2、试样3、试样4、试样5、试样6、试样7置于湿度为75％的恒温恒湿培养箱中，25℃保存0h、4h、24h、48h、72h后测量抗压强度，取平均值作为最终测量结果见表5。
表5湿度为75％的恒温恒湿培养箱中试样的抗吸湿性
试验例6：
分别将试样1、试样2、试样3、试样4、试样5、试样6、试样7置于湿度为85％的恒温恒湿培养箱中，25℃保存0h、4h、24h、48h、72h后测量抗压强度，取平均值作为最终测量结果见表6。
表6湿度为85％的恒温恒湿培养箱中试样的抗吸湿性
试验例7：
分别将试样1、试样2、试样3、试样4、试样5、试样6、试样7置于湿度为95％的恒温恒湿培养箱中，25℃保存0h、4h、24h、48h、72h后测量抗压强度，取平均值作为最终测量结果见表7。
表7湿度为95％的恒温恒湿培养箱中试样的抗吸湿性
通过表3-7发现，随着湿度的增加，其抗压强度会稍微有所下降，但总体趋势稳定，抗压强度完全符合生产要求，而只有没有添加水溶性的硅油的无机粘结剂制备的试样，随着湿度的增加，其抗压强度下滑明显。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种3D打印的无机粘结剂，其特征在于，其组分按质量百分比分计，包括：氢氧化铝3％-10％、磷酸氢二钠3％-10％、水玻璃20％-50％、镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物3％-5％、酚醛树脂2％-5％和水溶性的硅油1％-5％，余量为水。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印的无机粘结剂，其特征在于，其组分按质量百分比分计，包括：氢氧化铝8％、磷酸氢二钠10％、水玻璃30％、镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物4％、酚醛树脂5％和水溶性的硅油3％，余量为水。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印的无机粘结剂，其特征在于，还包括助挥发剂5％-10％。
4.根据权利要求3所述的一种3D打印的无机粘结剂，其特征在于，所述助挥发剂为丙酮。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印的无机粘结剂，其特征在于，所述镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物中镁离子与硼离子的摩尔之比的百分数为20％-25％。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述3D打印的无机粘结剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，首先将氢氧化铝、水玻璃、磷酸氢二钠和适量的去离子水混合后开始加热并搅拌，升温至微沸状态后，保持1h以上；
步骤2，加入镁离子添加剂与硼离子添加剂的复合物和酚醛树脂，保持微沸状态，搅拌反应30min以上；
步骤3，加入水溶性硅油，保持微沸状态，搅拌反应1h以上后，停止搅拌和加热，合成得到粘接剂；
步骤4，将合成的粘结剂于室温下静置24h以上，取上层清液得到3D打印的无机粘结剂。
7.根据权利要求6所述的一种3D打印的无机粘结剂的制备方法，其特征在于，在步骤3中得到粘接剂后加入助挥发剂搅拌均匀后进行步骤4的操作。
8.根据权利要求6所述的一种3D打印的无机粘结剂的制备方法，其特征在于，所有组分的加热和搅拌均在电热套式加热三口反应釜中进行。
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