CN108296418B - 一种用于3d打印的覆膜砂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种覆膜砂及其制备方法，尤其涉及一种用于3D打印的覆膜砂及其制备方法。本发明的用于3D打印的覆膜砂包括以下重量份的原料组分：石英砂180‑220份、钢纤维15‑20份、酚醛树脂25‑30份、己二酸二酰肼10‑15份、黏土30‑40份、胶黏剂8‑12份、润滑剂8‑12份、聚氯乙烯增塑剂8‑12份、羧甲基纤维素钠8‑12份。本发明的用于3D打印的覆膜砂，利用钢纤维提高了覆膜砂的韧性及抗拉强度；利用己二酸二酰肼降低了酚醛树脂反应过程中产生的臭气，避免大气污染，保护环境；利用聚氯乙烯增塑剂降低了覆膜砂的热膨胀性，从而降低了3D打印时产生的裂纹的量，提高了成品质量和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种覆膜砂及其制备方法，尤其涉及一种用于3D打印的覆膜砂及其制备方法。
背景技术
覆膜砂是砂粒表面在造型前即覆有一层固化树脂膜的型砂或芯砂。有冷法和热法两种覆膜工艺：冷法用溶剂(如酒精)将树脂溶化，并在混砂过程中，使树脂包覆在砂粒表面；热法把砂预热到一定温度，加树脂混匀，使树脂包覆在砂粒表面。新型的3D打印技术，是将覆膜砂一层一层采用重力叠加通过激光烧制使其固化成型的过程，节省了开模具、制芯等工序，大大缩短了新产品的开发周期。
但3D打印技术对覆膜砂的要求极高，传统的覆膜砂在强度、耐高温性、热膨胀性等方面已经无法满足3D打印的需求，因此人们急需要研发一种用于3D打印的覆膜砂来取代传统覆膜砂。
例如公开号为CN 102688977 A的中国发明申请，名称为高强度制芯用覆膜砂及其制备工艺，其制备的覆膜砂可有效抑制氮气的生成量，覆膜砂制芯过程中固化更透彻，但覆膜砂的整体力学性能及耐高温性能相对于传统覆膜砂没有显著的提升；再如公开号为CN106563764 A的中国发明申请，名称为一种3D打印用覆膜砂材料及制备、成型方法，其制备的覆膜砂原材料采用无机环保型材料，绿色环保，砂芯成型强度好，但其专利文件中没有给出覆膜砂的具体的性能参数，另外覆膜砂的耐高温性能是否得到改善专利文件中也没有明确给出。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种高强度、耐高温、热膨胀率低且环保的用于3D打印的覆膜砂；本发明的另一个目的在于提供一种上述用于3D打印的覆膜砂的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于3D打印的覆膜砂，包括以下重量份的原料组分：石英砂180-220份、钢纤维15-20份、酚醛树脂25-30份、己二酸二酰肼10-15份、黏土30-40份、胶黏剂8-12份、润滑剂8-12份、聚 氯乙烯增塑剂8-12份、羧甲基纤维素钠8-12份。
进一步的，钢纤维为丝状，并且含有合金元素Cr、Si、Al中的一种或多种。
进一步的，一种用于3D打印的覆膜砂包括以下重量份的原料组分：石英砂180-190份、钢纤维16-18份、酚醛树脂27-30份、己二酸二酰肼10-13份、黏土35-40份、胶黏剂10-12份、润滑剂10-12份、聚氯乙烯增塑剂10-12份、羧甲基纤维素钠10-12份。
本发明的一种用于3D打印的覆膜砂采用石英砂为原料，石英砂的耐火、耐高温性能好，且坚硬、耐磨、化学性能稳定，从而可以显著提高覆膜砂的耐高温性能并保证覆膜砂具有较高的强度；添加钢纤维，钢纤维的丝状结构可以实现与覆膜砂体为点接触，且与每个接触点均具有较长的有效接触长度，从而显著提高了覆膜砂的韧性及抗拉强度，并利用钢纤维本身的高强度及耐高温性改善覆膜砂的力学性能及耐高温性；钢纤维中各种合金元素的添加，可有效保证钢纤维具有优异耐高温性能；黏土采用耐火黏土，通过添加耐火黏土来进一步增加覆膜砂的耐高温性能，同时提高了覆膜砂原料的粘结力；酚醛树脂可以采用快固化酚醛树脂，从而提高固化速度；添加己二酸二酰肼，利用己二酸二酰肼降低酚醛树脂反应过程中产生的臭气，避免大气污染，保护环境；添加聚氯乙烯增塑剂，利用聚氯乙烯增塑剂降低覆膜砂的热膨胀性，降低3D打印时产生的裂纹的量，增加成品质量和寿命；同时利用羧甲基纤维素钠和胶黏剂配合进一步提高覆膜砂的粘结力。
本发明的用于3D打印的覆膜砂进行性能测试：常温抗拉强度大于4.6MPa,热拉强度大于1.8MPa,热抗弯强度大于7.7MPa，冷抗弯强度大于19.5MPa，急热膨胀率小于0.07％。
本发明还提供了一种用于3D打印的覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：
(1)石英砂制备：将天然石英矿石进行粉碎，然后将粉碎好的粗制石英砂依次进行水洗、烘干、除杂工序之后制成石英砂；
(2)原料处理：将黏土和羧甲基纤维素钠按照原料组分分别进行除杂后放入搅拌机中进行混合搅拌，搅拌均匀形成混合材料颗粒，将混合材料颗粒放入粉碎机中进行粉碎，形成混合粉末；
(3)混合料制备：取步骤(1)中制得的石英砂180-220份放入搅拌机中， 然后取步骤(2)中制得的混合粉末倒入搅拌机中，之后向搅拌机中按照原料组分添加钢纤维，控制搅拌机转速60转每秒，搅拌18-22分钟，形成混合料，搅拌均匀之后取出，并将搅拌机清洗干净风干；
(4)混合液制备：将酚醛树脂、己二酸二酰肼、聚氯乙烯增塑剂和胶黏剂按原料组分倒入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为15-20分钟，搅拌转速为30转每秒，形成混合液体；
(5)粗制覆膜砂制备：将步骤(3)制备的混合料倒入步骤(4)中的搅拌机中与混合液体一起进行搅拌，搅拌时间为20-25分钟，搅拌转速为45转每秒，制成粗制覆膜砂；
(6)精制覆膜砂制备：经步骤(5)制备的粗制覆膜砂进行高温加热反应，加热反应之后将粗制覆膜砂取出摊开，冷却至室温之后将粗制覆膜砂放入搅拌机中，然后向搅拌机中按原料组分加入润滑剂进行搅拌，搅拌时间为6-10分钟，搅拌转速为25转每秒，制得精制覆膜砂；
(7)成型：将己二酸二酰肼按原料组分倒入木桶中，然后向木桶内添加水并用木棍不断搅拌使己二酸二酰肼完全溶解后，将其倒入搅拌机中，然后将步骤(6)中制得的精制覆膜砂倒入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为15-18分钟，搅拌转速为35转每秒，搅拌完成后将搅拌机中的物质倒入烘干室中进行烘干，烘干完成后移出烘干室自然冷却，冷却至室温之后制成覆膜砂。
进一步的，步骤(1)中天然石英矿石的粉碎粒度为100-110目。
进一步的，步骤(2)中所述混合材料颗粒的粉碎粒度为115-120目。
进一步的，步骤(6)中的所述粗制覆膜砂进行高温加热反应的加热时间为10-12分钟，加热温度为170-180℃。
进一步的，步骤(6)中的粗制覆膜砂取出摊开后自然冷却至室温。
进一步的，步骤(7)中烘干室内的烘干温度为80-95℃。
进一步的，步骤(7)中搅拌完成后搅拌机中的物质倒入烘干室烘干2-3小时。
本发明的用于3D打印的覆膜砂的制备方法，石英砂经多道工序进行制备，从而保证了石英砂原料的纯净度；将石英砂与黏土和羧甲基纤维素钠根据其原料硬度分别进行粉碎，粉碎效果更好，从而保证了石英砂、黏土和羧甲基纤维 素钠的粉碎粒度均满足工艺要求；混合料制备中严格控制搅拌机的转速及搅拌时间，从而保证了混合料中各组分可以充分混合；粗制覆膜砂制备中严格控制搅拌机的转速及搅拌时间，使混合液体与混合料充分混合，从而保证混合料可以完全被混合液体包覆；粗制覆膜砂制备完毕后再次进行高温加热反应，从而进一步使得混合液体与混合料颗粒表面更好地结合，另外使得混合液体中各组分的作用更充分地发挥；粗制覆膜砂高温加热反应冷却后添加润滑剂，从而保证了制备的覆膜砂表面的光滑度。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的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它实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种用于3D打印的覆膜砂，包括以下重量份的原料组分：石英砂180份、钢纤维15份、酚醛树脂25份、己二酸二酰肼10份、黏土30份、胶黏剂8份、润滑剂8份、聚氯乙烯增塑剂8份、羧甲基纤维素钠8份。
本实施例的用于3D打印的覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：
(1)石英砂制备：将天然石英矿石进行粉碎，粉碎粒度为100目，然后将粉碎好的粗制石英砂依次进行水洗、烘干、除杂工序之后制成石英砂；
(2)原料处理：将黏土和羧甲基纤维素钠按照原料组分分别进行除杂后放入搅拌机中进行混合搅拌，搅拌均匀形成混合材料颗粒，将混合材料颗粒放入粉碎机中进行粉碎，粉碎粒度为115目，形成混合粉末；
(3)混合料制备：取步骤(1)中制得的石英砂180份放入搅拌机中，然后取步骤(2)中制得的混合粉末倒入搅拌机中，之后向搅拌机中按照原料组分添加钢纤维，控制搅拌机转速60转每秒，搅拌18分钟，形成混合料，搅拌均匀之后取出，并将搅拌机清洗干净风干；
(4)混合液制备：将酚醛树脂、己二酸二酰肼、聚氯乙烯增塑剂和胶黏剂按原料组分倒入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为15分钟，搅拌转速为30转每 秒，形成混合液体；
(5)粗制覆膜砂制备：将步骤(3)制备的混合料倒入步骤(4)中的搅拌机中与混合液体一起进行搅拌，搅拌时间为20分钟，搅拌转速为45转每秒，制成粗制覆膜砂；
(6)精制覆膜砂制备：经步骤(5)制备的粗制覆膜砂进行高温加热反应，加热时间为10分钟，加热温度为170℃，加热反应之后将粗制覆膜砂取出摊开，自然冷却至室温之后将粗制覆膜砂放入搅拌机中，然后向搅拌机中按原料组分加入润滑剂进行搅拌，搅拌时间为6分钟，搅拌转速为25转每秒，制得精制覆膜砂；
(7)成型：将己二酸二酰肼按原料组分倒入木桶中，然后向木桶内添加水并用木棍不断搅拌使己二酸二酰肼完全溶解后，将其倒入搅拌机中，然后将步骤(6)中制得的精制覆膜砂倒入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为15分钟，搅拌转速为35转每秒，搅拌完成后将搅拌机中的物质倒入烘干室中进行烘干，烘干温度为80℃，烘干2小时，烘干完成后移出烘干室自然冷却，冷却至室温之后制成覆膜砂。
本实施例的用于3D打印的覆膜砂：常温抗拉强度4.7MPa,热拉强度1.86MPa,热抗弯强度7.9MPa，冷抗弯强度19.7MPa，急热膨胀率0.068％。
实施例2
一种用于3D打印的覆膜砂，包括以下重量份的原料组分：石英砂200份、钢纤维18份、酚醛树脂28份、己二酸二酰肼13份、黏土35份、胶黏剂10份、润滑剂10份、聚氯乙烯增塑剂10份、羧甲基纤维素钠10份。
本实施例的用于3D打印的覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：
(1)石英砂制备：将天然石英矿石进行粉碎，粉碎粒度为105目，然后将粉碎好的粗制石英砂依次进行水洗、烘干、除杂工序之后制成石英砂；
(2)原料处理：将黏土和羧甲基纤维素钠按照原料组分分别进行除杂后放入搅拌机中进行混合搅拌，搅拌均匀形成混合材料颗粒，将混合材料颗粒放入粉碎机中进行粉碎，粉碎粒度为118目，形成混合粉末；
(3)混合料制备：取步骤(1)中制得的石英砂200份放入搅拌机中，然后取步骤(2)中制得的混合粉末倒入搅拌机中，之后向搅拌机中按照原料组分 添加钢纤维，控制搅拌机转速60转每秒，搅拌20分钟，形成混合料，搅拌均匀之后取出，并将搅拌机清洗干净风干；
(4)混合液制备：将酚醛树脂、己二酸二酰肼、聚氯乙烯增塑剂和胶黏剂按原料组分倒入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为18分钟，搅拌转速为30转每秒，形成混合液体；
(5)粗制覆膜砂制备：将步骤(3)制备的混合料倒入步骤(4)中的搅拌机中与混合液体一起进行搅拌，搅拌时间为25分钟，搅拌转速为45转每秒，制成粗制覆膜砂；
(6)精制覆膜砂制备：经步骤(5)制备的粗制覆膜砂进行高温加热反应，加热时间为11分钟，加热温度为175℃，加热反应之后将粗制覆膜砂取出摊开，自然冷却至室温之后将粗制覆膜砂放入搅拌机中，然后向搅拌机中按原料组分加入润滑剂进行搅拌，搅拌时间为8分钟，搅拌转速为25转每秒，制得精制覆膜砂；
(7)成型：将己二酸二酰肼按原料组分倒入木桶中，然后向木桶内添加水并用木棍不断搅拌使己二酸二酰肼完全溶解后，将其倒入搅拌机中，然后将步骤(6)中制得的精制覆膜砂倒入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为16分钟，搅拌转速为35转每秒，搅拌完成后将搅拌机中的物质倒入烘干室中进行烘干，烘干温度为88℃，烘干2小时，烘干完成后移出烘干室自然冷却，冷却至室温之后制成覆膜砂。
本实施例的用于3D打印的覆膜砂：常温抗拉强度5.2MPa,热拉强度2.1MPa,热抗弯强度8.7MPa，冷抗弯强度21.3MPa，急热膨胀率0.06％。
实施例3
一种用于3D打印的覆膜砂，包括以下重量份的原料组分：石英砂220份、钢纤维20份、酚醛树脂30份、己二酸二酰肼15份、黏土40份、胶黏剂12份、润滑剂12份、聚氯乙烯增塑剂12份、羧甲基纤维素钠12份。
本实施例的用于3D打印的覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：
(1)石英砂制备：将天然石英矿石进行粉碎，粉碎粒度为110目，然后将粉碎好的粗制石英砂依次进行水洗、烘干、除杂工序之后制成石英砂；
(2)原料处理：将黏土和羧甲基纤维素钠按照原料组分分别进行除杂后放 入搅拌机中进行混合搅拌，搅拌均匀形成混合材料颗粒，将混合材料颗粒放入粉碎机中进行粉碎，粉碎粒度为120目，形成混合粉末；
(3)混合料制备：取步骤(1)中制得的石英砂220份放入搅拌机中，然后取步骤(2)中制得的混合粉末倒入搅拌机中，之后向搅拌机中按照原料组分添加钢纤维，控制搅拌机转速60转每秒，搅拌22分钟，形成混合料，搅拌均匀之后取出，并将搅拌机清洗干净风干；
(4)混合液制备：将酚醛树脂、己二酸二酰肼、聚氯乙烯增塑剂和胶黏剂按原料组分倒入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为20分钟，搅拌转速为30转每秒，形成混合液体；
(5)粗制覆膜砂制备：将步骤(3)制备的混合料倒入步骤(4)中的搅拌机中与混合液体一起进行搅拌，搅拌时间为25分钟，搅拌转速为45转每秒，制成粗制覆膜砂；
(6)精制覆膜砂制备：经步骤(5)制备的粗制覆膜砂进行高温加热反应，加热时间为12分钟，加热温度为180℃，加热反应之后将粗制覆膜砂取出摊开，自然冷却至室温之后将粗制覆膜砂放入搅拌机中，然后向搅拌机中按原料组分加入润滑剂进行搅拌，搅拌时间为10分钟，搅拌转速为25转每秒，制得精制覆膜砂；
(7)成型：将己二酸二酰肼按原料组分倒入木桶中，然后向木桶内添加水并用木棍不断搅拌使己二酸二酰肼完全溶解后，将其倒入搅拌机中，然后将步骤(6)中制得的精制覆膜砂倒入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为18分钟，搅拌转速为35转每秒，搅拌完成后将搅拌机中的物质倒入烘干室中进行烘干，烘干温度为95℃，烘干3小时，烘干完成后移出烘干室自然冷却，冷却至室温之后制成覆膜砂。
本实施例的用于3D打印的覆膜砂：常温抗拉强度4.95MPa,热拉强度1.92MPa,热抗弯强度8.2MPa，冷抗弯强度20.3MPa，急热膨胀率0.063％。
本发明的用于3D打印的覆膜砂，利用钢纤维提高了覆膜砂的韧性及抗拉强度；利用酚醛树脂提高了覆膜砂的粘结力、力学强度和耐高温性；利用黏土进一步提高覆膜砂的耐高温性及粘结力；利用己二酸二酰肼降低了酚醛树脂反应过程中产生的臭气，避免大气污染，保护环境；利用聚氯乙烯增塑剂降低了覆 膜砂的热膨胀性，从而降低了3D打印时产生的裂纹的量，提高了成品质量和寿命；羧甲基纤维素钠和胶黏剂配合进一步提高了覆膜砂的粘结力。本发明的用于3D打印的覆膜砂，抗拉强度高、耐高温性能好，且粘结力高，且其制备过程中产生的臭气量较少，保护了环境，成品的质量和使用寿命均得到了提高，同时降低了生产成本。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于3D打印的覆膜砂，其特征在于，包括以下重量份的原料组分：石英砂180-220份、钢纤维15-20份、酚醛树脂25-30份、己二酸二酰肼10-15份、黏土30-40份、胶黏剂8-12份、润滑剂8-12份、聚氯乙烯增塑剂8-12份、羧甲基纤维素钠8-12份。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印的覆膜砂，其特征在于，所述钢纤维为丝状，并且含有合金元素Cr、Si、Al中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的用于3D打印的覆膜砂，其特征在于，包括以下重量份的原料组分：石英砂180-190份、钢纤维16-18份、酚醛树脂27-30份、己二酸二酰肼10-13份、黏土35-40份、胶黏剂10-12份、润滑剂10-12份、聚氯乙烯增塑剂10-12份、羧甲基纤维素钠10-12份。
4.一种权利要求1-3中任一项所述的用于3D打印的覆膜砂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)石英砂制备：将天然石英矿石进行粉碎，然后将粉碎好的粗制石英砂依次进行水洗、烘干、除杂工序之后制成石英砂；
(2)原料处理：将黏土和羧甲基纤维素钠按照原料组分分别进行除杂后放入搅拌机中进行混合搅拌，搅拌均匀形成混合材料颗粒，将混合材料颗粒放入粉碎机中进行粉碎，形成混合粉末；
(3)混合料制备：取步骤(1)中制得的石英砂180-220份放入搅拌机中，然后取步骤(2)中制得的混合粉末倒入搅拌机中，之后向搅拌机中按照原料组分添加钢纤维，控制搅拌机转速60转每秒，搅拌18-22分钟，形成混合料，搅拌均匀之后取出，并将搅拌机清洗干净风干；
(4)混合液制备：将酚醛树脂、己二酸二酰肼、聚氯乙烯增塑剂和胶黏剂按原料组分倒入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为15-20分钟，搅拌转速为30转每秒，形成混合液体；
(5)粗制覆膜砂制备：将步骤(3)制备的混合料倒入步骤(4)中的搅拌机中与混合液体一起进行搅拌，搅拌时间为20-25分钟，搅拌转速为45转每秒，制成粗制覆膜砂；
(6)精制覆膜砂制备：经步骤(5)制备的粗制覆膜砂进行高温加热反应，加热反应之后将粗制覆膜砂取出摊开，冷却至室温之后将粗制覆膜砂放入搅拌机中，然后向搅拌机中按原料组分加入润滑剂进行搅拌，搅拌时间为6-10分钟，搅拌转速为25转每秒，制得精制覆膜砂；
(7)成型：将己二酸二酰肼按原料组分倒入木桶中，然后向木桶内添加水并用木棍不断搅拌使己二酸二酰肼完全溶解后，将其倒入搅拌机中，然后将步骤(6)中制得的精制覆膜砂倒入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为15-18分钟，搅拌转速为35转每秒，搅拌完成后将搅拌机中的物质倒入烘干室中进行烘干，烘干完成后移出烘干室自然冷却，冷却至室温之后制成覆膜砂。
5.根据权利要求4所述的用于3D打印的覆膜砂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述天然石英矿石的粉碎粒度为100-110目。
6.根据权利要求4所述的用于3D打印的覆膜砂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述混合材料颗粒的粉碎粒度为115-120目。
7.根据权利要求4所述的用于3D打印的覆膜砂的制备方法，其特征在于，步骤(6)中的所述粗制覆膜砂进行高温加热反应的加热时间为10-12分钟，加热温度为170-180℃。
8.根据权利要求4所述的用于3D打印的覆膜砂的制备方法，其特征在于，步骤(6)中的所述粗制覆膜砂取出摊开后自然冷却至室温。
9.根据权利要求4所述的用于3D打印的覆膜砂的制备方法，其特征在于，步骤(7)中所述烘干室内的烘干温度为80-95℃。
10.根据权利要求4所述的用于3D打印的覆膜砂的制备方法，其特征在于，步骤(7)中搅拌完成后搅拌机中的物质倒入烘干室烘干2-3小时。
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