一种3D打印覆膜砂的制备方法及制得的3D打印覆膜砂
技术领域
本发明涉及覆膜砂领域,尤其涉及一种3D打印覆膜砂的制备方法及制得的3D打印覆膜砂。
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芯砂。3D打印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。3D打印覆膜砂相对于传统覆膜砂来说,其在覆膜砂的流动性能、强度、抗压能力等方面都有了很高的要求,普通的覆膜砂已经不能满足现在3D打印技术对覆膜砂材料性能的需要。公开号为CN105215281A的专利中,提供了一种用于3D打印石英覆膜砂的制备方法,通过对石英砂预处理,再加入环氧树脂、硬脂酸酰胺、油酸酰胺等进行搅拌制得。该申请中树脂粘结剂与石英砂之间通过分子间作用力连接,制得的覆膜砂的强度难以满足部分3D打印产品的需求。因此,急需提供一种内部作用力强、力学性能好的满足3D打印要求的覆膜砂,以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强度高、流动性好且安全环保,符合绿色化学标准的3D打印覆膜砂的制备方法及制得的覆膜砂。
本发明采取以下技术方案:
一种3D打印覆膜砂的制备方法,包括以下步骤:
(1)原砂制备:将石英砂、硅砂、铬铁矿砂进行混合后,用质量分数为70-90%的酸溶液在180-200℃下浸泡20-25h,过滤取出砂粒,在1000-1200℃高温炉中煅烧5-8h,之后冷却至室温,筛分得到原砂;
(2)原砂改性:将原砂、偶联剂、催化剂加入混料机中,在120-150℃下高速搅拌20-30min后取出,得到第一混合物,再将100-120份第一混合物、12-15份第一粘结剂和1-2份润滑剂加入混料机中,在240-260℃下高速搅拌60-75min后,补加3-5份第一粘结剂和8-10份第二粘结剂,在300-320℃下高速搅拌60-75min后,调节至低速搅拌20-30min,逐渐冷却至室温,筛分得到改性原砂;
(3)覆膜砂制备:将改性原砂、耐高温剂、增韧剂、润滑剂、固化剂在混砂机中混合后,在280-320℃下低速搅拌20-30min后,再高速搅拌60-80min,物料冷却后破碎筛分,即得3D打印覆膜砂;
其中,步骤(3)中改性原砂、耐高温剂、增韧剂、润滑剂和固化剂按质量比为100-120:3-5:2-3:0.3-0.5:1-2进行混合。
进一步的,步骤(1)中石英砂、硅砂、铬铁矿砂按质量比为6-8:5-6:3-4进行混合。
进一步的,步骤(2)中原砂、偶联剂和催化剂按100-120:3-5:0.2-0.3的质量比进行混合。
进一步的,步骤(2)中的第一粘结剂按以下方法制备:将20-40份玻璃化转化温度较低的丙烯酸酯类单体、80-120份玻璃化转化温度较高的丙烯酸酯类单体、8-10份含有卤素原子的丙烯酸酯类单体、0.1-0.3份引发剂均匀混合得到第二混合物,再取第二混合物总量的十分之一与100份乙酸乙酯混合后加入反应釜中,控制反应釜温度在65-70℃,搅拌速度为160-200rpm,反应25-30min后逐滴加入剩余的第二混合物,保温反应7-8h后,取出物料,用正己烷萃取三次后,烘干至恒重,得到第一粘结剂。
进一步的,步骤(2)中的第二粘结剂按以下方法制备:将20-40份玻璃化转变温度较低的丙烯酸酯类单体、120-150份玻璃化转变温度较高的丙烯酸酯类单体、3-5份含羟基丙烯酸酯类单体、0.3-0.5份引发剂均匀混合得到第三混合物,再取第三混合物总量的十分之一与100份乙酸乙酯混合后加入反应釜中,控制反应釜温度在65-70℃,搅拌速度为160-200rpm,反应25-30min后逐滴加入剩余的第三混合物,保温反应7-8h后,取出物料,用正己烷萃取三次后,烘干至恒重,得到第二粘结剂。
进一步的,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;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;含有卤素原子的丙烯酸酯类单体为氯化丙烯酸甲酯、氟化丙烯酸丁酯、氯化甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种;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。
进一步的,步骤(3)中改性硅砂、耐高温剂、增韧剂、润滑剂、固化剂按质量比100-120:3-5:2-3:0.3-0.5:1-2进行混合。
进一步的,高速搅拌的转速为600-800rpm,低速搅拌的转速为200-300rpm。
本发明还提供一种由上述制备方法制得的3D打印覆膜砂,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150-180目。
本发明的3D打印覆膜砂的制备方法,具有以下有益效果:
(1)本发明的3D打印覆膜砂的制备方法,通过对原砂进行改性,原砂与粘结剂在不同温度及搅拌速度下反应,使得原砂与粘结剂之间通过化学键连接,与常规覆膜砂通过范德华力连接相比,本发明中原砂与粘结剂之间的结合力大大增加,从而使得覆膜砂的强度也获得大幅度提高,其常温抗拉伸强度达5.5-7.5MPa,抗弯曲强度达3-4.5MPa,从而使得本发明的覆膜砂可用于对强度有较高要求的产品制作上,扩大了3D打印型砂的适用范围。
(2)本发明的3D打印覆膜砂的制备方法,采用丙烯酸酯类单体对原砂进行改性,同时丙烯酸酯类单体和原砂通过分子键连接,使得改性后的原砂与添加树脂的溶解度参数近似,进而提高了覆膜砂的流动性,覆膜砂更易加工,利用该型砂制得的产品更易成型。
(3)本发明的3D打印覆膜砂的制备方法,采用具有较好散热导热性能和激冷效果的铬铁矿砂作原砂的一部分,同时添加了耐高温剂,提高了覆膜砂的耐高温性能。
(4)本发明的3D打印覆膜砂的制备方法,生产工艺中的原材料容易获得,且材料的原子高效利用,经济性好,且制备过程中没有副产物产生,符合绿色化学的标准。
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3D打印覆膜砂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)原砂制备:将石英砂、硅砂、铬铁矿砂按质量比为8:6:4进行混合后,用质量分数为70%的酸溶液在180℃下浸泡24h,过滤取出砂粒,在1000℃高温炉中煅烧8h,之后冷却至室温,筛分得到原砂;
(2)原砂改性:将原砂、钛酸酯偶联剂、二醋酸二丁基锡按100:3:0.3的质量比加入混料机中,在150℃温度及600rpm搅拌转速下搅拌30min后取出,得到第一混合物,再将120份第一混合物、15份第一粘结剂和2份硬脂酸醇加入混料机中,在250℃温度及800rpm搅拌转速下搅拌60min后,补加5份第一粘结剂和10份第二粘结剂,在300℃温度及800rpm搅拌转速下搅拌60min后,调节至300rpm转速下搅拌20min,逐渐冷却至室温,筛分得到改性原砂;
(3)覆膜砂制备:将改性原砂、聚乙烯、丙烯酸酯橡胶、硬脂酸醇、二苯基甲烷二异氰酸酯按质量比为120:5:3:0.5:2在混砂机中混合后,在300℃温度及300rpm搅拌转速下搅拌20min后,再在800rpm搅拌转速下搅拌60min,物料冷却后破碎筛分,即得3D打印覆膜砂;
其中,第一粘结剂按以下方法制备:将40份甲基丙烯酸己酯、120份甲基丙烯酸异冰片酯、10份氯化丙烯酸甲酯、0.3份过氧化二碳酸二异丙酯均匀混合得到第二混合物,再取第二混合物总量的十分之一与100份乙酸乙酯混合后加入反应釜中,控制反应釜温度在70℃,搅拌速度为200rpm,反应30min后逐滴加入剩余的第二混合物,保温反应8h后,取出物料,用正己烷萃取三次后,烘干至恒重,得到第一粘结剂;
第二粘结剂按以下方案制备:将40份甲基丙烯酸己酯、120份甲基丙烯酸异冰片酯、5份丙烯酸-2-羟乙酯、0.5份过氧化二碳酸二异丙酯均匀混合得到第三混合物,再取第三混合物总量的十分之一与100份乙酸乙酯混合后加入反应釜中,控制反应釜温度在70℃,搅拌速度为200rpm,反应30min后逐滴加入剩余的第三混合物,保温反应8h后,取出物料,用正己烷萃取三次后,烘干至恒重,得到第二粘结剂。
实施例2
一种3D打印覆膜砂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)原砂制备:将石英砂、硅砂、铬铁矿砂按质量比为6:6:3进行混合后,用质量分数为80%的酸溶液在180℃下浸泡20h,过滤取出砂粒,在1200℃高温炉中煅烧6h,之后冷却至室温,筛分得到原砂;
(2)原砂改性:将原砂、硅烷偶联剂、辛酸亚锡按120:5:0.2的质量比加入混料机中,在140℃温度及800rpm搅拌转速下搅拌20min后取出,得到第一混合物,再将100份第一混合物、12份第一粘结剂和2份硬脂酸酰胺加入混料机中,在240℃温度及600rpm搅拌转速下搅拌75min后,补加3份第一粘结剂和8份第二粘结剂,在300℃温度及600rpm搅拌转速下搅拌75min后,调节至200rpm转速下搅拌30min,逐渐冷却至室温,筛分得到改性原砂;
(3)覆膜砂制备:将改性原砂、聚丙烯、羧基丁腈橡胶、硬脂酸酰胺、六亚甲基二异氰酸酯按质量比为120:3:2:0.3:1在混砂机中混合后,在320℃温度及200rpm搅拌转速下搅拌30min后,再在600rpm搅拌转速下搅拌80min,物料冷却后破碎筛分,即得3D打印覆膜砂;
其中,第一粘结剂按以下方法制备:将40份丙烯酸丁酯、80份甲基丙烯酸、10份氟化丙烯酸丁酯、0.1份过氧化二碳酸二环己酯均匀混合得到第二混合物,再取第二混合物总量的十分之一与100份乙酸乙酯混合后加入反应釜中,控制反应釜温度在65℃,搅拌速度为200rpm,反应25min后逐滴加入剩余的第二混合物,保温反应8h后,取出物料,用正己烷萃取三次后,烘干至恒重,得到第一粘结剂;
第二粘结剂按以下方案制备:将40份丙烯酸丁酯、150份甲基丙烯酸、3份丙烯酸-2羟丙酯、0.4份过氧化二碳酸二环己酯均匀混合得到第三混合物,再取第三混合物总量的十分之一与100份乙酸乙酯混合后加入反应釜中,控制反应釜温度在65℃,搅拌速度为160rpm,反应30min后逐滴加入剩余的第三混合物,保温反应8h后,取出物料,用正己烷萃取三次后,烘干至恒重,得到第二粘结剂。
实施例3
一种3D打印覆膜砂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)原砂制备:将石英砂、硅砂、铬铁矿砂按质量比为8:5:4进行混合后,用质量分数为90%的酸溶液在200℃下浸泡25h,过滤取出砂粒,在1200℃高温炉中煅烧5h,之后冷却至室温,筛分得到原砂;
(2)原砂改性:将原砂、钛酸酯偶联剂、二(十二烷基硫)二丁基锡按100:3:0.2的质量比加入混料机中,在150℃温度及700rpm搅拌转速下搅拌30min后取出,得到第一混合物,再将120份第一混合物、15份第一粘结剂和1份蓖麻油酸酞胺加入混料机中,在250℃温度及700rpm搅拌转速下搅拌70min后,补加5份第一粘结剂和8份第二粘结剂,在320℃温度及700rpm搅拌转速下搅拌70min后,调节至250rpm转速下搅拌25min,逐渐冷却至室温,筛分得到改性原砂;
(3)覆膜砂制备:将改性原砂、聚丁烯、氯丁橡胶、单硬脂酸甘油酯、异佛尔酮按质量比为100:5:3:0.5:2在混砂机中混合后,在300℃温度及250rpm搅拌转速下搅拌25min后,再在700rpm搅拌转速下搅拌70min,物料冷却后破碎筛分,即得3D打印覆膜砂;
其中,第一粘结剂按以下方法制备:将20份丙烯酸正辛酯、100份甲基丙烯酸甲酯、9份氯化甲基丙烯酸甲酯、0.2份过氧化苯甲酰均匀混合得到第二混合物,再取第二混合物总量的十分之一与100份乙酸乙酯混合后加入反应釜中,控制反应釜温度在65℃,搅拌速度为160rpm,反应30min后逐滴加入剩余的第二混合物,保温反应7h后,取出物料,用正己烷萃取三次后,烘干至恒重,得到第一粘结剂;
第二粘结剂按以下方案制备:将20份丙烯酸正辛酯、120份甲基丙烯酸甲酯、3份丙烯酸、0.5份过氧化苯甲酰均匀混合得到第三混合物,再取第三混合物总量的十分之一与100份乙酸乙酯混合后加入反应釜中,控制反应釜温度在67℃,搅拌速度为180rpm,反应25min后逐滴加入剩余的第三混合物,保温反应7h后,取出物料,用正己烷萃取三次后,烘干至恒重,得到第二粘结剂。
实施例4
一种3D打印覆膜砂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)原砂制备:将石英砂、硅砂、铬铁矿砂按质量比为7:5.5:3.5进行混合后,用质量分数为90%的酸溶液在190℃下浸泡24h,过滤取出砂粒,在1100℃高温炉中煅烧8h,之后冷却至室温,筛分得到原砂;
(2)原砂改性:将原砂、硅烷偶联剂、二丁基锡二月桂酸酯按110:4:0.25的质量比加入混料机中,在120℃温度及800rpm搅拌转速下搅拌25min后取出,得到第一混合物,再将110份第一混合物、14份第一粘结剂和1.5份脂肪酸及季戊四醇加入混料机中,在260℃温度及800rpm搅拌转速下搅拌65min后,补加4份第一粘结剂和9份第二粘结剂,在310℃温度及800rpm搅拌转速下搅拌75min后,调节至200rpm转速下搅拌20min,逐渐冷却至室温,筛分得到改性原砂;
(3)覆膜砂制备:将改性原砂、聚乙烯、氯磺化聚乙烯、脂肪酸及季戊四醇、甲苯二异氰酸酯按质量比为110:4:2.5:0.4:1.5在混砂机中混合后,在280℃温度及200rpm搅拌转速下搅拌20min后,再在700rpm搅拌转速下搅拌60min,物料冷却后破碎筛分,即得3D打印覆膜砂;
其中,第一粘结剂按以下方法制备:将30份甲基丙烯酸己酯、100份甲基丙烯酸、8份氟化丙烯酸丁酯、0.3份过氧化月桂酰均匀混合得到第二混合物,再取第二混合物总量的十分之一与100份乙酸乙酯混合后加入反应釜中,控制反应釜温度在68℃,搅拌速度为180rpm,反应28min后逐滴加入剩余的第二混合物,保温反应7.5h后,取出物料,用正己烷萃取三次后,烘干至恒重,得到第一粘结剂;
第二粘结剂按以下方案制备:将30份甲基丙烯酸己酯、140份甲基丙烯酸、4份丙烯酸-2-羟乙酯、0.3份过氧化月桂酰均匀混合得到第三混合物,再取第三混合物总量的十分之一与100份乙酸乙酯混合后加入反应釜中,控制反应釜温度在70℃,搅拌速度为160rpm,反应28min后逐滴加入剩余的第三混合物,保温反应7.5h后,取出物料,用正己烷萃取三次后,烘干至恒重,得到第二粘结剂。
对比例1
一种3D打印覆膜砂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)原砂制备:将石英砂、硅砂按质量比为8:6进行混合后,用质量分数为70%的酸溶液在180℃下浸泡24h,过滤取出砂粒,在1000℃高温炉中煅烧8h,之后冷却至室温,筛分得到原砂;
(2)覆膜砂制备:将原砂、酚醛树脂、钛酸酯偶联剂、二醋酸二丁基锡、丙烯酸酯橡胶、硬脂酸醇、二苯基甲烷二异氰酸酯按质量比为120:15:3:0.3:3:0.5:2在混砂机中混合后,在300℃温度及300rpm搅拌转速下搅拌20min后,再在800rpm搅拌转速下搅拌60min,物料冷却后破碎筛分,即得3D打印覆膜砂。
对比例2
一种3D打印覆膜砂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)原砂制备:将石英砂、硅砂按质量比为6:5进行混合后,用质量分数为80%的酸溶液在180℃下浸泡20h,过滤取出砂粒,在1200℃高温炉中煅烧6h,之后冷却至室温,筛分得到原砂;
(2)覆膜砂制备:将原砂、环氧树脂、硅烷偶联剂、辛酸亚锡、羧基丁腈橡胶、硬脂酸酰胺、六亚甲基二异氰酸酯按质量比为120:18:5:0.2:2:0.3:1在混砂机中混合后,在320℃温度及200rpm搅拌转速下搅拌30min后,再在600rpm搅拌转速下搅拌80min,物料冷却后破碎筛分,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为5.5-7.5MPa,抗弯曲强度为3-4.5MPa,覆膜砂的流动性为4-7cm/min;而对比例1-2中制得的覆膜砂制备的铸膜件的常温抗拉伸强度在3.5MPa左右,抗弯曲强度为2.3MPa左右,覆膜砂的流动性为1cm/min左右。与对比例中覆膜砂制成的铸膜件相比,本发明的3D打印用高强度覆膜砂的常温抗拉伸强度和抗弯曲强度及流动性均有大幅度的提升,通过对原砂进行改性,将原砂与丙烯酸酯类粘结剂在不同温度及搅拌速度下反应,使得原砂与粘结剂之间通过化学键连接,与常规覆膜砂通过范德华力连接相比,分子内作用力远大于分子间作用力,大大提高了覆膜砂的强度;同时,丙烯酸酯类粘结剂和原砂通过分子键连接,使得改性后的原砂与添加树脂的溶解度参数近似,进而提高了覆膜砂的流动性。在将该覆膜砂用作3D打印型砂时,提高了3D打印型砂的质量,打印出来的产品强度好、精度高,该型砂可用于对强度有较高要求的产品制作上,扩大了其适用范围。
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。