CN113967957B

CN113967957B - 废石膏除杂转晶一体化挤出式3d打印喷头及方法

Info

Publication number: CN113967957B
Application number: CN202111245237.2A
Authority: CN
Inventors: 瞿广飞; 赵晨阳; 吴丰辉; 潘科衡; 陈帮金; 刘珊; 李军燕
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2041-10-26
Also published as: CN113967957A

Abstract

本发明公开了一种废石膏除杂转晶一体化挤出式3D打印喷头，其包括电机Ⅰ、排气口、搅拌旋杆、筛桶、履带式陶瓷电加热板、套管Ⅰ、壳体、电磁筒、电热线圈、喷嘴、套管Ⅱ、电机Ⅱ；将废石膏粉体、转晶剂、促凝剂、水的混合物从进料管通入废石膏除杂转晶一体化挤出式3D打印喷头的转动筛桶中，混合物通过筛网分离混合物中的难溶性固体杂质，透过筛网的废石膏浆体在搅拌旋杆搅拌、200~800℃高温场、40~100℃低温电磁场的作用下，反应生成α型半水石膏，同时挥发性杂质从排气口挥发排出，最终浆体从喷嘴喷出成型；本发明装置在实现大宗固体废物利用的同时，提供了一种操作更方便、打印效果更好的废石膏3D打印方法。

Description

废石膏除杂转晶一体化挤出式3D打印喷头及方法

技术领域

本发明属于3D打印技术及设备领域，具体涉及一种废石膏除杂转晶一体化挤出式3D打印喷头和方法。

背景技术

3D打印是通过计算机辅助设计和制造的过程，相比于传统的制造方法，3D打印在制造几何和内部结构复杂的产品时更灵活、反复和准确。3D打印作为一种快速成型技术，以数字模型文件为基础，运用粉状金属、塑料、陶瓷、碳化硅粉、砂和石膏材料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造所需物体。基于以上优点，目前在世界内，3D打印技术已于医药、工业、电化学、材料学及生物学等领域中得到了应用，近范围些年来得到了国内外众多学者的广泛关注。

全国工业副产石膏（磷石膏、脱硫石膏、钛石膏、柠檬酸石膏等）年排放量2.2亿吨左右，累积堆存量超过10亿吨。其中，磷石膏作为我国历史堆存量最高的石膏固废，每年新增排放量超过7000万吨，综合率只有20%。脱硫石膏又称烟气脱硫石膏、硫石膏或FGD石膏，是对含硫燃料（煤、油等）燃烧后产生的烟气进行脱硫净化处理而得到的工业副产石膏。我国是煤炭大国且煤炭是我国重要能源组成，每年燃煤量巨大。为了减少SO₂随烟排放，需要处理大量燃煤烟气而产生数量巨大的脱硫石膏。大量废石膏堆积不仅占用土地资源、且污染周边环境。目前，针对此环境问题，许多关于将废石膏转晶制备成α型半水石膏的研究逐步开展，且产出的α型半水石膏可用于石膏基3D打印的研究中。因此，本发明将废石膏转晶技术与3D打印相结合，使整个转晶、除杂、晶型调控等过程在喷头中一步完成，操作简便，也具有一定的工业化前景。

发明内容

本发明提供了一种废石膏除杂转晶一体化挤出式3D打印喷头，其包括电机Ⅰ、排气口、搅拌旋杆、筛桶、履带式陶瓷电加热板、套管Ⅰ、壳体、电磁筒、电热线圈、喷嘴、套管Ⅱ、电机Ⅱ；其中筛桶包括中部带筛网的筒体、进料管、出料管，进料管、出料管分别固定在筒体的两端，进料管、出料管分别穿过壳体并通过轴承将筛桶活动安装在壳体内上部且平行放置，电机Ⅱ固定在壳体一侧的支架上，电机Ⅱ输出轴通过带轮、皮带与固定在2个筛桶的进料管上的带轮连接；电机Ⅰ固定在壳体顶部，电机Ⅰ输出轴穿过壳体与设置在壳体内的搅拌旋杆固连，搅拌旋杆位于2个筛桶之间；壳体顶部开有排气口，喷嘴固定在壳体底端并与其连通，履带式陶瓷电加热板包裹在壳体中部外侧，套管Ⅰ套装固定在履带式陶瓷电加热板外侧，温度传感器设置在套管Ⅰ内；电热线圈缠绕在壳体外下部，电磁筒套装在电热线圈外侧，套管Ⅱ套装固定在电磁筒外，履带式陶瓷电加热板、电磁筒、加热线圈分别与电源连接。

本发明装置还包括常规市售控制器，控制器分别与履带式陶瓷电加热板、电磁筒、电热线圈、电源连接，按常规方法控制这些组件的开闭以及调控磁场大小和温度。

所述喷嘴通过螺纹连接的方式固定在壳体底端，喷嘴可以拆卸，方便使用后清洗。

所述履带式陶瓷电加热板加热温度为200~800℃，电热线圈加热温度为40~100℃。

本发明另一目的是提供上述装置的使用方法，即将废石膏粉体、转晶剂、促凝剂、水的混合物从进料管通入废石膏除杂转晶一体化挤出式3D打印喷头的转动筛桶中，混合物通过筛网分离混合物中的难溶性固体杂质，透过筛网的废石膏浆体在搅拌旋杆搅拌、200~800℃高温场、40~100℃低温电磁场的作用下，反应生成α型半水石膏，同时挥发性杂质从排气口挥发排出，促凝剂在套管Ⅱ内的低温下发挥促凝作用，最终浆体从喷嘴喷出成型。

所述废石膏为磷石膏、氟石膏、脱硫石膏中的一种或几种。

所述转晶剂为十二烷基苯磺酸钠、马来酸、柠檬酸钠、水溶性蛋白质、琥珀酸、亚油酸、脂肪酸、碱金属盐、硫酸铝、硫酸铬中的一种或几种，添加量为废石膏质量的0.1%~2%。

所述促凝剂为硫酸钾、硫代硫酸钾、过硫酸钾中的一种或几种，添加量为废石膏质量的0.01%~1.0%。

本发明装置通过螺旋杆的搅拌混合，再对通过了筛网的废石膏浆体加以高温、磁场以及低温，使废石膏浆体在高温区段中运动溶解磷氟杂质并挥发脱除、电磁区晶体定向排布、在低温区晶体定向生长，使废石膏转变为高强半水石膏，有效提高打印产品的力学性能，同时为石膏基固体废物3D打印高强度材料提供一种方式。

所述高温区段履带式陶瓷电加热板通入电压220~360V，电磁筒通入电压110~360V的交流电，低温区段加热线圈通入电压60~220V，电磁筒对喷头内部施加水平方向的磁场。

所述筛桶由电机Ⅰ和皮带轮带动转动，转速可达200~800rpm，筛网孔径120~325目；

本发明的有益效果是：通过高速旋转的筛桶产生的离心力使难溶杂质与石膏浆体分离，在螺旋杆搅拌浆体的基础上向通过筛网的废石膏浆体施加高温、磁场以及低温，使废石膏浆体在混合运动的过程中脱除可溶性杂质（以蒸汽形式脱去，从排气口排出）、晶型调控以及刺激晶体定向生长，从而使废石膏转变为α型高强石膏，热导性促凝剂在低温区段（40~100℃）缓慢释放硫酸根离子，促进石膏水化进程，最终在搅拌旋杆的旋转作用下将浆体从喷嘴挤出，从而实现3D打印过程；本发明方法简单高效，在实现大宗固体废物利用的同时，提供了一种操作更方便、打印效果更好的废石膏3D打印方法。

附图说明

图1是本发明3D打印喷头结构示意图；

图2是本发明3D打印喷头外部结构示意图；

图3是本发明3D打印喷头侧视内部结构示意图；

图中：1、电机Ⅰ；2、排气口；3、筛网；4、进料管；5、出料管；6、皮带；7、搅拌旋杆；8、筛桶；9、履带式陶瓷电加热板；10、套管Ⅰ；11、温度传感器；12、壳体；13、电磁筒；14、电热线圈；15、电机Ⅱ；16、喷嘴；17、套管Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。

实施例1：如图1-3所示，本废石膏除杂转晶一体化挤出式3D打印喷头包括电机Ⅰ1、排气口2、搅拌旋杆7、筛桶8、履带式陶瓷电加热板9、套管Ⅰ10、壳体12、电磁筒13、电热线圈14、电机Ⅱ15、喷嘴16、套管Ⅱ17；其中筛桶8包括中部带筛网3的筒体、进料管4、出料管5，筒体中部为中空圆柱体，筒壁为筛网，两侧固定有中空圆锥体，进料管4、出料管5分别固定在筒体的两端，进料管4、出料管5分别穿过壳体并通过轴承将2个筛桶8活动安装在壳体12内上部且平行放置，电机Ⅱ15焊接固定在壳体一侧的支架上，电机Ⅱ15输出轴通过带轮、皮带6与固定在2个筛桶8进料管4上的2个带轮连接；电机Ⅰ1固定在壳体12顶部，电机Ⅰ1输出轴穿过壳体与设置在壳体内的搅拌旋杆7固连，搅拌旋杆7上部位于2个筛桶8之间，下部延伸至喷嘴处；壳体12顶部开有排气口2，喷嘴16通过螺纹连接的方式固定在壳体12底端并与其连通，履带式陶瓷电加热板9包裹在壳体12中部外侧，套管Ⅰ10套装固定在履带式陶瓷电加热板9外侧且上下端密封，温度传感器11设置在套管Ⅰ10内；电热线圈14缠绕在壳体12外下部，电磁筒13套装在电热线圈14外侧，套管Ⅱ17套装固定在电磁筒13外且上下端密封，履带式陶瓷电加热板9、电磁筒13、电热线圈14分别与电源连接。

将磷石膏粉末、磷石膏质量42%的水、磷石膏质量1%的马来酸和磷石膏质量0.01%的硫酸钾混合浆体从壳体上部的2个进料管4送入筛桶8中，筛桶转速设为400rpm，混合物通过筛网分离混合物中的难溶性固体杂质，通过筛网的废石膏浆体在搅拌旋杆7作用下向下移动至套管Ⅰ10的高温场内，套管Ⅰ10内的履带式陶瓷电加热板9输入电压为360V，加热至800℃，套管Ⅱ17内电热线圈14、电磁筒13输入电压为220V，加热至50℃，电磁筒13的磁场强度为10mT，搅拌旋杆7在60rpm的转速下搅拌混合，并将混合浆体从喷嘴挤出，混合浆料纵向打印尺寸为40×40×140mm的块体，所得产品精度为1mm，塌落高度为3mm，7d抗压强度为14.5 MPa。

实施例2：本实施例装置结构同实施例1，不同在于：有2个电机Ⅱ15，2个电机Ⅱ15固定在壳体一侧的支架上且位置与2个筛桶8相对应，每个电机Ⅱ15输出轴通过带轮、皮带6与固定在每个筛桶8的进料管4上的带轮连接；本发明装置还包括常规市售控制器，控制器分别与履带式陶瓷电加热板、电磁筒、电热线圈、电源连接，按常规方法控制这些组件的开闭以及调控磁场大小和温度；

将脱硫石膏粉末、磷石膏质量39%的水、磷石膏质量2%的十二烷基苯磺酸钠、磷石膏质量0.1%的硫代硫酸钾混合后，从壳体上部的2个进料管4送入筛桶8中，筛桶转速设为600rpm，混合物通过筛网分离混合物中的难溶性固体杂质，通过筛网的废石膏浆体在搅拌旋杆7作用下向下移动至套管Ⅰ10的高温场内，套管Ⅰ10内的履带式陶瓷电加热板9输入电压为270V，加热至600℃，套管Ⅱ17内电热线圈14、电磁筒13输入电压为220V，加热至70℃，电磁筒13的磁场强度为30mT，搅拌旋杆7在80rpm的转速下搅拌混合，并将混合浆体从喷嘴挤出，混合浆料纵向打印尺寸为40×40×140mm的块体，所得产品精度为2mm，塌落高度为4.1mm，7d抗压强度为12.4 MPa。

实施例3：本实施例装置结构同实施例1，将磷石膏粉末、磷石膏质量60%的水、磷石膏质量0.5%的柠檬酸钠和磷石膏质量1%的过硫酸钾混合后，从壳体上部的2个进料管4送入筛桶8中，筛桶转速设为700rpm，混合物通过筛网分离混合物中的难溶性固体杂质，通过筛网的废石膏浆体在搅拌旋杆7作用下向下移动至套管Ⅰ10的高温场内，套管Ⅰ10内的履带式陶瓷电加热板9输入电压为220V，加热至550℃，套管Ⅱ17内电热线圈14、电磁筒13输入电压为110V，加热至40℃，电磁筒13的磁场强度为40mT，搅拌旋杆7在70rpm的转速下搅拌混合，并将混合浆体从喷嘴挤出，混合浆料纵向打印尺寸为40×40×140mm的块体，所得产品精度为3.2mm，塌落高度为6.8mm，7d抗压强度为11.8 MPa。

Claims

1.一种废石膏除杂转晶一体化挤出式3D打印喷头，其特征在于：包括电机Ⅰ（1）、排气口（2）、搅拌旋杆（7）、筛桶（8）、履带式陶瓷电加热板（9）、套管Ⅰ（10）、壳体（12）、电磁筒（13）、电热线圈（14）、电机Ⅱ（15）、喷嘴（16）、套管Ⅱ（17）；其中筛桶（8）包括中部带筛网（3）的筒体、进料管（4）、出料管（5），进料管（4）、出料管（5）分别固定在筒体的两端，进料管（4）、出料管（5）分别穿过壳体并通过轴承将2个筛桶（8）活动安装在壳体（12）内上部且平行放置，电机Ⅱ（15）固定在壳体一侧的支架上，电机Ⅱ（15）输出轴通过带轮、皮带（6）与固定在2个筛桶（8）进料管（4）上的带轮连接；电机Ⅰ（1）固定在壳体（12）顶部，电机Ⅰ（1）输出轴穿过壳体与设置在壳体内的搅拌旋杆（7）固连，搅拌旋杆（7）位于2个筛桶（8）之间；壳体（12）顶部开有排气口（2），喷嘴（16）固定在壳体（12）底端并与其连通，履带式陶瓷电加热板（9）包裹在壳体（12）中部外侧，套管Ⅰ（10）套装固定在履带式陶瓷电加热板（9）外侧，温度传感器（11）设置在套管Ⅰ（10）内；电热线圈（14）缠绕在壳体（12）外下部，电磁筒（13）套装在电热线圈（14）外侧，套管Ⅱ（17）套装固定在电磁筒（13）外，履带式陶瓷电加热板（9）、电磁筒（13）、电热线圈（14）分别与电源连接。

2.根据权利要求1所述的废石膏除杂转晶一体化挤出式3D打印喷头，其特征在于：喷嘴（16）通过螺纹连接的方式固定在壳体（12）底端。

3.根据权利要求1所述的废石膏除杂转晶一体化挤出式3D打印喷头，其特征在于：履带式陶瓷电加热板（9）加热温度为200~800℃，电热线圈（14）加热温度为40~100℃。

4.权利要求3所述的废石膏除杂转晶一体化挤出式3D打印喷头的使用方法，其特征在于：将废石膏粉体、转晶剂、促凝剂、水的混合物从进料管（4）通入废石膏除杂转晶一体化挤出式3D打印喷头的转动的筛桶（8）中，混合物通过筛网分离混合物中的难溶性固体杂质，透过筛网的废石膏浆体在搅拌旋杆搅拌、履带式陶瓷电加热板产生的200~800℃高温场、电热线圈和电磁筒产生的40~100℃低温电磁场的作用下，反应生成α-半水石膏，同时挥发性杂质从排气口（2）挥发排出，促凝剂在套管Ⅱ（17）内的低温下发挥促凝作用，最终浆体从喷嘴喷出成型。

5.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于：废石膏为磷石膏、氟石膏、脱硫石膏中的一种或几种。

6.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于：转晶剂为十二烷基苯磺酸钠、马来酸、柠檬酸钠、水溶性蛋白质、琥珀酸、亚油酸、脂肪酸、碱金属盐、硫酸铝、硫酸铬中的一种或几种，添加量为废石膏质量的0.1%~2%。

7.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于：促凝剂为硫酸钾、硫代硫酸钾、过硫酸钾中的一种或几种，添加量为废石膏质量的0.01%~1.0%。