CN108117398A - 一种3d打印用陶瓷膏体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种3D打印用陶瓷膏体及其制备方法，涉及陶瓷膏体领域。此陶瓷膏体通过以下方法制备得到：按照配方称量原料，其中，配方为按照质量百分数计的60～85％的陶瓷粉体、5～15％的粘结剂、1～10％的消泡剂，余量为溶剂；将称量好的陶瓷粉体、粘结剂、消泡剂以及溶剂放入球磨罐中，并在球磨罐中放入研磨球，然后将球磨罐放置于行星球磨机上，使行星球磨机在低速下进行球磨，将原料球磨混合均匀后得到3D打印用陶瓷膏体。此制备方法便捷可行，设备简单。同时，通过此方法可制备得到一种固含量较高、配方简单、生产周期短、成本低的3D打印用陶瓷膏体。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷膏体领域，且特别涉及一种3D打印用陶瓷膏体及其制备方法。
背景技术
进入信息时代以来，数控技术在制造业中的发展与普及，使得新型的成型技术发展迅速，特别是3D打印技术的进步尤为显著。3D打印技术利用计算机软件将设计好的三维CAD模型通过分层处理转换为一系列二维图形，然后，控制软件控制打印机按照这些图形将金属粉末、陶瓷粉末、树脂等材料逐层堆积，制备所需产品。该技术具备下述优点：(1)灵活、效率高，采用该方法时无需模具，产品的结构发生变化时，根据实际需要通过计算机软件修改，缩短新产品的开发时间，提高生产效率；(2)可成形结构较复杂的产品。
随着3D打印技术的发展和应用，材料成为限制3D打印技术走向的关键因素之一，在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。陶瓷材料具有耐高温、高耐磨性、低热膨胀系数以及良好的化学稳定性等优良性能，在航空、航天、机械、电子、冶金等领域有着广泛的应用。目前用于陶瓷材料3D打印的技术主要有分层实体制造法(LOM)、熔融沉积成型法(FDM)、立体光固化成型法(SLA)、激光选区烧结法(SLS)、喷墨打印法(IJP)等。
但是，陶瓷材料硬度高、脆性大的特点使其构件的成形、加工难度很大，采用传统工艺时，首先要制备出模具以完成零部件成形。一旦零部件的结构发生变化，就需要重新设计、制备模具，因而制备成本较高、周期长，制备的零部件形状较简单。随着制造业的快速发展，这些较为传统的工艺越来越难以满足业界的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印用陶瓷膏体，此3D打印用陶瓷膏体固含量高、成本低，配方简单，制备方法简便，实用性高。
本发明的另一目的在于提供一种3D打印用陶瓷膏体的制备方法，此制备方法简单可行，可制备得到一种固含量较高、配方简单、生产周期短、成本低的3D打印用陶瓷膏体。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种3D打印用陶瓷膏体，
3D打印用陶瓷膏体的制备原料包括按照质量百分数计的60～85％的陶瓷粉体、5～15％的粘结剂、1～10％的消泡剂，余量为溶剂。
本发明提出一种3D打印用陶瓷膏体的制备方法，包括：
按照配方称量原料，其中，配方为按照质量百分数计的60～85％的陶瓷粉体、5～15％的粘结剂、1～10％的消泡剂，余量为溶剂；
将称量好的陶瓷粉体、粘结剂、消泡剂以及溶剂放入球磨罐中，并在球磨罐中放入研磨球，然后将球磨罐放置于行星球磨机上，使行星球磨机在低速下进行球磨，将原料球磨混合均匀后得到3D打印用陶瓷膏体。
本发明实施例的3D打印用陶瓷膏体及其制备方法的有益效果是：
本发明的实施例提供的3D打印用陶瓷膏体主要通过合理配比后的陶瓷粉体、粘结剂、消泡剂以及溶剂球磨制备得到。其中，粘结剂可增强陶瓷膏体的粘结强度和膏体3D打印成形毛坯的强度，消泡剂可以降低泡沫的局部表面张力，继而抑制、消除膏体中的气泡，提高膏体的质量，进而保证3D打印目标产品的表面质量。溶剂的添加可提高膏体的滑性，经充分搅拌、混合均匀后，可使膏体均一、稳定，成型性能更加优秀，减少废品率。
本发明的实施例提供的3D打印用陶瓷膏体制备方法，主要是将合理配比后的各原料进行低速球磨使其混合均匀。此制备方法便捷可行，设备简单。同时，通过此方法可制备得到一种固含量较高、配方简单、生产周期短、成本低的3D打印用陶瓷膏体。
综上所述，本发明的实施例提供的3D打印用陶瓷膏体及其制备方法的有益效果是为：(1)膏体的配方简单、固含量较高，膏体均一、稳定，成形的产品强度较高；(2)原材料易得，成本较低，生产周期短；(3)设备要求简单。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的3D打印用陶瓷膏体及其制备方法进行具体说明。
一种3D打印用陶瓷膏体，
3D打印用陶瓷膏体的制备原料包括按照质量百分数计的60～85％的陶瓷粉体、5～15％的粘结剂、1～10％的消泡剂，余量为溶剂。
具体地，陶瓷粉体选自碳化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化硅中的任一种。陶瓷材料具有耐高温、高耐磨性、低热膨胀系数以及良好的化学稳定性等优良性能，在航空、航天、机械、电子、冶金等领域有着广泛的应用。
其中，碳化硅(SiC)又称碳硅石，是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。
其中，氧化铝(Al2O3)，工业Al2O3是由铝矾土(Al2O3·3H2O)和硬水铝石制备的，对于纯度要求高的Al2O3，一般用化学方法制备。其是难溶于水的白色固体，无臭、无味、质极硬，易吸潮而不潮解(灼烧过的不吸湿)。两性氧化物，能溶于无机酸和碱性溶液中。可用作分析试剂、有机溶剂的脱水、吸附剂、有机反应催化剂、研磨剂、抛光剂、冶炼铝的原料、耐火材料等。
其中，氧化锆(ZrO2)，自然界的氧化锆矿物原料主要有斜锆石和锆英石。锆英石系火成岩深层矿物，颜色有淡黄、棕黄、黄绿等，比重4.6～4.7，硬度7.5，具有强烈的金属光泽，可为陶瓷釉用原料。
其中，二氧化硅(SiO2)是硅最重要的化合物之一。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12％，其存在形态有结晶型和无定型两大类，统称硅石。二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维、电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料。
进一步地，陶瓷粉体的粒度为5～50μm。当然，在本发明的其他实施例中，陶瓷粉体的粒度还可以根据需求进行相应的调整，本发明不做限定。
具体地，粘结剂为水玻璃、酚醛树脂、环氧树脂、硅溶胶、聚乙二醇中的一种、两种或多种。粘结剂是粘结强度的保证。
其中，水玻璃硬化后的主要成分为硅凝胶和固体，比表面积大，因而粘结力强，可增强3D打印成形毛坯的强度，后续高温烧结形成的二氧化硅网状骨架会使陶瓷制品的强度更高。
其中，酚醛树脂，无色或黄褐色透明固体，耐热性、耐燃性、耐水性和绝缘性优良，耐酸性较好，耐碱性差，机械和电气性能良好，易于切割，分为热固性塑料和热塑性塑料两类。合成时加入不同组分，可获得功能各异的改性酚醛树脂，具有不同的优良特性，如耐碱性、耐磨性、耐油性、耐腐蚀性等。在本发明的实施例中酚醛树脂与有机和无机填料都能相容，在交联后可提供所需要的机械强度。
其中，环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶的具有三向网状结构的高聚物。凡分子结构中含有环氧基团的高分子化合物统称为环氧树脂。固化后的环氧树脂具有良好的物理、化学性能，它对金属和非金属材料的表面都具有优异的粘接强度，介电性能良好，变形收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定，因而广泛应用于国防、国民经济各部门，作浇注、浸渍、层压料、粘接剂、涂料等用途。在本发明的实施例中，环氧树脂对各种物质具有很高的粘附力，固化时的收缩性低，产生的内应力小，有助于提高粘附强度。
其中，硅溶胶水分蒸发时，胶体粒子牢固地附着在物体表面，具有粘结力强、耐高温等特点。
其中，固体级别的聚乙二醇可以加入液体聚乙二醇调整黏度，用于膏体的制备。
具体地，消泡剂为乙二醇、正丁醇、聚二甲基硅氧烷中的一种、两种或三种。消泡剂能够有效降低泡沫的局部表面张力，进而抑制、消除膏体中的气泡，提高膏体的质量，进而保证3D打印目标产品的表面质量。
其中，乙二醇是一种专用的消泡剂。可以有效降低泡沫的局部表面张力。
其中，正丁醇本身就是一种消泡剂。可有效降低泡沫的局部表面张力，进而抑制、消除膏体中的气泡，提高膏体的质量。
其中，聚二甲基硅氧烷高效消泡剂乳液，具有消泡速度快、分散性能优异、抑泡时间长、效率高、用量低等优点。同时，聚二甲基硅氧烷不仅具有消泡作用，还具备一定的润滑作用。
具体地，溶剂为去离子水、乙醇、丙三醇中的一种、两种或三种。溶剂的添加可提高膏体的滑性，经充分搅拌、混合均匀后，可使膏体均一、稳定，成型性能更加优秀，减少废品率。
其中，去离子水是指除去了呈离子形式杂质后的纯水。
其中，乙醇一种有机物，俗称酒精，化学式为CH3CH2OH(C2H6O或C2H5OH)或EtOH，是带有一个羟基的饱和一元醇，在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体。乙醇的用途很广，可用乙醇制造醋酸、饮料、香精、染料、燃料等。医疗上也常用体积分数为70％-75％的乙醇作消毒剂等，在国防工业、医疗卫生、有机合成、食品工业、工农业生产中都有广泛的用途。
其中，丙三醇是无色味甜澄明黏稠液体。无臭。有暖甜味。俗称甘油，能从空气中吸收潮气，也能吸收硫化氢、氰化氢和二氧化硫。难溶于苯、氯仿、四氯化碳、二硫化碳、石油醚和油类。丙三醇是甘油三酯分子的骨架成分。当人体摄入食用脂肪时，其中的甘油三酯经过体内代谢分解，形成甘油并储存在脂肪细胞中。因此，甘油三酯代谢的最终产物便是甘油和脂肪酸。可用作溶剂，润滑剂，药剂和甜味剂。
本发明还提供了一种3D打印用陶瓷膏体的制备方法，包括：
按照配方称量原料，其中，配方为按照质量百分数计的60～85％的陶瓷粉体、5～15％的粘结剂、1～10％的消泡剂，余量为溶剂；
将称量好的陶瓷粉体、粘结剂、消泡剂以及溶剂放入球磨罐中，并在球磨罐中放入研磨球，然后将球磨罐放置于行星球磨机上，使行星球磨机在低速下进行球磨，将原料球磨混合均匀后得到3D打印用陶瓷膏体。
具体地，研磨球为重量比例为30％的直径为10mm的不锈钢研磨球与70％的直径为5mm的不锈钢研磨球；且研磨球的总质量与原料的总质量的比为2.5:1～3.0:1。
其中，在低速下进行球磨的球磨速度为200～350r/min。当然，在本发明的其他实施例中，球磨的速度还可以根据需求进行选择，本发明不做限定。
进一步地，在低速下进行球磨的球磨时间为1～4h。当然，在本发明的其他实施例中，球磨时间还可以根据球磨的速度进行调整，本发明不做限定。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种3D打印用陶瓷膏体，其通过以下方法制备得到：
按照配方称量原料，其中，配方为按照质量百分数计的粒度为50μm的氧化铝粉末140g、水玻璃24g、乙二醇3g、正丁醇3g、去离子水20g、乙醇10g；
将称量好原料放入球磨罐中，并在球磨罐中放入研磨球，然后将球磨罐放置于行星球磨机上，使行星球磨机在350r/min的球磨速度下进行球磨2h，将原料球磨混合均匀后得到3D打印用陶瓷膏体。
其中，研磨球为重量比例为30％的直径为10mm的不锈钢研磨球与70％的直径为5mm的不锈钢研磨球；且研磨球的总质量与原料的总质量的比为2.5:1～3.0:1。
实施例2
本实施例提供了一种3D打印用陶瓷膏体，其通过以下方法制备得到：
按照配方称量原料，其中，配方为按照质量百分数计的粒度为10μm的碳化硅130g、水玻璃25g、硅溶胶2g、聚乙二醇3g、乙二醇3g、聚二甲基硅氧烷3g、去离子水20g、乙醇12g、丙三醇2g；
将称量好原料放入球磨罐中，并在球磨罐中放入研磨球，然后将球磨罐放置于行星球磨机上，使行星球磨机在280r/min的球磨速度下进行球磨4h，将原料球磨混合均匀后得到3D打印用陶瓷膏体。
其中，研磨球为重量比例为30％的直径为10mm的不锈钢研磨球与70％的直径为5mm的不锈钢研磨球；且研磨球的总质量与原料的总质量的比为2.5:1～3.0:1。
实施例3
本实施例提供了一种3D打印用陶瓷膏体，其通过以下方法制备得到：
按照配方称量原料，其中，配方为按照质量百分数计的粒度为20μm的氧化锆粉末140g、水玻璃25g、环氧树脂3g、乙二醇3g、正丁醇2g、聚二甲基硅氧烷3g、去离子水20g、丙三醇4g；
将称量好原料放入球磨罐中，并在球磨罐中放入研磨球，然后将球磨罐放置于行星球磨机上，使行星球磨机在300r/min的球磨速度下进行球磨3h，将原料球磨混合均匀后得到3D打印用陶瓷膏体。
其中，研磨球为重量比例为30％的直径为10mm的不锈钢研磨球与70％的直径为5mm的不锈钢研磨球；且研磨球的总质量与原料的总质量的比为2.5:1～3.0:1。
综上所述，本发明的实施例提供的3D打印用陶瓷膏体及其制备方法的有益效果是为：(1)膏体的配方简单、固含量较高，膏体均一、稳定，成形的产品强度较高；(2)原材料易得，成本较低，生产周期短；(3)设备要求简单。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种3D打印用陶瓷膏体，其特征在于：
所述3D打印用陶瓷膏体的制备原料包括按照质量百分数计的60～85％的陶瓷粉体、5～15％的粘结剂、1～10％的消泡剂，余量为溶剂。
2.根据权利要求1所述的3D打印用陶瓷膏体，其特征在于：
所述陶瓷粉体选自碳化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化硅中的任一种。
3.根据权利要求1或2所述的3D打印用陶瓷膏体，其特征在于：
所述陶瓷粉体的粒度为5～50μm。
4.根据权利要求1所述的3D打印用陶瓷膏体，其特征在于：
所述粘结剂为水玻璃、酚醛树脂、环氧树脂、硅溶胶、聚乙二醇中的一种、两种或多种。
5.根据权利要求1所述的3D打印用陶瓷膏体，其特征在于：
所述消泡剂为乙二醇、正丁醇、聚二甲基硅氧烷中的一种、两种或三种。
6.根据权利要求1所述的3D打印用陶瓷膏体的制备方法，其特征在于：
所述溶剂为去离子水、乙醇、丙三醇中的一种、两种或三种。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述的3D打印用陶瓷膏体的制备方法，其特征在于，包括：
按照配方称量原料，其中，所述配方为按照质量百分数计的60～85％的所述陶瓷粉体、5～15％的所述粘结剂、1～10％的所述消泡剂，余量为所述溶剂；
将称量好的所述陶瓷粉体、所述粘结剂、所述消泡剂以及所述溶剂放入球磨罐中，并在所述球磨罐中放入研磨球，然后将所述球磨罐放置于行星球磨机上，使所述行星球磨机在低速下进行球磨，将所述原料球磨混合均匀后得到3D打印用陶瓷膏体。
8.根据权利要求7所述的3D打印用陶瓷膏体的制备方法，其特征在于：
所述研磨球为重量比例为30％的直径为10mm的不锈钢研磨球与70％的直径为5mm的不锈钢研磨球；且所述研磨球的总质量与所述原料的总质量的比为2.5:1～3.0:1。
9.根据权利要求7所述的3D打印用陶瓷膏体的制备方法，其特征在于：
在低速下进行球磨的球磨速度为200～350r/min。
10.根据权利要求9所述的3D打印用陶瓷膏体的制备方法，其特征在于：
在低速下进行球磨的球磨时间为1～4h。
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