CN108296422A - 一种利用高原红土制备的3d打印覆膜砂及其制备方法 - Google Patents

一种利用高原红土制备的3d打印覆膜砂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用高原红土制备的3D打印覆膜砂及其制备方法。该覆膜砂由以下重量份的原料制备而成：改性红土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；其中改性红土由红土、醇溶液、分散剂、偶联剂、催化剂按100‑120:10‑20:1‑2:3‑5:1‑2的质量比制备而成。本发明采用高原红土作为原砂，因高原红土的化学成分以SiO2、Fe2O3和Al2O3为主，耐高温性能较强，且自身具有一定的粘结性能；红土中的Fe2O3和Al2O3在增加3D打印覆膜砂吸收激光能量的同时还可以吸收成型过程中的气体，本发明制得的覆膜砂的发气量小于20ml/g，与常规覆膜砂33ml/g的发气量相比得到了有效的降低，说明本发明的覆膜砂适合于激光烧结快速成型且具有较低的发气量。

Description

一种利用高原红土制备的3D打印覆膜砂及其制备方法
技术领域
本发明涉及覆膜砂领域，尤其涉及一种利用高原红土制备的3D打印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覆有一层固体树脂膜的型砂或芯砂。多采用热法工艺进行制备，把砂预热到一定温度，加树脂使其熔融，搅拌使树脂包覆在砂粒表面，加乌洛托品水溶液及润滑剂，冷却、破碎、筛分得到覆膜砂。3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用流体状、粉末状等可固化、粘合、熔合材料，通过逐层固化、粘合、熔合等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造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造。3D打印覆膜砂作为3D打印中重要的原材料，其制备方法及产品性能的研究是该领域的研究重点。制备一种性能优异、成本低廉的3D打印覆膜砂是目前亟待解决的首要问题。
高原红土是母岩经历不同程度的红土化作用形成的一种土质层，在不同的地区、不同的母岩以及不同的气候条件下形成了不同类型的红土，但其化学成分均是以SiO2、Fe2O3和Al2O3为主，其耐高温性能较强，且其自身具有一定的粘结性能。高原红土来源广泛，成本低廉，将其作为原材料制备3D打印覆膜砂可以有效提高覆膜砂的耐高温性能，同时降低成本提高经济效益。
发明内容
本发明的目的就是提供一种利用高原红土制备3D打印覆膜砂及其制备方法，使制得的覆膜砂在满足相关性能的同时降低了覆膜砂的制备成本。
本发明采用以下技术方案：
一种利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，由以下重量份的原料制备而成：改性红土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；其中：改性红土由酸化后红土、醇溶液、分散剂、偶联剂、催化剂按100-120:10-20:1-2:3-5:1-2的质量比制备而成；粘结剂由溶剂、醋酸纤维素、羟基树脂、引发剂按200-250:100-120:60-100:1-2的质量比制备而成。
进一步的，覆膜砂的粒度为150-200目。
进一步的，红土的粒径为60-100目，红土选自云南等高原地区的高原红土。
进一步的，覆膜砂用作3D打印快速成型的型砂。
本发明还提供一种制备上述3D打印覆膜砂的方法，包括以下步骤：
(1)红土改性：将红土加入混料机中，控制混料机转速为200-300rpm，再加入浓度为10-15％的弱酸溶液进行浸泡1-2h，之后过滤并用清水洗涤1-2次，再置于高温炉中灼烧，冷却得到酸化后红土；按照改性红土的原料配比将酸化后红土、醇溶液、分散剂、偶联剂、催化剂加入混砂机中，控制混砂机转速100-200rpm，温度100-150℃，混料1-2h，之后待物料冷却至室温后取出，得改性红土；
(2)覆膜砂的制备：将步骤(1)中制得的改性红土加入混砂机中，控制混砂机温度为100-150℃，对改性红土加热1-2h后，加入分散剂，并将粘结剂和固化剂均匀喷洒在物料上，再加入辅助料，待反应完全后停止搅拌，物料冷却、破碎包装，得到覆膜砂。
进一步的，步骤(1)中红土的灼烧工艺为：在温度为600-1000℃的高温炉中干燥灼烧2-3h。
进一步的，步骤(2)中的粘结剂按以下方式制备：将溶剂、醋酸纤维素、羟基树脂按比例加入反应釜中，控制反应釜温度为40-60℃，搅拌转速为200-350rpm，向反应釜中缓慢加入引发剂，加入完全后提高转速至350-500rpm，反应0.5-2h，冷却至室温后倒入烧杯中，得到粘结剂。
进一步的，步骤(2)中混砂机的搅拌转速为200-300rpm。
本发明的利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，具有以下有益效果：
(1)本发明的利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，采用高原红土作为原砂，高原红土的化学成分以SiO2、Fe2O3和Al2O3为主，其耐高温性能较强，且其自身具有一定的粘结性能，同时在对高原红土改性过程中，对其表面进行了活化并高温去除了红土中的有机物，进一步提高了高原红土的性能；红土中的Fe2O3和Al2O3在增加3D打印覆膜砂吸收激光能量的同时还可以吸收成型过程中的气体，本发明制得的覆膜砂的发气量小于20ml/g，与常规覆膜砂33ml/g的发气量相比得到了有效的降低，说明本发明的覆膜砂具有较低的发气量，适合于激光烧结快速成型。
(2)本发明的利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，采用改性纤维素作为粘结剂，替代了传统的酚醛树脂作为粘结剂制备覆膜砂的方法，有效降低了本发明覆膜砂制备过程中甲醛的释放量，更加安全环保。
(3)本发明的利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，红土吸水后容易固化，有助于提高覆膜砂的力学性能，其常温抗拉伸强度为5.5-6.5MPa，抗弯曲强度为3.5-4.0MPa，与常规覆膜砂相比力学性能取得了较大幅度的提高，使得本发明中利用高原红土制得的3D打印覆膜砂可替代传统覆膜砂来用作3D打印的型砂，并可适用于对强度有较高要求的产品的制作。
(4)本发明的利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，采用高原红土作为原砂，原材料来源容易且广泛，制备覆膜砂的成本相对较低，从而提高了3D打印覆膜砂的经济效益。
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
一种利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，由以下重量份的原料制备而成：改性红土150份，硬脂醇2份，粘结剂20份，二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)2份，二氧化锰3份；其中：改性红土由酸化后红土、乙醇溶液、甘油三羟硬脂酸酯、硅烷偶联剂、有机锡按120:20:1:3:1的质量比制备而成；粘结剂由四氯化碳、醋酸纤维素、羟基树脂、丁基锂按250:100:100:2的质量比制备而成。
上述利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，采用以下步骤制备：
(1)红土改性：将红土加入混料机中，控制混料机转速为300rpm，再加入浓度为10％的磷酸溶液进行浸泡2h，之后过滤并用清水洗涤2次，再置于1000℃的高温炉中干燥灼烧2h，冷却得到酸化后红土；按照改性红土的原料配比将酸化后红土、乙醇溶液、甘油三羟硬脂酸酯、硅烷偶联剂、有机锡加入混砂机中，控制混砂机转速200rpm，温度150℃，混料2h，之后待物料冷却至室温后取出，得改性红土；
(2)覆膜砂的制备：将步骤(1)中制得的改性红土加入混砂机中，控制混砂机温度为150℃，搅拌转速为200rpm，对改性红土加热2h后，加入硬脂醇，并将粘结剂和二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)均匀喷洒在物料上，再加入二氧化锰，待反应完全后停止搅拌，物料冷却、破碎包装，得到覆膜砂；
其中，步骤(2)中的粘结剂制备方法如下：将四氯化碳、醋酸纤维素、羟基树脂按比例加入反应釜中，控制反应釜温度为60℃，搅拌转速为350rpm，向反应釜中缓慢加入丁基锂，加入完全后提高转速至500rpm，反应2h，冷却至室温后倒入烧杯中，得到粘结剂。
实施例2
一种利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，由以下重量份的原料制备而成：改性红土120份，单硬脂酸甘油酯2份，粘结剂10份，六亚甲基二异氰酸酯(HDI)1份，甲基丙烯酸乙酯树脂2份；其中：改性红土由酸化后红土、丙醇溶液、硬脂酸正丁酯、异佛尔酮二异氰酸酯、有机锡按100:15:2:5:2的质量比制备而成；粘结剂由溶剂、醋酸纤维素、羟基树脂、偶氮二异丁腈按250:120:80:1的质量比制备而成。
上述利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，采用以下步骤制备：
(1)红土改性：将红土加入混料机中，控制混料机转速为250rpm，再加入浓度为15％的醋酸溶液进行浸泡1h，之后过滤并用清水洗涤1次，再置于600℃的高温炉中干燥灼烧3h，冷却得到酸化后红土；按照改性红土的原料配比将酸化后红土、丙醇溶液、硬脂酸正丁酯、异佛尔酮二异氰酸酯、有机锡加入混砂机中，控制混砂机转速150rpm，温度120℃，混料1h，之后待物料冷却至室温后取出，得改性原砂；
(2)覆膜砂的制备：将步骤(1)中制得的改性红土加入混砂机中，控制混砂机温度为120℃，搅拌转速为240rpm，对改性红土加热1h后，加入单硬脂酸甘油酯，并将粘结剂和六亚甲基二异氰酸酯(HDI)均匀喷洒在物料上，再加入甲基丙烯酸乙酯树脂，待反应完全后停止搅拌，物料冷却、破碎包装，得到覆膜砂；
其中，步骤(2)中的粘结剂制备方法如下：将丙酮、醋酸纤维素、羟基树脂按比例加入反应釜中，控制反应釜温度为60℃，搅拌转速为200rpm，向反应釜中缓慢加入偶氮二异丁腈，加入完全后提高转速至350rpm，反应1.5h，冷却至室温后倒入烧杯中，得到粘结剂。
实施例3
一种利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，由以下重量份的原料制备而成：改性红土100份，甘油三羟硬脂酸酯1份，粘结剂15份，异佛尔酮2份，石棉纤维2.5份；其中：改性红土由酸化后红土、正丁醇溶液、聚硅氧烷、异氰酸酯、有机锡按110:10:1.5:4:1.5的质量比制备而成；粘结剂由环氧乙烷、醋酸纤维素、羟基树脂、丁基锂按200:100:60:1的质量比制备而成。
上述利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，采用以下步骤制备：
(1)红土改性：将红土加入混料机中，控制混料机转速为200rpm，再加入浓度为12％的磷酸溶液进行浸泡1.5h，之后过滤并用清水洗涤2次，再置于800℃的高温炉中干燥灼烧2.5h，冷却得到酸化后红土；按照改性红土的原料配比将酸化后红土、正丁醇溶液、聚硅氧烷、异氰酸酯、有机锡加入混砂机中，控制混砂机转速100rpm，温度100℃，混料1.5h，之后待物料冷却至室温后取出，得改性原砂；
(2)覆膜砂的制备：将步骤(1)中制得的改性红土加入混砂机中，控制混砂机温度为100℃，搅拌转速为300rpm，对改性红土加热1.5h后，加入甘油三羟硬脂酸酯，并将粘结剂和异佛尔酮均匀喷洒在物料上，再加入石棉纤维，待反应完全后停止搅拌，物料冷却、破碎包装，得到覆膜砂；
其中，步骤(2)中的粘结剂制备方法如下：将环氧乙烷、醋酸纤维素、羟基树脂按比例加入反应釜中，控制反应釜温度为40℃，搅拌转速为300rpm，向反应釜中缓慢加入丁基锂，加入完全后提高转速至400rpm，反应0.5h，冷却至室温后倒入烧杯中，得到粘结剂。
实施例4
一种利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，由以下重量份的原料制备而成：改性红土150份，硅油1.5份，粘结剂20份，甲苯二异氰酸酯2份，甲基丙烯酸甲脂树脂2份；其中：改性红土由酸化后红土、异丁醇溶液、合成蜡、硅烷偶联剂、偶氮二异丁腈按120:18:1:4:2的质量比制备而成；粘结剂由甲苯、醋酸纤维素、羟基树脂、有机锡按220:110:100:1.5的质量比制备而成。
上述利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，采用以下步骤制备：
(1)红土改性：将红土加入混料机中，控制混料机转速为300rpm，再加入浓度为10％的醋酸溶液进行浸泡2h，之后过滤并用清水洗涤1次，再置于1000℃的高温炉中干燥灼烧2h，冷却得到酸化后红土；按照改性红土的原料配比将酸化后红土、异丁醇溶液、合成蜡、硅烷偶联剂、偶氮二异丁腈加入混砂机中，控制混砂机转速200rpm，温度150℃，混料2h，之后待物料冷却至室温后取出，得改性原砂；
(2)覆膜砂的制备：将步骤(1)中制得的改性红土加入混砂机中，控制混砂机温度为100℃，搅拌转速为200rpm，对改性红土加热2h后，加入硅油，并将粘结剂和甲苯二异氰酸酯均匀喷洒在物料上，再加入甲基丙烯酸甲脂树脂，待反应完全后停止搅拌，物料冷却、破碎包装，得到覆膜砂；
其中，步骤(2)中的粘结剂制备方法如下：将甲苯、醋酸纤维素、羟基树脂按比例加入反应釜中，控制反应釜温度为50℃，搅拌转速为250rpm，向反应釜中缓慢加入有机锡，加入完全后提高转速至450rpm，反应2h，冷却至室温后倒入烧杯中，得到粘结剂。
对比例1
一种3D打印覆膜砂，由以下重量份的原料制备而成：硅砂150份，硬脂醇2份，酚醛树脂20份，二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)2份，二氧化锰3份。
上述3D打印覆膜砂，采用以下步骤制备：将硅砂加入混砂机中，控制混砂机温度为150℃，搅拌转速为200rpm，对硅砂加热2h后，加入硬脂醇，并将酚醛树脂和二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)均匀喷洒在物料上，再加入二氧化锰，待反应完全后停止搅拌，物料冷却、破碎包装，得到覆膜砂。
对比例2
一种3D打印覆膜砂，由以下重量份的原料制备而成：硅砂120份，单硬脂酸甘油酯2份，环氧树脂10份，六亚甲基二异氰酸酯(HDI)1份，甲基丙烯酸乙酯树脂2份。
上述3D打印覆膜砂，采用以下步骤制备：将硅砂加入混砂机中，控制混砂机温度为120℃，搅拌转速为240rpm，对硅砂加热1h后，加入单硬脂酸甘油酯，并将环氧树脂和六亚甲基二异氰酸酯(HDI)均匀喷洒在物料上，再加入甲基丙烯酸乙酯树脂，待反应完全后停止搅拌，物料冷却、破碎包装，得到覆膜砂。
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5.5-6.5MPa，抗弯曲强度达3-4MPa；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。本发明采用高原红土作为原砂，红土吸水后容易固化，同时红土本身具有一定的粘结功能，并结合改性纤维素作为粘结剂，进而有助于提高覆膜砂的力学性能。本发明制得的覆膜砂的发气量小于20ml/g，与常规覆膜砂33ml/g的发气量相比有明显的降低，因红土中的Fe2O3和Al2O3在增加3D打印覆膜砂吸收激光能量的同时还可以吸收成型过程中的气体，从而降低了本发明覆膜砂的发气量。使得本发明制得的覆膜砂可用作3D打印快速成型的型砂，并更适用于激光烧结成型，同时由于强度较传统覆膜砂得到了提高，也可适用于部分对强度要求较高产品的制作，提高了3D打印型砂的适用范围。
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 (8)

1.一种利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，其特征在于，由以下重量份的原料制备而成：改性红土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；其中：
所述改性红土由酸化后红土、醇溶液、分散剂、偶联剂、催化剂按100-120:10-20:1-2:3-5:1-2的质量比制备而成；
所述粘结剂由溶剂、醋酸纤维素、羟基树脂、引发剂按200-250:100-120:60-100:1-2的质量比制备而成。
2.根据权利要求1所述的利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，其特征在于，所述覆膜砂的粒度为150-200目。
3.根据权利要求1所述的利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，其特征在于，所述红土的粒径为60-100目。
4.根据权利要求1所述的利用高原红土制备的3D打印覆膜砂，其特征在于，所述覆膜砂用作3D打印快速成型的型砂。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的3D打印覆膜砂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)红土改性：将红土加入混料机中，控制混料机转速为200-300rpm，再加入浓度为10-15％的弱酸溶液进行浸泡1-2h，之后过滤并用清水洗涤1-2次，再置于高温炉中灼烧，冷却得到酸化后红土；按照改性红土的原料配比将酸化后红土、醇溶液、分散剂、偶联剂、催化剂加入混砂机中，控制混砂机转速100-200rpm，温度100-150℃，混料1-2h，之后待物料冷却至室温后取出，得改性红土；
(2)覆膜砂的制备：将步骤(1)中制得的改性红土加入混砂机中，控制混砂机温度为100-150℃，对改性红土加热1-2h后，加入分散剂，并将粘结剂和固化剂均匀喷洒在物料上，再加入辅助料，待反应完全后停止搅拌，物料冷却、破碎包装，得到覆膜砂。
6.根据权利要求5所述的3D打印覆膜砂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中红土的灼烧工艺为：在温度为600-1000℃的高温炉中干燥灼烧2-3h。
7.根据权利要求5所述的3D打印覆膜砂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的粘结剂按以下方式制备：将溶剂、醋酸纤维素、羟基树脂按比例加入反应釜中，控制反应釜温度为40-60℃，搅拌转速为200-350rpm，向反应釜中缓慢加入引发剂，加入完全后提高转速至350-500rpm，反应0.5-2h，冷却至室温后倒入烧杯中，得到粘结剂。
8.根据权利要求5所述的3D打印覆膜砂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中混砂机的搅拌转速为200-300rpm。
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