CN110845965A

CN110845965A - 一种用于3dp工艺的粘结剂及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN110845965A
Application number: CN201910963334.1A
Authority: CN
Inventors: 刘金洋; 倪培燊; 邓欣
Original assignee: Ji Hua Laboratory
Current assignee: Ji Hua Laboratory
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2020-02-28

Abstract

本发明属于增材制造领域，公开了一种用于3DP工艺的粘结剂及其制备方法和应用，所述粘结剂包括以下质量分数组分：基料60‑80%、表面活性剂1‑5%、液相石蜡1‑5%，氧化铝溶胶1‑20%，无水硫酸镁1‑5%、非离子表面活性剂0‑1%。本发明对粉末有良好的促进硬化效果，上机实验效果较好，能顺畅地打印，产生气泡量合适，打印清晰，精度好，速度快，打印后干燥较快，不堵塞和腐蚀打印头，且能够持续打印，稳定性好，安全无味。

Description

一种用于3DP工艺的粘结剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及金属、陶瓷、复合材料的3DP制造工艺用粘结剂及其制备方法和应用。

背景技术

3DP法三维打印(Three-DimensionPrinting，3DP)，又称粘结剂喷射（BinderJetting，BJ）技术，该技术是基于离散堆积的原理，通过喷射粘结剂（和固化剂）粘结金属或非金属粉末堆积成所需三维实体。该技术基于离散材料逐层堆积成型原理，依据三维设计软件设计的数字化零件的三维数据，逐层对粉末进行喷涂粘结，最终得到固体成型零件，之后进行烧结处理可以获得更高的强度。

3DP法金属三维打印技术目前还处于研究阶段，打印坯尺寸的精度除了受设备性能及打印工艺的影响外，与金属粉末及粘结剂的性质密切相关。例如：金属粉末的球形度、粒径大小、粘结剂的粘度、表面张力等性质，影响着粘结剂在粉末表面的铺展、渗透或其他的作用形式，从而影响打印坯尺寸的精度。

粘结剂作为3DP技术中重要的辅助材料之一，需要粘结强度高，流动性好，固化速度快，表面张力适宜、环保方便等技术要求。然而随着3DP技术的快速发展，越来越多的新材料出现，其中包括：金属材料、陶瓷材料、橡胶材料、光敏树脂等，新型材料具备良好的性能和特点，而目前的粘结剂不能满足新材料的打印成型的需求。因此发明一种能广泛运用于新材料3DP打印成型用粘结剂对3DP的应用具有重要的意义。

目前采用金属粉末进行3DP工艺存在以下缺点：

1、打印过程中使用胶质粘结剂会使喷头堵塞，进而影响制造的精度和效果。因此喷头对喷射液体粘度和表面张力范围的严格要求，很大程度上也限制了3D打印技术使用粘结剂的范围。2、利用3DP技术打印出的金属制品只能通过粉末粘结，受粘结剂材料限制，打印出来的成品致密度较低。这使得3DP制造工艺对粘结剂的要求也越来越高，因而要求人们对原有的粘结剂性能进行改善并不断开发出新型粘结剂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于3DP工艺的粘结剂及其制备方法和应用，本发明对粉末有良好的促进硬化效果，上机实验效果较好，能顺畅地打印，产生气泡量合适，打印清晰，精度好，速度快，打印后干燥较快，不堵塞和腐蚀打印头，且能够持续打印，稳定性好，安全无味。

本发明的技术方案为：

一种用于3DP工艺的粘结剂，包括以下质量分数组分：基料70-80%、表面活性剂1-5%、液相石蜡1-5%，氧化铝溶胶1-20%，无水硫酸镁1-5%、非离子表面活性剂0-1%。

进一步的，所述基料为光敏树脂类有机物，包括聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种或多种的组合，但不仅限于这几种。

进一步的，所述表面活性剂为甲基苯磺酰氯、1-氯四唑、二环己基碳二亚胺、硬酯酸中的一种或多种的组合。

优选的，所述表面活性剂加入量与金属粉质量比为1-5:100。

进一步的，所述非离子表面活性剂为Surfynol465，但不限于此。Surfynol465现有技术中是美国气体化工双子星非离子表面活性剂,它具有优秀的亲水性、润湿、低泡等性能。具有优秀地降低水基体系表面张力性能，特别是降低动态表面张力。

一种上述用于3DP工艺的粘结剂的制备方法，包括以下步骤：按照原料重量份数，先将无水硫酸镁进行改性并烘干，200目滤网过滤；再将少量非离子表面活性剂在基料中混合改性并烘干，200目滤网过滤；最后将表面活性剂、液相石蜡、氧化铝溶胶在基料中作为介质搅拌完全均匀，再加入改性无水硫酸镁继续搅拌少许时间混合均匀，制得混合物。

按以上配比的粘结剂能满足3DP打印需求，测得粘度为26Pa·s左右，表面张力35mN/m左右，粘结剂电导率小于6000μs/cm，pH值介于7-8之间，挥发速度适宜，对粉末有良好的促进硬化效果，上机实验效果较好，能顺畅地打印，产生气泡量合适，打印清晰，精度好，速度快，打印后干燥较快，不堵塞和腐蚀打印头，且能够持续打印，稳定性好，安全无味。

一种上述用于3DP工艺的粘结剂的应用，应用于粉末材料的3DP法三维打印，所述粉末材料为金属粉末、陶瓷粉末、或复合粉末中的任一种。

进一步的，所述粉末材料的球形度为1-20um。

本发明提供了一种用于3DP成型的粘结剂的研究，本发明添加无水硫酸镁，其不仅能够具有吸水作用，促进涂料凝固干燥，同时还能够使得其它成分均匀分散，不会发生沉降；添加非离子表面活性剂Surfynol465调节粘结剂的表面张力，Surfynol465是美国气体化工双子星非离子表面活性剂，它具有优秀的亲水性、润湿、低泡且消泡快等性能以及优秀的降低水基体系表面张力性能，通过多次实验，确定 Surfynol465用量，既能够保证表面张力降低的效果，又能够减少气泡的产生；添加氧化铝溶胶，其有粘接性，并且通过改变氧化铝含量，使其黏度增高，时间延长，同时具有增稠性和触变性，并且当氧化铝溶胶受热蒸发时，胶体粒子牢固地附着在物体表面，粒子间形成铝氧结合，极大的提高硬度。

本发明对粉末有良好的促进硬化效果，上机实验效果较好，能顺畅地打印，产生气泡量合适，打印清晰，精度好，速度快，打印后干燥较快，不堵塞和腐蚀打印头，且能够持续打印，稳定性好，安全无味。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。所述实施例仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

室温下，按照以下质量分数比例，将聚甲基丙烯酸甲酯：40%；甲基丙烯酸羟乙酯：35.0%；氧化铝溶胶：15%，无水硫酸镁3.0%，甲基苯磺酰氯3%，液相石蜡3.5%，Surfynol4650.5%，搅拌混合均匀即得产品。

将上述制得的预备粘结剂在常温（25℃）的条件下进行表面张力测试，采用悬滴法测得所述预备粘结剂的表面张力为29N·m^-1，粘度为26Pa·s。

实施例2

室温下，按照以下质量分数比例，将聚甲基丙烯酸甲酯：40%；聚乙二醇二丙烯酸酯：30.0%；氧化铝溶胶：17%，无水硫酸镁4.0%，1-氯四唑4%，液相石蜡4.5%，Surfynol4650.5%，搅拌混合均匀即得产品。

将上述制得的预备粘结剂在常温（25℃）的条件下进行表面张力测试，采用悬滴法测得所述预备粘结剂的表面张力为27N·m^-1，粘度为25Pa·s。

实施例3

室温下，按照以下质量分数比例，将甲基丙烯酸羟乙酯：40%；丙烯酰胺：35.0%；氧化铝溶胶：15%，无水硫酸镁3.0%，二环己基碳二亚胺3%，液相石蜡3.5%，Surfynol4650.5%，搅拌混合均匀即得产品。

将上述制得的预备粘结剂在常温（25℃）的条件下进行表面张力测试，采用悬滴法测得所述预备粘结剂的表面张力为27N·m^-1，粘度为24Pa·s。

实施例4

室温下，按照以下质量分数比例，将甲基丙烯酸羟乙酯：35.0%；聚乙二醇二丙烯酸酯：35.0%；氧化铝溶胶：20.0%，无水硫酸镁3.0%，二环己基碳二亚胺3.0%，液相石蜡3.5%，Surfynol4650.5%，搅拌混合均匀即得产品。

将上述制得的预备粘结剂在常温（25℃）的条件下进行表面张力测试，采用悬滴法测得所述预备粘结剂的表面张力为35N·m^-1，粘度为23Pa·s。

实施例5

室温下，按照以下质量分数比例，将聚甲基丙烯酸甲酯：40%；甲基丙烯酸羟乙酯：40.0%；氧化铝溶胶：10%，无水硫酸镁3.0%，甲基苯磺酰氯3%，液相石蜡3.5%，Surfynol4650.5%，搅拌混合均匀即得产品。

将上述制得的预备粘结剂在常温（25℃）的条件下进行表面张力测试，采用悬滴法测得所述预备粘结剂的表面张力为30N·m^-1，粘度为26Pa·s。

实施例6

一种用于3DP工艺的粘结剂，包括以下质量分数组分：基料80%、表面活性剂3%、液相石蜡5%，氧化铝溶胶10%，无水硫酸镁1%、非离子表面活性剂1%。

进一步的，所述基料为光敏树脂类有机物，包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇二丙烯酸酯，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇二丙烯酸酯的质量比为1:1。

进一步的，所述表面活性剂为二环己基碳二亚胺。

优选的，所述表面活性剂加入量与金属粉质量比为1:50。

进一步的，所述非离子表面活性剂为Surfynol465，但不限于此。

一种上述用于3DP工艺的粘结剂的应用，应用于粉末材料的3DP法三维打印，所述粉末材料为金属粉末。

进一步的，所述粉末材料的球形度为10um。

实施例7

一种用于3DP工艺的粘结剂，包括以下质量分数组分：基料70%、表面活性剂3%、液相石蜡5%，氧化铝溶胶20%，无水硫酸镁1%、非离子表面活性剂1%。

进一步的，所述基料为光敏树脂类有机物，包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯，所述甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯的质量比为2:3。

进一步的，所述表面活性剂为硬酯酸。

优选的，所述表面活性剂加入量与金属粉质量比为3:100。

一种上述用于3DP工艺的粘结剂的应用，应用于粉末材料的3DP法三维打印，所述粉末材料为陶瓷粉末。

进一步的，所述粉末材料的球形度为8um。

实施例8

一种用于3DP工艺的粘结剂，包括以下质量分数组分：基料75%、表面活性剂5%、液相石蜡1%，氧化铝溶胶15%，无水硫酸镁3%、非离子表面活性剂1%。

进一步的，所述基料为光敏树脂类有机物，包括丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯，所述丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯的质量比为1:3。

进一步的，所述表面活性剂为甲基苯磺酰氯、1-氯四唑，所述甲基苯磺酰氯、1-氯四唑的质量比为1:1。

优选的，所述表面活性剂加入量与金属粉质量比为2:50。

一种上述用于3DP工艺的粘结剂的应用，应用于粉末材料的3DP法三维打印，所述粉末材料为金属粉末与陶瓷粉末的复合粉末。

进一步的，所述粉末材料的球形度为12um。

实施例9

一种用于3DP工艺的粘结剂，包括以下质量分数组分：基料75%、表面活性剂5%、液相石蜡5%，氧化铝溶胶5%，无水硫酸镁4.5%、非离子表面活性剂0.5%。

进一步的，所述基料为光敏树脂类有机物为聚甲基丙烯酸甲酯。

进一步的，所述表面活性剂为二环己基碳二亚胺、硬酯酸，所述二环己基碳二亚胺、硬酯酸的质量比为3:2。

优选的，所述表面活性剂加入量与金属粉质量比为1:100。

进一步的，所述粉末材料的球形度为3um。

实施例10

一种用于3DP工艺的粘结剂，包括以下质量分数组分：基料75%、表面活性剂5%、液相石蜡5%，氧化铝溶胶10%，无水硫酸镁4.9%、非离子表面活性剂0.1%。

进一步的，所述基料为光敏树脂类有机物，包括甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺，所述甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺的质量比为5:2。

进一步的，所述表面活性剂为二环己基碳二亚胺、硬酯酸，所述二环己基碳二亚胺、硬酯酸的质量比为1:3。

优选的，所述表面活性剂加入量与金属粉质量比为1:20。

进一步的，所述粉末材料的球形度为15um。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过本领域任一现有技术实现。

Claims

1.一种用于3DP工艺的粘结剂，其特征在于，包括以下质量分数组分：基料60-80%、表面活性剂1-5%、液相石蜡1-5%，氧化铝溶胶1-20%，无水硫酸镁1-5%、非离子表面活性剂0-1%。

2.根据权利要求1所述的用于3DP工艺的粘结剂，其特征在于，所述基料为光敏树脂类有机物，包括聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种或多种的组合。

3.根据权利要求1所述的用于3DP工艺的粘结剂，其特征在于，所述表面活性剂为甲基苯磺酰氯、1-氯四唑、二环己基碳二亚胺、硬酯酸中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的用于3DP工艺的粘结剂，其特征在于，所述非离子表面活性剂为Surfynol465。

5.一种权利要求1-4任一项所述用于3DP工艺的粘结剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照原料重量份数，先将无水硫酸镁进行改性并烘干，200目滤网过滤；再将少量非离子表面活性剂在基料中混合改性并烘干，200目滤网过滤；最后将表面活性剂、液相石蜡、氧化铝溶胶在基料中作为介质搅拌完全均匀，再加入改性无水硫酸镁继续搅拌少许时间混合均匀，制得混合物。

6.一种权利要求1-4任一项所述用于3DP工艺的粘结剂的应用，其特征在于，应用于粉末材料的3DP法三维打印，所述粉末材料为金属粉末、陶瓷粉末、或复合粉末中的任一种。

7.根据权利要求6所述的用于3DP工艺的粘结剂的应用，其特征在于，所述粉末材料的球形度为1-20um。