一种利用回收玻璃制备3D打印覆膜砂的方法及制得的覆膜砂
技术领域
本发明涉及覆膜砂领域,尤其涉及一种利用回收玻璃制备3D打印覆膜砂的方法及制得的覆膜砂。
背景技术
覆膜砂是铸件模具必不可少的原材料,是砂粒在造型前覆有一层树脂型砂或砂芯。3D打印是快速成型的一种,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属、砂粒或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。常在模具制造、工业设计等领域被用于制备模型。随着3D打印技术的逐渐流行,3D打印覆膜砂的制备也成为覆膜砂领域的研究重点。
随着工业化和城市化进程的加速,废弃玻璃在城市生活垃圾中占比逐渐提高,因此加强对废弃玻璃的循环再生利用,特别是废弃玻璃其他新应用的研究,真正实现废弃玻璃处理无害化和资源化成为了目前急需解决的技术问题。公开号为CN104525839A的专利中提出了一种废旧石英玻璃耐热铸造型砂及其制备方法,以废旧石英玻璃为原料来制备型砂,减少了环境污染。但该专利制备的型砂强度不高,将该型砂用作3D打印材料时,难以满足部分3D打印产品的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种废弃玻璃再利用的新途径,利用回收玻璃制备高强度、抗变形的3D打印覆膜砂及其制备方法。
本发明采用如下技术方案:
一种利用回收玻璃制备3D打印覆膜砂的方法,包括以下步骤:
(1)原砂预处理:将回收玻璃用清水清洗除去表面杂质后粉碎,将玻璃粉末、宝珠砂、铁砂加入混料机中,在200-300rpm的转速下搅拌,再加入浓度为10-15%的弱酸溶液酸化10-20min后取出,放入800-1200℃的高温炉中干燥灼烧1-2h,灼烧后趁热直接加入到冰水中进行骤冷,取出后放入100-150℃的烘箱中烘干,得到原砂;
(2)原砂改性:将原砂、多羟基树脂、分散剂、偶联剂、引发剂加入混料机中,控制混料机转速在100-200rpm,温度100-150℃,混料1-2h后停止,待物料冷却至室温后取出,得到改性原砂;
(3)覆膜砂制备:将改性原砂加入混砂机中,控制混料机转速在100-200rpm,在100-150℃下加热1-2h后,再将分散剂、粘结剂、固化剂均匀喷洒在改性原砂表面,再加入辅助料,待反应完全后停止搅拌,物料冷却后取出,破碎筛分包装,即得3D打印覆膜砂;
其中,步骤(3)中各组分按如下质量份混合:改性原砂100-150份,分散剂1-2份,粘结剂10-20份,固化剂1-2份,辅助料2-3份。
进一步的,步骤(3)中粘结剂采用如下步骤制备:在80-90℃下,将脂肪醇硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、电解质、磷酸二氢钠缓冲体系、还原剂、水加入反应釜中混合,得到第一混合物;将含羟基的丙烯酸酯类单体、玻璃化转变温度较高的丙烯酸酯类单体、玻璃化转变温度较低的丙烯酸酯类单体混合得到第二混合物;将第二混合物倒入第一混合物中搅拌15-20min,得到预乳液;将预乳液和水按质量比1:1加入反应釜中,在70-75℃温度下,在1h内逐滴滴加氧化剂,保温反应5-6h后得到粘结剂。
进一步的,步骤(1)中玻璃粉末、宝珠砂、铁砂、弱酸溶液按10-15:8-12:2-3:3-4的质量比混合。
进一步的,玻璃粉末的粒径为150-200目,宝珠砂粒径为150-200目,铁砂粒径为150-200目。
进一步的,步骤(2)中原砂、多羟基树脂、分散剂、偶联剂、引发剂按100-120:5-10:1-2:2-4:1-2的质量比混合。
进一步的,脂肪醇硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、电解质、磷酸二氢钠缓冲体系、还原剂、水、含羟基的丙烯酸酯类单体、玻璃化转变温度较高的丙烯酸酯类单体、玻璃化转变温度较低的丙烯酸酯类单体、氧化剂的质量比为2-3:3-5:2:1-2:0.3-0.5:100:2-3:50-60:10-12:0.3-0.5。
进一步的,含羟基丙烯酸酯类单体为丙烯酸-2-羟乙酯、丙烯酸-2羟丙酯、丙烯酸中的一种或几种;玻璃化转变温度较高的丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种;玻璃化转变温度较低的丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸己酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸正辛酯中的一种或几种。
进一步的,步骤(3)中的辅助料为二氧化锰、二氧化钛、氯化钙、氧化铜、氧化钙、甲基丙烯酸甲脂树脂、醋酸乙烯酯树脂、甲基丙烯酸乙酯树脂、已基丙烯酸乙酯、石棉纤维、玻璃纤维、石墨烯中的一种或几种。
本发明还提供一种覆膜砂,该覆膜砂由上述方法制得,该覆膜砂用作3D打印快速成型的型砂。
进一步的,覆膜砂的粒径为150-250目。
本发明的利用回收玻璃制备3D打印覆膜砂的方法,具有以下有益效果:
(1)本发明采用废弃玻璃、宝珠砂、铁砂作为原砂,将废弃玻璃转型为原材料,增加了覆膜砂的强度、耐热性和分散性,同时实现了废弃资源的有效再利用,保护环境;利用宝珠砂本身粒形好的特点,既可增加覆膜砂的强度又不会增加其发气量;利用铁砂较好的散热及耐热效果,可提高覆膜砂的耐高温性能;本发明中以废弃玻璃为主要原砂制得的覆膜砂,其部分性能可达到甚至优于传统覆膜砂的性能,其常温抗拉伸强度达7.5-8.5MPa,抗弯曲强度达4-5MPa,具有较大幅度的提高;发气量为在30ml/g左右,与常规覆膜砂的发气量相当,这意味着本发明制得的覆膜砂可替代传统的覆膜砂用作3D打印行业,同时本发明的覆膜砂还适用于对强度有更高要求的3D打印产品的制备。
(2)本发明在对原砂进行改性过程中,加入多羟基树脂分散在原砂表面,增加了覆膜砂吸收激光的能量,同时可吸收成型过程中的气体,使得本发明制得的覆膜砂适用于激光烧结3D打印快速成型。
(3)本发明的利用回收玻璃制备3D打印覆膜砂的方法,粘结剂通过脂肪醇硫酸钠等混合得到的第一混合物与丙烯酸酯类单体混合得到的第二混合物反应制得,与改性原砂搅拌混合后,改性原砂与粘结剂之间通过化学键连接,替代了常规的范德华力的连接,大大增强了覆膜砂的强度。
(4)本发明的利用回收玻璃制备3D打印覆膜砂的方法,在对原砂进行预处理时,将玻璃粉末、宝珠砂、铁砂的混合砂经高温灼烧后立即加入冰水中骤冷,使得混合砂的熵值增加,混乱度提高,同时颗粒表面由于骤冷出现裂隙,便于对原砂进行改性,并有利于实现改性原砂与粘结剂之间的键连接,从而提高了覆膜砂的强度。
(5)本发明的利用回收玻璃制备3D打印覆膜砂的方法,废弃玻璃作为覆膜砂制备的主要原料,成本低,同时制得的覆膜砂与传统覆膜砂的部分性能相当,甚至优于传统覆膜砂,因此本发明制得的覆膜砂可替代传统覆膜砂,提高了经济效益,同时制备过程中没有副产物产生,绿色环保。
具体实施方式
下面将结合具体实施例,对本发明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
一种利用回收玻璃制备3D打印覆膜砂的方法,包括以下步骤:
(1)原砂预处理:将回收玻璃用清水清洗除去表面杂质后粉碎,将玻璃粉末、宝珠砂、铁砂加入混料机中,在300rpm的转速下搅拌,再加入浓度为10%的醋酸溶液酸化20min后取出,放入1200℃的高温炉中干燥灼烧2h,灼烧后趁热直接加入到冰水中进行骤冷,取出后放入150℃的烘箱中烘干,得到原砂;其中,玻璃粉末、宝珠砂、铁砂、醋酸溶液按10:12:2:4的质量比混合;玻璃粉末的粒径为150-200目,宝珠砂粒径为150-200目,铁砂粒径为150-200目;
(2)原砂改性:将原砂、多羟基树脂、硬脂醇、硅烷偶联剂、有机锡按120:10:2:4:2的质量比加入混料机中,控制混料机转速在100rpm,温度150℃,混料2h后停止,待物料冷却至室温后取出,得到改性原砂;
(3)覆膜砂制备:将100份改性原砂加入混砂机中,控制混料机转速在120rpm,在150℃下加热1h后,再将1份硬脂醇、10份粘结剂、1份乌洛托品均匀喷洒在改性原砂表面,再加入2份二氧化锰,待反应完全后停止搅拌,物料冷却后取出,破碎筛分包装,即得3D打印覆膜砂;
其中,步骤(3)中的粘结剂采用如下步骤制备:在90℃下,将脂肪醇硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、电解质、磷酸二氢钠缓冲体系、还原剂、水加入反应釜中混合,得到第一混合物;将丙烯酸-2-羟乙酯、甲基丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸己酯混合得到第二混合物;脂肪醇硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、电解质、磷酸二氢钠缓冲体系、还原剂、水、丙烯酸-2-羟乙酯、甲基丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸己酯、氧化剂的质量比为2:5:2:1:0.4:100:2:50:12:0.3;将第二混合物倒入第一混合物中搅拌15min,得到预乳液;将预乳液和水按质量比1:1加入反应釜中,在75℃温度下,在1h内逐滴滴加氧化剂,保温反应5h后得到粘结剂。
实施例2
一种利用回收玻璃制备3D打印覆膜砂的方法,包括以下步骤:
(1)原砂预处理:将回收玻璃用清水清洗除去表面杂质后粉碎,将玻璃粉末、宝珠砂、铁砂加入混料机中,在200rpm的转速下搅拌,再加入浓度为15%的磷酸溶液酸化10min后取出,放入1000℃的高温炉中干燥灼烧1h,灼烧后趁热直接加入到冰水中进行骤冷,取出后放入100℃的烘箱中烘干,得到原砂;其中,玻璃粉末、宝珠砂、铁砂、磷酸溶液按15:8:3:3的质量比混合;玻璃粉末的粒径为150-200目,宝珠砂粒径为150-200目,铁砂粒径为150-200目;
(2)原砂改性:将原砂、多羟基树脂、甘油三羟硬脂酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、偶氮苯按120:10:2:4:1的质量比加入混料机中,控制混料机转速在200rpm,温度100℃,混料1.5h后停止,待物料冷却至室温后取出,得到改性原砂;
(3)覆膜砂制备:将120份改性原砂加入混砂机中,控制混料机转速在200rpm,在120℃下加热2h后,再将2份甘油三羟硬脂酸酯、20份粘结剂、2份三聚氰胺均匀喷洒在改性原砂表面,再加入2份玻璃纤维,待反应完全后停止搅拌,物料冷却后取出,破碎筛分包装,即得3D打印覆膜砂;
其中,步骤(3)中的粘结剂采用如下步骤制备:在80℃下,将脂肪醇硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、电解质、磷酸二氢钠缓冲体系、还原剂、水加入反应釜中混合,得到第一混合物;将丙烯酸-2羟丙酯、甲基丙烯酸、丙烯酸丁酯混合得到第二混合物;脂肪醇硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、电解质、磷酸二氢钠缓冲体系、还原剂、水、丙烯酸-2羟丙酯、甲基丙烯酸、丙烯酸丁酯、氧化剂的质量比为2:3:2:2:0.3:100:3:50:10:0.5;将第二混合物倒入第一混合物中搅拌20min,得到预乳液;将预乳液和水按质量比1:1加入反应釜中,在70℃温度下,在1h内逐滴滴加氧化剂,保温反应6h后得到粘结剂。
实施例3
一种利用回收玻璃制备3D打印覆膜砂的方法,包括以下步骤:
(1)原砂预处理:将回收玻璃用清水清洗除去表面杂质后粉碎,将玻璃粉末、宝珠砂、铁砂加入混料机中,在220rpm的转速下搅拌,再加入浓度为12%的醋酸溶液酸化15min后取出,放入800℃的高温炉中干燥灼烧1.5h,灼烧后趁热直接加入到冰水中进行骤冷,取出后放入120℃的烘箱中烘干,得到原砂;其中,玻璃粉末、宝珠砂、铁砂、醋酸溶液按12:10:2.3:3.5的质量比混合;玻璃粉末的粒径为150-200目,宝珠砂粒径为150-200目,铁砂粒径为150-200目;
(2)原砂改性:将原砂、多羟基树脂、单硬脂酸甘油酯、异氰酸酯、丁基锂按100:5:1:2:1.5的质量比加入混料机中,控制混料机转速在150rpm,温度120℃,混料1h后停止,待物料冷却至室温后取出,得到改性原砂;
(3)覆膜砂制备:将150份改性原砂加入混砂机中,控制混料机转速在100rpm,在100℃下加热1.5h后,再将1.2份单硬脂酸甘油酯、15份粘结剂、1份甲醛均匀喷洒在改性原砂表面,再加入3份甲基丙烯酸甲脂树脂,待反应完全后停止搅拌,物料冷却后取出,破碎筛分包装,即得3D打印覆膜砂;
其中,步骤(3)中的粘结剂采用如下步骤制备:在85℃下,将脂肪醇硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、电解质、磷酸二氢钠缓冲体系、还原剂、水加入反应釜中混合,得到第一混合物;将丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸正辛酯混合得到第二混合物;脂肪醇硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、电解质、磷酸二氢钠缓冲体系、还原剂、水、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸正辛酯、氧化剂的质量比为3:5:2:1.5:0.5:100:2:60:11:0.4;将第二混合物倒入第一混合物中搅拌18min,得到预乳液;将预乳液和水按质量比1:1加入反应釜中,在72℃温度下,在1h内逐滴滴加氧化剂,保温反应5.5h后得到粘结剂。
实施例4
一种利用回收玻璃制备3D打印覆膜砂的方法,包括以下步骤:
(1)原砂预处理:将回收玻璃用清水清洗除去表面杂质后粉碎,将玻璃粉末、宝珠砂、铁砂加入混料机中,在250rpm的转速下搅拌,再加入浓度为10%的磷酸溶液酸化18min后取出,放入900℃的高温炉中干燥灼烧2h,灼烧后趁热直接加入到冰水中进行骤冷,取出后放入100℃的烘箱中烘干,得到原砂;其中,玻璃粉末、宝珠砂、铁砂、磷酸溶液按15:8:2:3的质量比混合;玻璃粉末的粒径为150-200目,宝珠砂粒径为150-200目,铁砂粒径为150-200目;
(2)原砂改性:将原砂、多羟基树脂、聚硅氧烷、硅烷偶联剂、有机锡按110:8:1.5:3:2的质量比加入混料机中,控制混料机转速在120rpm,温度100℃,混料2h后停止,待物料冷却至室温后取出,得到改性原砂;
(3)覆膜砂制备:将100份改性原砂加入混砂机中,控制混料机转速在180rpm,在100℃下加热1h后,再将1.2份聚硅氧烷、12份粘结剂、1.5份三聚氰胺均匀喷洒在改性原砂表面,再加入2.5份氧化铜,待反应完全后停止搅拌,物料冷却后取出,破碎筛分包装,即得3D打印覆膜砂;
其中,步骤(3)中的粘结剂采用如下步骤制备:在80℃下,将脂肪醇硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、电解质、磷酸二氢钠缓冲体系、还原剂、水加入反应釜中混合,得到第一混合物;将丙烯酸-2羟丙酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸己酯混合得到第二混合物;脂肪醇硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、电解质、磷酸二氢钠缓冲体系、还原剂、水、丙烯酸-2羟丙酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸己酯、氧化剂的质量比为2.5:4:2:2:0.3:100:2.5:56:10:0.3;将第二混合物倒入第一混合物中搅拌16min,得到预乳液;将预乳液和水按质量比1:1加入反应釜中,在70℃温度下,在1h内逐滴滴加氧化剂,保温反应5h后得到粘结剂。
对比例1
一种3D打印覆膜砂的方法,包括以下步骤:
(1)原砂预处理:将粒径为150-200目的硅砂加入混料机中,在300rpm的转速下搅拌,再加入浓度为10%的醋酸溶液酸化20min后取出,得到原砂;
(2)覆膜砂制备:将100份原砂加入混砂机中,控制混料机转速在120rpm,在150℃下加热1h后,再将1份硬脂醇、10份酚醛树脂、1份乌洛托品均匀喷洒在原砂表面,再加入2份二氧化锰,待反应完全后停止搅拌,物料冷却后取出,破碎筛分包装,即得3D打印覆膜砂。
对比例2
一种利用回收玻璃制备3D打印覆膜砂的方法,包括以下步骤:
(1)原砂预处理:将粒径为150-200目的石英砂加入混料机中,在250rpm的转速下搅拌,再加入浓度为10%的磷酸溶液酸化18min后取出,得到原砂;
(2)覆膜砂制备:将100份原砂加入混砂机中,控制混料机转速在180rpm,在100℃下加热1h后,再将1.2份聚硅氧烷、12份环氧树脂、1.5份三聚氰胺均匀喷洒在改性原砂表面,再加入2.5份氧化铜,待反应完全后停止搅拌,物料冷却后取出,破碎筛分包装,即得3D打印覆膜砂。
将实施例1-4及对比例1-2中制得的覆膜砂进行性能测试,其中将各实施例及对比例中的覆膜砂制备成铸膜件进行强度测试,测试结果如表1所示。
表1覆膜砂测试结果
由表1可知,本发明实施例1-4中制得的3D打印覆膜砂制备的铸膜件的常温抗拉伸强度达7.5-8.5MPa,抗弯曲强度达4-5MPa;对比例1-2中制得的覆膜砂制备的铸膜件的常温抗拉伸强度在3.7MPa左右,抗弯曲强度在2.4MPa左右。与对比例中覆膜砂制成的铸膜件相比,本发明的3D打印覆膜砂的常温抗拉伸强度和抗弯曲强度均有大幅度的提升。本发明采用废弃玻璃、宝珠砂和铁砂的混合砂为原砂,废气玻璃自身具有较高的强度,宝珠砂由于自身粒形好,其强度也高;同时采取焙烧水淬预处理过程,使原砂的熵值增加同时使颗粒表面具有缝隙,再采用特定粘结剂与改性原砂反应,使得改性原砂与粘结剂之间通过化学键连接,大大提高了覆膜砂的强度。本发明制得的覆膜砂的发气量与对比例中覆膜砂发气量近似,说明本发明采用废弃玻璃制得的覆膜砂的性能达到甚至优于常规覆膜砂,可替代常规覆膜砂使用,降低了成本,提高了经济效益。同时在对原砂进行改性过程中,加入多羟基树脂分散到原砂表面,增加了覆膜砂吸收激光的能量,同时可吸收成型过程中的气体,使得本发明制得的覆膜砂适用于激光烧结3D打印快速成型。
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。