CN108285320A - 一种用于3d打印的自发热固化陶瓷浆料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D打印技术领域。本发明公开了一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，其由木岱瓷土、高岭土、氧化铝、氧化锆、氧化硅、碱激发剂、表面活性剂和有机溶剂等原料制得；本发明还公开了一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料的制备方法，其包括原料粉碎、表面改性、配料等步骤。本发明中的陶瓷浆料可以用于3D打印制备陶瓷产品；本发明中的陶瓷浆料在3D打印成型后能够在较短的时间内快速获得相应的强度；本发明中的陶瓷浆料中不含有聚合物及高温分解成分，在后续烧结过程中无需进行排胶等处理，能够提高烧结效率，改善烧结品质。

Description

一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其是涉及一种用于3D打印的自发热热固化陶瓷浆料及其制备方法。
背景技术
陶瓷是一种具有悠久历史的制品，其被广泛地应用于世界各国人民的日常生活中。传统陶瓷的成型方法主要是注浆、拉坯和模压等方法，但是这些成型方法对于结构相对较复杂的陶瓷品，就难以实现复杂结构陶瓷的成型，对于结构复杂但体壁更薄的陶瓷品就更难以实现。
3D打印成型技术，即增材制造技术，是一种融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有，使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。
将3D打印技术应用到陶瓷成型工艺上，可以实现复杂结构陶瓷制品的成型，特别是可以获得一系列结构复杂的陶瓷艺术品；但是由于陶瓷制品的原料是无机原料，如果在打印阶段直接烧结，无机原料的烧结反应温度过高，3D打印过程中虽然可以采用激光进行烧结，但是其成本较高，而且激光烧结后难以对成型后的产品进行表面修饰，产品质量相对较低；如果在打印阶段采用向陶瓷原料中添加粘结剂的方法，坯体在烧结过程中需要预先排出粘结剂，在高温下粘结剂分解产生气体，容易对坯体的强度和坯体本身产生不良影响，甚至损坏坯体；因此需要一套能够使得陶瓷材料3D打印后能够快速获得一定强度的陶瓷3D打印方法，并在成坯后在采用传统的烧结工艺进行进一步的烧结成型。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种能够快速成型并在成型后利用其自发热固化特性快速获得强度的3D打印用陶瓷浆料；
本发明还提供了一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，由以下重量份的原料组成：
木岱瓷土35～40份，高岭土10～15份，氧化铝20～24份，氧化锆13～18份，氧化硅8～13份，碱激发剂7～12份，表面活性剂4～6份，有机溶剂45～75份。
本发明中陶瓷浆料是基于现有青瓷原料的改进，改进的目的是为了陶瓷浆料在3D打印成型后能够快速获得强度，使粗坯具有能够自承重的强度不至于发生成型后坍塌等问题。本发明中实现浆料3D打印后快速获得强度的方法是采用碱激发快速增强的方法，碱激发是利用陶瓷原料中的硅酸盐矿物、氧化铝、氧化硅等在碱剂的作用下快速胶凝的方法，碱激发过程中产生大量热，在促进碱激发过程的同时还能是原浆料中的溶剂/分散剂挥发，同时碱激发工艺中不会引入有机高聚物，也就无需进行排胶等除去易热分解有机物的过程，能够增进烧结的效率，也能使制得的陶瓷制品具有更高的致密度，更高的品质。由于碱激发过程需要采用碱溶液进行激发，但是如果在陶瓷原料中直接添加碱液，则由于碱激发反应速度过快，难以实现浆料的储存运输，甚至会将3D打印喷头堵塞，因此在本发明中采用将碱液拆分为碱和水分分别添加的方式实现可控碱激发，将碱均匀混合在陶瓷原料中，制得带碱的陶瓷原料，然后制得陶瓷浆料，再将陶瓷浆料打印在一个高湿度的环境中，利用环境中的水分引发碱激发过程，当然除了在高湿度环境中进行3D打印这一方案外，也可以采用将浆料打印的同时向其喷水的方式实现。为了将陶瓷原料制成一种具有较好流动性并能够用于3D打印的打印墨水并避免水的参与，因此将陶瓷原料分散在不含水的有机溶剂中，为更好的分散，添加表面活性剂对陶瓷原料进行改性。
作为优选，碱激发剂由碱剂和硅酸钠按重量比10：1～2组成。
作为优选，碱剂为氢氧化钾或氢氧化钠。
碱激发剂由碱剂（即碱）和硅酸钠组成，硅酸钠也是一种与水能够胶凝的材料，可以辅助碱激发反应过程的进行，不添加硅酸钠也能在碱激发的作用下实现坯体的快速增强，但是在碱激发过程的初段，坯体的强度还是较差，不添加硅酸钠可能会是坯体发生一微小程度的坍塌，即使这种坍塌是极其微小的，但也会对后期的加工产生不良影响，对陶瓷的形状也会有一定影响，对于高品质的陶瓷产品，这些都会影响其品质，因此需要添加少量硅酸钠，使在碱激发过程的初段，陶瓷坯体也具有不致使其发生轻微坍塌的强度。碱剂，选用氢氧化钾和氢氧化钠，钾、钠离子的加入不会对陶瓷产品产生不良影响，即使是在高温阶段钾、钠发生挥发，其含量较小也不会对陶瓷的致密度影响过大；此外，氢氧化钠和氢氧化钾还具有较强的吸水性，能够促进碱激发过程的尽快进行。
作为优选，表面活性剂为二甲基硅氧烷表面活性剂、三聚硅氧烷聚醚表面活性剂或聚硅氧烷磷酸酯甜菜碱表面活性剂中的一种。
作为优选，有机溶剂为异己烷、乙醇、乙二醇、正丙醇、丙二醇、异丙醇或正丁醇中的一种。
有机溶剂的选择依据是，无毒无害，并具有较低的沸点，能够在碱激发作用下尽快挥发。
作为优选，用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料在高湿度环境下作为陶瓷的3D打印原料进行使用。
作为优选，高湿度环境为湿度大于75%的环境。
一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料的制备方法，包括以下步骤：
a）原料粉碎：将木岱瓷土、高岭土、氧化铝、氧化锆和氧化硅混合后粉碎并过1500～2000目筛，制得粉料；
b）表面改性：将粉料加入到粉料重量1～1.5倍的水中，然后再加入表面活性剂，接着以400～800rpm的转速球磨1～3小时，之后烘干并粉碎，过1300～1800目筛后制得改性粉料；
c）配料：将改性粉料和碱激发剂混合均匀，然后将获得的混合物加入到有机溶剂中，以100～200rpm的转速搅拌6～8小时制得用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料。
作为优选，碱激发剂在使用前先粉碎至1000～1500目。
作为优选，步骤c在干燥环境下进行。
浆料的制备，在传统陶瓷原料制备的基础上，添加了原料表面改性、分散处理等步骤。碱激发剂在添加时需要进行预先粉碎，由于碱激发剂中都是水溶性原料，因此粉碎需要在干燥环境下进行；此外碱激发剂的粒度略粗与陶瓷原料，这样可以使陶瓷原料更好的分布在碱激发剂的周围，能够更快更好的进行碱激发反应。步骤c在干燥环境下进行，这一点无需多谈。
因此，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明中的陶瓷浆料可以用于3D打印制备陶瓷产品；
（2）本发明中的陶瓷浆料在3D打印成型后能够在较短的时间内快速获得相应的强度；
（3）本发明中的陶瓷浆料中不含有聚合物及高温分解成分，在后续烧结过程中无需进行排胶等处理，能够提高烧结效率，改善烧结品质。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，若非特指，所有的设备和原料均可从市场上购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1
一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，由以下重量份的原料组成：
木岱瓷土35份，高岭土10份，氧化铝20份，氧化锆13份，氧化硅8份，碱激发剂7份，表面活性剂4份，有机溶剂45份；碱激发剂由氢氧化钾和硅酸钠按重量比10：1组成；表面活性剂为二甲基硅氧烷表面活性剂，有机溶剂为异己烷；
上述用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料在湿度大于75%的高湿度环境下作为陶瓷的3D打印原料进行使用。
一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料的制备方法，包括以下步骤：
a）原料粉碎：将木岱瓷土、高岭土、氧化铝、氧化锆和氧化硅混合后粉碎并过1500目筛，制得粉料；
b）表面改性：将粉料加入到粉料重量1倍的水中，然后再加入表面活性剂，接着以400rpm的转速球磨1小时，之后烘干并粉碎，过1300目筛后制得改性粉料；
c）配料：碱激发剂粉碎至1000目后将改性粉料和碱激发剂混合均匀，然后将获得的混合物加入到有机溶剂中，以100rpm的转速搅拌6小时制得用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料；
上述步骤c在干燥环境下进行。
实施例2
一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，由以下重量份的原料组成：
木岱瓷土37份，高岭土12份，氧化铝21份，氧化锆14份，氧化硅9份，碱激发剂9份，表面活性剂5份，有机溶剂55份；碱激发剂由氢氧化钾和硅酸钠按重量比10：1.5组成；表面活性剂为三聚硅氧烷聚醚表面活性剂，有机溶剂为乙醇；
上述用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料在湿度大于75%的高湿度环境下作为陶瓷的3D打印原料进行使用。
一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料的制备方法，包括以下步骤：
a）原料粉碎：将木岱瓷土、高岭土、氧化铝、氧化锆和氧化硅混合后粉碎并过1600目筛，制得粉料；
b）表面改性：将粉料加入到粉料重量1.2倍的水中，然后再加入表面活性剂，接着以500rpm的转速球磨1.5小时，之后烘干并粉碎，过1400目筛后制得改性粉料；
c）配料：碱激发剂粉碎至1200目后将改性粉料和碱激发剂混合均匀，然后将获得的混合物加入到有机溶剂中，以120rpm的转速搅拌6.5小时制得用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料；
上述步骤c在干燥环境下进行。
实施例3
一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，由以下重量份的原料组成：
木岱瓷土38份，高岭土13份，氧化铝23份，氧化锆17份，氧化硅11份，碱激发剂11份，表面活性剂5份，有机溶剂65份；碱激发剂由氢氧化钠和硅酸钠按重量比10：1.5组成；表面活性剂为三聚硅氧烷聚醚表面活性剂，有机溶剂为乙二醇；
上述用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料在湿度大于75%的高湿度环境下作为陶瓷的3D打印原料进行使用。
一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料的制备方法，包括以下步骤：
a）原料粉碎：将木岱瓷土、高岭土、氧化铝、氧化锆和氧化硅混合后粉碎并过1800目筛，制得粉料；
b）表面改性：将粉料加入到粉料重量1.3倍的水中，然后再加入表面活性剂，接着以600rpm的转速球磨2.5小时，之后烘干并粉碎，过1600目筛后制得改性粉料；
c）配料：碱激发剂粉碎至1300目后将改性粉料和碱激发剂混合均匀，然后将获得的混合物加入到有机溶剂中，以160rpm的转速搅拌7.5小时制得用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料；
上述步骤c在干燥环境下进行。
实施例4
一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，由以下重量份的原料组成：
木岱瓷土40份，高岭土15份，氧化铝24份，氧化锆18份，氧化硅13份，碱激发剂12份，表面活性剂6份，有机溶剂75份；碱激发剂由氢氧化钠和硅酸钠按重量比10：2组成；表面活性剂为聚硅氧烷磷酸酯甜菜碱表面活性剂，有机溶剂为丙二醇；
上述用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料在湿度大于75%的高湿度环境下作为陶瓷的3D打印原料进行使用。
一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料的制备方法，包括以下步骤：
a）原料粉碎：将木岱瓷土、高岭土、氧化铝、氧化锆和氧化硅混合后粉碎并过1500～2000目筛，制得粉料；
b）表面改性：将粉料加入到粉料重量1.5倍的水中，然后再加入表面活性剂，接着以800rpm的转速球磨3小时，之后烘干并粉碎，过1800目筛后制得改性粉料；
c）配料：碱激发剂粉碎至1500目后将改性粉料和碱激发剂混合均匀，然后将获得的混合物加入到有机溶剂中，以200rpm的转速搅拌8小时制得用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料；
上述步骤c在干燥环境下进行。
实施例5
实施例5中，除了有机溶剂采用正丙醇外技术方案与实施例2相同。
实施例6
实施例6中，除了有机溶剂采用异丙醇外技术方案与实施例2相同。
实施例7
实施例7中，除了有机溶剂采用正丁醇外技术方案与实施例3相同。
技术指标
测试3D打印后制得坯体的抗折系数。
不同时间点，陶瓷坯体抗折系数如下，浆料3D打印10秒后坯体的抗折系数不小于1.0N/mm2，20秒后坯体的抗折系数不小于1.5N/mm2，30秒后抗折系数不小于2.5N/mm2，1分钟后抗折系数不小于7.5N/mm2。
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，其特征在于由以下重量份的原料组成：
木岱瓷土35～40份，高岭土10～15份，氧化铝20～24份，氧化锆13～18份，氧化硅8～13份，碱激发剂7～12份，表面活性剂4～6份，有机溶剂45～75份。
2.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，其特征在于：
所述的碱激发剂由碱剂和硅酸钠按重量比10：1～2组成。
3.根据权利要求2所述的一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，其特征在于：
所述的碱剂为氢氧化钾或氢氧化钠。
4.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，其特征在于：
所述的表面活性剂为二甲基硅氧烷表面活性剂、三聚硅氧烷聚醚表面活性剂或聚硅氧烷磷酸酯甜菜碱表面活性剂中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，其特征在于：
所述的有机溶剂为异己烷、乙醇、乙二醇、正丙醇、丙二醇、异丙醇或正丁醇中的一种。
6.根据权利要求1～5所述的一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，其特征在于：
所述的用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料在高湿度环境下作为陶瓷的3D打印原料进行使用。
7.根据权利要求6所述的一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料，其特征在于：
所述的高湿度环境为湿度大于75%的环境。
8.一种根据权利要求1所述的用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）原料粉碎：将木岱瓷土、高岭土、氧化铝、氧化锆和氧化硅混合后粉碎并过1500～2000目筛，制得粉料；
b）表面改性：将粉料加入到粉料重量1～1.5倍的水中，然后再加入表面活性剂，接着以400～800rpm的转速球磨1～3小时，之后烘干并粉碎，过1300～1800目筛后制得改性粉料；
c）配料：将改性粉料和碱激发剂混合均匀，然后将获得的混合物加入到有机溶剂中，以100～200rpm的转速搅拌6～8小时制得用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料。
9.根据权利要求8所述的一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料的制备方法，其特征在于：
所述的碱激发剂在使用前先粉碎至1000～1500目。
10.根据权利要求8所述的一种用于3D打印的自发热固化陶瓷浆料的制备方法，其特征在于：
所述步骤c在干燥环境下进行。
CN201810046126.0A 2018-01-17 2018-01-17 一种用于3d打印的自发热固化陶瓷浆料及其制备方法 Active CN108285320B (zh)

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Denomination of invention: Self-heating solidified ceramic paste for 3D printing and its preparation method

Effective date of registration: 20230104

Granted publication date: 20201013

Pledgee: Longquan Branch of China Construction Bank Co.,Ltd.

Pledgor: LONGQUAN JINHONG PORCELAIN CO.,LTD.

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