CN115259717A - 增材制造用粉煤灰、制备方法及其使用方法 - Google Patents

增材制造用粉煤灰、制备方法及其使用方法 Download PDF

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CN115259717A CN202210876208.4A CN202210876208A CN115259717A CN 115259717 A CN115259717 A CN 115259717A CN 202210876208 A CN202210876208 A CN 202210876208A CN 115259717 A CN115259717 A CN 115259717A
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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，主要涉及一种增材制造用粉煤灰、制备方法及其使用方法，主要对粉煤灰废料提出了科学合理的再利用的方案，对粉煤灰材料进行有效的工艺改进处理，使处理后的粉末可达到3D打印用材料标准，并利用3D打印的方式消耗固废资源，实现生产过程绿色化、再生化、高附加值利用。

Description

增材制造用粉煤灰、制备方法及其使用方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体包括模型生产技术领域、建筑装饰领域、粉煤灰应用领域、3D打印领域，主要涉及一种增材制造用粉煤灰、制备方法及其使用方法。
背景技术
我国是产煤大国，以煤炭为电力生产基本燃料，能源工业稳步发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，目前粉煤灰已堆积超过30亿吨，给国民经济建设及生态环境造成巨大的压力。目前主要以堆存为主，累计堆存数亿吨，尚未形成大规模资源化处理方案，固废问题具有持久危害性、时空性也是最难处置、最具综合性、最贴近生活环境问题，固废的新方式利用可大大缓解环境压力。回收、利用固体废物资源既可舒缓环境污染的迫切性，也可以节省环境治理成本。
3D打印技术是一种新型快速成形技术，其中3DP喷墨打印技术产业化应用最为广泛，其原理大致分为微滴喷射、粉末颗粒粘结和固化成型三个步骤。目前在成形过程中，粉末颗粒首先与固化剂混合搅拌，然后铺好一层厚度固定的粉末颗粒材料，再通过喷头将粘结剂选择性的喷射在铺好的粉末颗粒层上，重复此操作，一层一层叠加起来，最终实现固化粘结成型。目前只有少量的粉煤灰应用于混凝土配制中，大部分粉煤灰固废资源无法被利用，已造成巨大的环境压力，目前尚未有粉煤灰固废资源作为3D打印原材料的应用，因此合理开发粉煤灰固废材料的再生利用、降低制造成本，成为本领域中亟需解决的技术问题。
发明内容
基于上述粉煤灰固废资源长期堆积无法回收利用，及该类固废资源造成环境污染的问题，本发明提出了一种增材制造用粉煤灰的制备方法及其使用方法，主要对粉煤灰废料提出了科学合理的再利用的方案，对粉煤灰材料进行有效的工艺改进处理，使处理后的粉末可达到3D打印用材料标准，并利用3D打印的方式消耗固废资源，实现生产过程绿色化、再生化、高附加值利用。具体技术方案为：
一种增材制造用粉煤灰，以重量份计，包括10-60份的70目粉煤灰、30-50份的100目粉煤灰、10-50份的140目粉煤灰、0-15份的180目粉煤灰、0-10份的200目粉煤灰。
在其中一实施例中，在不同粒度的粉煤灰中添加设定比例的匹配粒度的铸造用砂；所述铸造用砂选择为铸造用硅砂、陶粒砂、废旧砂、回用砂其中的一者，有效地利用固废，降低成本，将固废可资源化利用。
在其中一实施例中，所述铸造用砂的添加重量与对应目数的所述粉煤灰的重量比为：(1-10)：(0-10)。
上述增材制造用粉煤灰的制备方法，包括以下步骤：
S01，采用不同目数的筛网分级筛分粉煤灰；
S02，将筛分后的不同粒度的粉煤灰按照设定重量比进行配料；
S03，将配料完成后的粉煤灰的混合物进行充分混合搅拌后形成增材制造用粉煤灰。
在其中一实施例中，上述制备方法还包括预处理步骤，针对流动性不好，也即含泥的粉煤灰，采用水洗法进行粉煤灰废料的除泥处理；由于粉煤灰中含有大量的泥，泥的含量会影响产品的硬化效果，增大树脂的消耗量，因此需要将泥去除，采用水洗的方法进行去除，可将粉煤灰置入洗砂回收一体机中进行除泥处理操作。
进一步地，将水洗处理后的粉煤灰进行干燥处理；便于筛分及使用。
进一步地，所述S01中，采用70目至200目的筛网进行筛分，这样筛分出的粉煤灰的粒度符合打印产品使用要求。
进一步地，所述S01具体包括：采用70目、100目、140目、180目、200目的筛网将粉煤灰进行分级筛分并分类储存，待配料时选用相应粒度的粉煤灰。
一种增材制造用粉煤灰的使用方法，使用方法步骤包括：
将已混合制备完成的增材制造用粉煤灰加入打印设备的供粉装置，并加入固化剂混合均匀，之后输送至铺粉装置中；
铺粉装置根据设定值在打印设备的平台上进行铺粉，根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂呋喃树脂或酚醛树脂或无机粘结剂，如此重复，完成产品的打印。然后进行清砂处理获得打印产品，之后对打印产品采用环氧树脂进行后处理，可显著增强产品的抗拉强度和抗压强度。
其中在喷涂过程中若喷涂的是酚醛树脂或无机粘结剂，则完成产品的打印后，将打印设备的平台转运至微波烘干设备中进行烘干处理。若喷涂的是呋喃树脂，则打印完成的产品不需要进行烘干处理。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
采用本申请提供的制备方法生产得到的粉煤灰，性能稳定，表面形貌及材料流动性均满足目前3D打印材料要求，通过3D打印机直接打印如室内、外雕塑的建筑装饰品、砂型产品等，应用于模型生产、建筑装饰、粉煤灰应用、3D打印等领域；同时粉煤灰可与其他铸造用硅砂、陶粒砂、废旧砂、回用砂混合使用，并采用呋喃树脂或热酚醛树脂或无机粘结剂进行硬化，适用于多种材料的打印生产产品，生产的产品进一步通过后处理后，具备较高的抗拉强度和抗压强度，使用领域广泛。
附图说明
无。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，给出本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
电厂、煤制油工厂产生的粉煤灰大部分含有大量煤泥燃烧剩余定的产物，包含大量的泥土及氧化物杂质，粉煤灰粒度偏细、含泥量大幅度上升，导致粉末无法在打印机上铺平，混合固化剂后无法下粉，产品无法硬化、无强度造成粉煤灰无法批量应用。一般地，可用于3D打印的粉煤灰是不含煤泥烧结的、球形度较好的粉末。
以下实施例根据上述粉煤灰的特点提出一种增材制造用粉煤灰，以重量份计，包括10-60份的70目粉煤灰、30-50份的100目粉煤灰、10-50份的140目粉煤灰、0-15份的180目粉煤灰、0-10份的200目粉煤灰。
具体地，在不同粒度的粉煤灰中添加设定比例的匹配粒度的铸造用砂；铸造用砂的添加重量与对应目数的所述粉煤灰的重量比为：(1-10)：(0-10)。铸造用砂选择为铸造用硅砂、陶粒砂、废旧砂、回用砂其中的一者，有效地利用固废，降低成本，将固废可资源化利用。
上述增材制造用粉煤灰的制备方法，包括以下步骤：
1)采用不同目数的筛网分级筛分粉煤灰；
2)将筛分后的不同粒度的粉煤灰按照设定重量比进行配料；
3)将配料完成后的粉煤灰的混合物进行充分混合搅拌后形成增材制造用粉煤灰。
具体地，针对流动性不好，也即含泥的粉煤灰，采用水洗法进行粉煤灰废料的除泥预处理，可将粉煤灰置入洗砂回收一体机中进行除泥处理操作。然后进行干燥处理；由于粉煤灰中含有大量的泥，泥的含量会影响产品的硬化效果，增大树脂的消耗量，因此需要将泥去除，采用水洗的方法进行去除，可将粉煤灰置入洗砂回收一体机中进行除泥处理操作。
筛分过程中主要采用70目、100目、140目、180目、200目的筛网将粉煤灰进行分级筛分并分类储存，待配料时选用相应粒度的粉煤灰。
一种增材制造用粉煤灰的使用方法，使用方法步骤包括：
1)将已混合制备完成的增材制造用粉煤灰加入打印设备的供粉装置，并加入固化剂混合均匀，之后输送至铺粉装置中；
2)铺粉装置根据设定值在打印设备的平台上进行铺粉，根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂呋喃树脂或酚醛树脂或无机粘结剂，如此重复，完成产品的打印。需要说明的是，若喷涂的是呋喃树脂，则打印完成的产品不需要进行烘干处理；若喷涂的是酚醛树脂或无机粘结剂，则完成产品的打印后，将打印设备的平台转运至微波烘干设备中进行烘干处理。
3)然后进行清砂处理获得打印产品，之后对打印产品采用环氧树脂进行后处理，可显著增强产品的抗拉强度和抗压强度。
实施例一：
一种增材制造用粉煤灰，以重量份计，包括10份的70目粉煤灰、30份的100目粉煤灰、50份的140目粉煤灰、8份的180目粉煤灰、2份的200目粉煤灰。
上述增材制造用粉煤灰的制备方法，包括以下步骤：
1)采用水洗法进行粉煤灰废料的除泥处理；
2)将粉煤灰放在振动筛分机上用70目、100目、140目、180目、200目的筛网进行筛分分类，将70目筛网上的、200目筛网下的粉末排废处理；
3)将筛分后的不同粒度的粉煤灰按照以下重量比进行配料：以重量份计，包括10份的70目粉煤灰、30份的100目粉煤灰、50份的140目粉煤灰、8份的180目粉煤灰、2份的200目粉煤灰；
4)将配料完成后的粉煤灰的混合物放置搅拌器中，调整转速为100转/min，混合搅拌30min后取出备用。
采用上述制备方法制得的增材制造用粉煤灰的使用方法步骤如下：
1)将已混合制备完成的增材制造用粉煤灰加入打印设备的供粉装置，并加入呋喃树脂专用固化剂混合均匀，之后输送至铺粉装置中；
2)铺粉装置按照铺敷层厚为0.28mm均匀在打印设备的平台上进行铺粉，根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂呋喃树脂，如此重复，完成产品的打印；
3)进行清砂处理获得打印产品，之后对打印产品采用环氧树脂进行后处理。
打印试验结果验证：打印8字形抗拉试块和圆柱体抗压试块，其中8字形抗拉试块的抗拉体积为41.539cm3；圆柱体抗压试块的半径为20mm，高为40mm，体积为50.24cm3。通过验证，呋喃树脂加入量8.0％既能满足打印头喷墨量问题，也满足初始强度≥1MPa的初始强度要求。
试块打印完成后未采用环氧树脂处理和采用环氧树脂处理后的试块的抗压及抗拉强度对比值如下：
未采用环氧树脂渗透处理：抗拉强度为1.12MPa，抗压强度6.25MPa。
采用环氧树脂渗透处理：抗拉强度为13.25MPa，抗压强度50.8MPa。
实施例二：
一种增材制造用粉煤灰，以重量份计，包括50份的70目粉煤灰、30份的100目粉煤灰、15份的140目粉煤灰、5份的180目粉煤灰。
上述增材制造用粉煤灰的制备方法，包括以下步骤：
1)采用水洗法进行粉煤灰废料的除泥预处理；
2)将粉煤灰放在振动筛分机上用70目、100目、140目、180目、200目的筛网进行筛分分类，将70目筛网上的、200目筛网下的粉末排废处理；
3)将筛分后的不同粒度的粉煤灰按照以下重量比进行配料：以重量份计，包括50份的70目粉煤灰、30份的100目粉煤灰、15份的140目粉煤灰、5份的180目粉煤灰；
4)将配料完成后的粉煤灰的混合物放置搅拌器中，调整转速为200转/min，混合搅拌20min后取出备用。
采用上述制备方法制得的增材制造用粉煤灰的使用方法步骤如下：
1)将已混合制备完成的增材制造用粉煤灰加入打印设备的供粉装置，并加入酚醛树脂专用固化剂混合均匀，之后输送至铺粉装置中；
2)铺粉装置按照铺敷层厚为0.36mm均匀在打印设备的平台上进行铺粉，根据产品的轮廓需要固化的位置处喷酚醛树脂，如此重复，完成产品的打印；
3)将打印设备的平台转运至微波烘干设备中进行烘干处理，烘干时间为120min。
4)进行清砂处理获得打印产品，之后对打印产品采用环氧树脂进行后处理。
打印试验结果验证：打印8字形抗拉试块和圆柱体抗压试块，其中8字形抗拉试块的抗拉体积为41.539cm3；圆柱体抗压试块的半径为20mm，高为40mm，体积为50.24cm3。通过验证，酚醛树脂加入量8.0％既能满足打印头喷墨量问题，也满足初始强度≥1MPa的初始强度要求。
试块打印完成后未采用环氧树脂处理和采用环氧树脂处理后的试块的抗压及抗拉强度对比值如下：
未采用环氧树脂渗透处理：抗拉强度为1.34MPa，抗压强度6.86MPa。
采用环氧树脂渗透处理：抗拉强度为14.56MPa，抗压强度56.2MPa。
实施例三：
一种增材制造用粉煤灰，以重量份计，包括20份的70目粉煤灰、20份的100目粉煤灰、50份的140目粉煤灰、10份的180目粉煤灰。
上述增材制造用粉煤灰的制备方法，包括以下步骤：
1)采用水洗法进行粉煤灰废料的除泥预处理；
2)将粉煤灰放在振动筛分机上用70目、100目、140目、180目、200目的筛网进行筛分分类，将70目筛网上的、200目筛网下的粉末排废处理；
3)将筛分后的不同粒度的粉煤灰按照以下重量比进行配料：以重量份计，包括20份的70目粉煤灰、20份的100目粉煤灰、50份的140目粉煤灰、10份的180目粉煤灰；
4)将配料完成后的粉煤灰的混合物放置搅拌器中，调整转速为300转/min，混合搅拌30min后取出备用。
采用上述制备方法制得的增材制造用粉煤灰的使用方法步骤如下：
1)将已混合制备完成的增材制造用粉煤灰加入打印设备的供粉装置，并加入无机粘结剂专用固化剂混合均匀，之后输送至铺粉装置中；
2)铺粉装置按照铺敷层厚为0.36mm均匀在打印设备的平台上进行铺粉，根据产品的轮廓需要固化的位置处喷无机粘结剂，如此重复，完成产品的打印；
3)将打印设备的平台转运至微波烘干设备中进行烘干处理，烘干时间为120min。
4)进行清砂处理获得打印产品，之后对打印产品采用环氧树脂进行后处理。
打印试验结果验证：打印8字形抗拉试块和圆柱体抗压试块，其中8字形抗拉试块的抗拉体积为41.539cm3；圆柱体抗压试块的半径为20mm，高为40mm，体积为50.24cm3。通过验证，酚醛树脂加入量8.0％既能满足打印头喷墨量问题，也满足初始强度≥1MPa的初始强度要求。
试块打印完成后未采用环氧树脂处理和采用环氧树脂处理后的试块的抗压及抗拉强度对比值如下：
未采用环氧树脂渗透处理：抗拉强度为1.28MPa，抗压强度5.89MPa。
采用环氧树脂渗透处理：抗拉强度为16.56MPa，抗压强度60.2MPa。
实施例四：
一种增材制造用粉煤灰，以重量份计，包括30份的70目粉煤灰和硅砂混合物、40份的100目粉煤灰和硅砂混合物、20份的140目粉煤灰和硅砂混合物、8份的180目粉煤灰和硅砂混合物、2份的200目粉煤灰和硅砂混合物，其中粉煤灰与硅砂的重量比为1:1。
上述增材制造用粉煤灰的制备方法，包括以下步骤：
1)采用水洗法进行粉煤灰废料的除泥预处理；
2)将粉煤灰放在振动筛分机上用70目、100目、140目、180目、200目的筛网进行筛分分类，将70目筛网上的、200目筛网下的粉末排废处理；
3)将筛分后的不同粒度的粉煤灰按照以下重量比进行配料：以重量份计，包括30份的70目粉煤灰和硅砂混合物、40份的100目粉煤灰和硅砂混合物、20份的140目粉煤灰和硅砂混合物、8份的180目粉煤灰和硅砂混合物、2份的200目粉煤灰和硅砂混合物，其中粉煤灰与硅砂的重量比为1:1；
4)将配料完成后的粉煤灰的混合物放置搅拌器中，调整转速为400转/min，混合搅拌30min后取出备用。
采用上述制备方法制得的增材制造用粉煤灰的使用方法步骤如下：
1)将已混合制备完成的增材制造用粉煤灰加入打印设备的供粉装置，并加入呋喃树脂专用固化剂混合均匀，之后输送至铺粉装置中；
2)铺粉装置按照铺敷层厚为0.36mm均匀在打印设备的平台上进行铺粉，根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂呋喃树脂，如此重复，完成产品的打印；
3)进行清砂处理获得打印产品，之后对打印产品采用环氧树脂进行后处理。
打印试验结果验证：打印8字形抗拉试块和圆柱体抗压试块，其中8字形抗拉试块的抗拉体积为41.539cm3；圆柱体抗压试块的半径为20mm，高为40mm，体积为50.24cm3。通过验证，呋喃树脂加入量8.0％既能满足打印头喷墨量问题，也满足初始强度≥1MPa的初始强度要求。
试块打印完成后未采用环氧树脂处理和采用环氧树脂处理后的试块的抗压及抗拉强度对比值如下：
未采用环氧树脂渗透处理：抗拉强度为1.78MPa，抗压强度8.2MPa。
采用环氧树脂渗透处理：抗拉强度为20.23MPa，抗压强度70.56MPa。
实施例五：
一种增材制造用粉煤灰，以重量份计，包括30份的70目粉煤灰和硅砂混合物、40份的100目粉煤灰和硅砂混合物、20份的140目粉煤灰和硅砂混合物、8份的180目粉煤灰和硅砂混合物、2份的200目粉煤灰和硅砂混合物，其中粉煤灰与硅砂的重量比为1:5。
上述增材制造用粉煤灰的制备方法，包括以下步骤：
1)采用水洗法进行粉煤灰废料的除泥预处理；
2)将粉煤灰放在振动筛分机上用70目、100目、140目、180目、200目的筛网进行筛分分类，将70目筛网上的、200目筛网下的粉末排废处理；
3)将筛分后的不同粒度的粉煤灰按照以下重量比进行配料：以重量份计，包括30份的70目粉煤灰和硅砂混合物、40份的100目粉煤灰和硅砂混合物、20份的140目粉煤灰和硅砂混合物、8份的180目粉煤灰和硅砂混合物、2份的200目粉煤灰和硅砂混合物，其中粉煤灰与硅砂的重量比为1:5；
4)将配料完成后的粉煤灰的混合物放置搅拌器中，调整转速为400转/min，混合搅拌30min后取出备用。
采用上述制备方法制得的增材制造用粉煤灰的使用方法步骤如下：
1)将已混合制备完成的增材制造用粉煤灰加入打印设备的供粉装置，并加入酚醛树脂专用固化剂混合均匀，之后输送至铺粉装置中；
2)铺粉装置按照铺敷层厚为0.36mm均匀在打印设备的平台上进行铺粉，根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂酚醛树脂，如此重复，完成产品的打印；
3)将打印设备的平台转运至微波烘干设备中进行烘干处理，烘干时间为120min。
4)进行清砂处理获得打印产品，之后对打印产品采用环氧树脂进行后处理。
打印试验结果验证：打印8字形抗拉试块和圆柱体抗压试块，其中8字形抗拉试块的抗拉体积为41.539cm3；圆柱体抗压试块的半径为20mm，高为40mm，体积为50.24cm3。通过验证，呋喃树脂加入量8.0％既能满足打印头喷墨量问题，也满足初始强度≥1MPa的初始强度要求。
试块打印完成后未采用环氧树脂处理和采用环氧树脂处理后的试块的抗压及抗拉强度对比值如下：
未采用环氧树脂渗透处理：抗拉强度为2.12MPa，抗压强度9.56MPa。
采用环氧树脂渗透处理：抗拉强度为22.36MPa，抗压强度80.25MPa。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种增材制造用粉煤灰，其特征在于，以重量份计，包括10-60份的70目粉煤灰、30-50份的100目粉煤灰、10-50份的140目粉煤灰、0-15份的180目粉煤灰、0-10份的200目粉煤灰。
2.根据权利要求1所述的增材制造用粉煤灰，其特征在于，在不同粒度的粉煤灰中添加设定比例的匹配粒度的铸造用砂。
3.根据权利要求1所述的增材制造用粉煤灰，其特征在于，所述铸造用砂的添加重量与对应目数的所述粉煤灰的重量比为：(1-10)：(0-10)。
4.一种如权利要求1至3任一所述增材制造用粉煤灰的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
筛分：采用不同目数的筛网分级筛分粉煤灰；
配料：将筛分后的不同粒度的粉煤灰按照设定重量比进行配料；
混合：将配料完成后的粉煤灰的混合物进行充分混合搅拌后形成增材制造用粉煤灰。
5.根据权利要求4所述的增材制造用粉煤灰的制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤还包括预处理步骤，包括采用水洗法进行粉煤灰废料的除泥处理。
6.根据权利要求5所述的增材制造用粉煤灰的制备方法，其特征在于，所述预处理步骤还包括，将水洗处理后的粉煤灰进行干燥处理。
7.根据权利要求4所述的增材制造用粉煤灰的制备方法，其特征在于，所述筛分步骤中，采用70目至200目的筛网进行筛分。
8.一种如权利要求1至3任一所述增材制造用粉煤灰的使用方法，其特征在于，所述使用方法步骤包括：
将已混合制备完成的增材制造用粉煤灰加入打印设备的供粉装置，并加入固化剂混合均匀，之后输送至铺粉装置中；
铺粉装置根据设定值在打印设备的平台上进行铺粉，根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂呋喃树脂或酚醛树脂或无机粘结剂，如此重复，完成产品的打印。
9.根据权利要求8所述的增材制造用粉煤灰的使用方法，其特征在于，在喷涂步骤中若喷涂的是酚醛树脂或无机粘结剂，则完成产品的打印后，将打印设备的平台转运至微波烘干设备中进行烘干处理。
10.根据权利要求8所述的增材制造用粉煤灰的使用方法，其特征在于，使用方法步骤还包括：完成产品打印后，进行清砂处理获得打印产品，之后对打印产品采用环氧树脂进行后处理。
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