CN108191410A - 一种3d打印成型阳离子光固化型氧化铝陶瓷浆料组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用阳离子型光固化方式成型的3D打印陶瓷浆料的组合物。主要包括:氧化铝陶瓷粉体:25‑85vol%,光敏树脂组合液:15‑75 vol%。其特点在于光敏树脂组合液采用阳离子光固化体系,即以环氧树脂和环四丁氧烷为聚合预聚体和活性单体,以芳茂铁盐为光引发剂,以有机过氧化物为催化剂,可以制备高光固化活性和低收缩的氧化铝陶瓷浆料,减少后续工艺中因收缩率大造成的变形。利用本发明的3D打印陶瓷浆料的组合物,能够制备出成型精度高、无需模具能够制备复杂的氧化铝陶瓷结构件。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷材料制备及有机-无机杂化材料领域,涉及一种3D打印成型的光固化陶瓷浆料组合物。
背景技术
陶瓷材料因具有极高的硬度、良好的耐磨性和耐腐蚀性以及脆性大等特点,使得机械加工的成本高昂和加工效率低下,因此传统的成型工艺限制了陶瓷零件特别是复杂结构的陶瓷制件的应用和发展。基于快速成型的陶瓷零件直接制造工艺无需模具,可缩短制造周期,降低制造成本,因此成为陶瓷材料成型研究的热点。采用快速成型工艺主要包括选择性激光烧结工艺(SLS)、熔融沉积成型工艺(FDM)、叠层实体制造工艺(LOM)、三维喷墨打印工艺(I-J 3DP)、立体光刻工艺(SLA)和数字光处理工艺(DLP)。其中,SLA和DLP技术成型速度快和成型精度高的特点。采用SLA和DLP快速成型工艺均是通过3D打印设备将混有光敏树脂的陶瓷粉体经紫外及可见光固化后得到成型精度高的生坯,再经过脱脂和烧结等后处理得到陶瓷制件。
用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂,或称液态光敏树脂。光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。在采用SLA和DLP快速成型工艺中,光固化型陶瓷浆料组合物的性能是打印出高精度陶瓷生坯及烧结成合格陶瓷制件的关键。根据光引发机理,液态光敏树脂组合物分为自由基型和阳离子型,在应用上较多使用的是丙烯酸酯类自由基型光敏组合物,该类树脂的体积收缩率较大,通常在10%以上,使用该类树脂固化成型的氧化铝陶瓷素坯容易产生翘曲变形及纹状空隙甚至开裂,严重影响素坯的尺寸精度。阳离子型光固化体系多采用环氧类树脂,该类树脂的体积收缩率较小,通常小于5%,由此用阳离子固化体系替代自由基固化体系是解决体积收缩的主要手段。
自由基光固化体系的应用与阳离子型光固化体系相比,具有引发剂种类多及固化速度快等优点,阳离子光固化体系的引发剂种类选择较少,目前主要有碘鎓盐、硫鎓盐和茂铁盐三类引发剂,而碘鎓盐和硫鎓盐有时具有自由基引发活性的自由基型引发剂。与自由基型光固化体系相比,阳离子型光固化体系的光固化速度较慢,而且已经商业化的碘鎓盐和硫鎓盐的光吸收均在350nm以下,无法满足现在3D打印光快速成型机的405nm光源。
氧化铝陶瓷不仅具有优良的常温力学性能,如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数,而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等),是已知陶瓷材料中最佳的,其高温强度可一直维持到1600℃,是陶瓷材料中高温强度最好的材料。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。由于氧化铝陶瓷所固有的高强度、高硬度等优点同时给其成型、加工带来了很多困难,尤其是形状复杂的陶瓷部件,通常需要借助于复杂的模具来实现,而复杂模具的制作具有很高的技术难度,需要较高的制作成本和较长的制作周期,而且,模具一旦制作完成,就无法再对产品进行修改,在市场竞争日趋激烈,产品更新速度日益加快的今天,这种生产状况已经越来越不能适应现代企业生存和发展的需要,由此,采用3D打印快速成型碳化硅素坯是重要的发展方向。
在3D打印快速成型碳化硅素坯时,由于碳化硅深色体系,吸光严重,光固化速率受到严重影响,固化成型极为困难,如果用自由基光固化体系,需要用光固化活性高的多官能度的单体和预聚体来提高聚合活性,才能使碳化硅固化成型,但是使用多官能度的单体和预聚体带来的问题是体积收缩率大,打印成型的素坯变形严重。
发明内容
为了解决以上技术问题,本发明中通过在3D打印陶瓷浆料的组合物中光敏树脂组合液采用阳离子光固化体系,即以环氧树脂和环四丁氧烷为聚合预聚体和活性单体,以芳茂铁盐为光引发剂,以有机过氧化物为催化剂,可以制备高光固化活性和低收缩的氧化铝陶瓷浆料,减少后续工艺中因收缩率大造成的变形。利用本发明的3D打印陶瓷浆料的组合物,能够制备出成型精度高、无需模具能够制备复杂的氧化铝陶瓷结构件。
一种3D打印成型的阳离子光固化型氧化铝陶瓷浆料组合物,其特征在于,包括:25-85wt%氧化铝陶瓷粉体,5-55 wt%环氧树脂预聚体,5-60 wt%环氧单体,环四1-20 wt%丁氧烷类单体,1-10 wt%环氧化柠檬烯,0.3-9 wt%茂铁型阳离子光引发剂,0.1-5 wt%有机过氧化物。
环氧树脂预聚体为缩水甘油醚型环氧树脂、酚醛型环氧树脂、缩水甘油酯型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂、大豆油改性环氧树脂中至少一种。
环氧单体为脂肪型环氧单体和脂环型环氧单体中至少一种。
茂铁型阳离子光引发剂的结构通式如下:
其中,Ar为苯基、烷基取代苯基、萘基、烷基取代萘基、咔唑基、N-烷基取代咔唑基、卤代苯基;Q选自B,P,As,或Sb;X 是卤原子;m 是Q的价态加1的整数。
制备方法为:
步骤一、制备浆料: 氧化铝陶瓷粉体、环氧树脂预聚体、环氧单体、环四丁氧烷类单体、茂铁型阳离子光引发剂、有机过氧化物混合后球磨得浆料;
步骤二、3D打印成型:所述浆料光固化成型,得胚体;
步骤三、后处理:所述胚体依次经干燥、脱脂和烧结得产品。
3D打印成型为光固化激光扫描快速成型或者数字光处理面投影固化成型,光源波长为300-532nm。
本发明具有如下优越性:
1、 采用阳离子光固化体系,减少氧化铝生坯固化成型过程中产生的体积收缩,有效地抑制翘曲变形等问题;
2、 利用阳离子固化速度慢及暗固化等方式,控制氧化铝生坯件的内部应力,降低烧结过程中产生的断裂等问题;
3、 采用茂铁型阳离子光引发剂,可以实现在405nm光源下的有效聚合,并有效地解决了暗色固化体系难光固化问题。
4、 通过在配方中使用环四丁氧烷类单体,使其在开环固化中产生体积膨胀,进一步降低素坯的体积收缩率,同时利用环四丁氧烷类单体单体固化过程中大量放热,促进体系的暗聚合。
5、 配方中通过添加环氧化柠檬烯,可以极大地促进阳离子光固化体系的固化速度。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
为了更详细说明本发明,下面结合实施例对本发明提供一种采用光固化方式成型的3D打印陶瓷浆料的组合物,具体进行描述。
实施例1
按如下组成配置3D打印陶瓷浆料:
(1)70 vol%氧化铝陶瓷粉体:选用<1μm 氧化铝陶瓷粉;
(2)30 vol%光敏树脂组合液:20wt%的双酚A型环氧树脂E51、55wt% ERL4221、15wt%3-甲基-3-羟甲基氧杂环丁烷、5 wt%环氧化柠檬烯、2 wt% 有机过氧化物BPO、3wt%氯苯配体茂铁盐。
将上述陶瓷粉体和光敏树脂组合液在中速搅拌下混合0.5h,使各组分充分混合均匀,然后置于球磨机中,球磨3h,制得陶瓷浆料。将制得的陶瓷浆料置于405nmLED光源的DLP型3D打印几种成型固化。固化后的生坯用清洗液去除未固化的陶瓷浆料,然后经干燥、脱脂和烧结过程,得到陶瓷制件。
实施例2
按如下组成配置3D打印陶瓷浆料:
(1)65 vol%氧化铝陶瓷粉体:选用<1μm 氧化铝陶瓷粉;
(2)35 vol%光敏树脂组合液:20wt%的双酚A型环氧树脂E51、55wt% ERL4221和15wt%3-甲基-3-羟甲基氧杂环丁烷、5 wt%环氧化柠檬烯、2 wt% 有机过氧化物BPO、3wt% N-乙基咔唑配体茂铁盐
将上述陶瓷粉体和光敏树脂组合液在中速搅拌下混合0.5h,使各组分充分混合均匀,然后置于球磨机中,球磨3h,制得陶瓷浆料。将制得的陶瓷浆料置于405nmLED光源的DLP型3D打印几种成型固化。固化后的生坯用清洗液去除未固化的陶瓷浆料,然后经干燥、脱脂和烧结过程,得到陶瓷制件。
实施例3
按如下组成配置3D打印陶瓷浆料:
(1)60 vol%氧化铝陶瓷粉体:选用<1μm 氧化铝陶瓷粉;
(2)40 vol%光敏树脂组合液:40wt%的双酚A型环氧树脂E51、35wt% ERL4221和15wt%3-甲基-3-羟甲基氧杂环丁烷、5 wt%环氧化柠檬烯、2 wt% 有机过氧化物BPO、3wt% 二苯甲酮配体茂铁盐
将上述陶瓷粉体和光敏树脂组合液在中速搅拌下混合0.5h,使各组分充分混合均匀,然后置于球磨机中,球磨3h,制得陶瓷浆料。将制得的陶瓷浆料置于405nmLED光源的DLP型3D打印几种成型固化。固化后的生坯用清洗液去除未固化的陶瓷浆料,然后经干燥、脱脂和烧结过程,得到陶瓷制件。
Claims (6)
1.一种3D打印成型的阳离子光固化型氧化铝陶瓷浆料组合物,其特征在于,包括:25-85wt%氧化铝陶瓷粉体,5-55 wt%环氧树脂预聚体,5-60 wt%环氧单体,1-20 wt%环四丁氧烷类单体,1-10 wt%环氧化柠檬烯,0.3-9 wt%茂铁型阳离子光引发剂,0.1-5 wt%有机过氧化物。
2.权利要求1所述的3D打印成型的阳离子光固化型氧化铝陶瓷浆料组合物,其特征在于,所述环氧树脂预聚体为缩水甘油醚型环氧树脂、酚醛型环氧树脂、缩水甘油酯型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂、大豆油改性环氧树脂中至少一种。
3.权利要求1所述的3D打印成型的阳离子光固化型氧化铝陶瓷浆料组合物,其特征在于,所述环氧单体为脂肪型环氧单体和脂环型环氧单体中至少一种。
4.权利要求1所述的3D打印成型的阳离子光固化型氧化铝陶瓷浆料组合物,其特征在于,所述茂铁型阳离子光引发剂的结构通式如下:
其中,Ar为苯基、烷基取代苯基、萘基、烷基取代萘基、咔唑基、N-烷基取代咔唑基、卤代苯基;Q选自B,P,As,或Sb;X 是卤原子;m 是Q的价态加1的整数。
5.一种利用权利要求1至4任意一项所述的组合物制备陶瓷的方法,其特征在于,所述制备方法为:
步骤一、制备浆料: 氧化铝陶瓷粉体、环氧树脂预聚体、环氧单体、环四丁氧烷类单体、茂铁型阳离子光引发剂、有机过氧化物混合后球磨得浆料;
步骤二、3D打印成型:所述浆料光固化成型,得胚体;
步骤三、后处理:所述胚体依次经干燥、脱脂和烧结得产品。
6.权利要求5所述制备陶瓷的方法,其特征在于,所述3D打印成型为光固化激光扫描快速成型或者数字光处理面投影固化成型,光源波长为300-532nm。
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