CN116553915B - 一种水基3d打印陶瓷浆料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水基3D打印陶瓷浆料及其制备方法,属于陶瓷材料和3D打印成型技术领域。以质量分数计,该陶瓷材料包括以下组分:13%~28.7%去离子水,70%~85%陶瓷粉末,0.1%~0.5%有机分散剂,0.5%~1.5%有机凝胶,pH值为8~10;所述有机凝胶剂为可得然胶和聚乙烯醇的混合物。本发明中采用高分子有机物添加剂制备该陶瓷材料,大幅度降低了有机物使用量,减少了工艺步骤,同时还能保证陶瓷产品的质量。

Description

一种水基3D打印陶瓷浆料及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷材料和3D打印成型技术领域,具体涉及一种水基3D打印陶瓷浆料及其制备方法。
背景技术
由于陶瓷材料的不溶难熔特性使其难以直接加工,因此在3D打印陶瓷中往往采用浆料形式实现既定几何模型的生坯的制造。为了使流体形式存在的浆料固化成型,浆料往往中存在相当数量(通常为40wt%~60wt%)的可发生固化反应的有机物,所以由此所得的陶瓷生坯必须通过脱脂去除这些有机物后才能进行陶瓷的烧结,最终得到陶瓷制品。
目前3D打印陶瓷所用的浆料中大量(40wt%~60wt%)的有机添加剂(如光敏的丙烯酸单体、热固化环氧树脂预聚物、丙烯酰胺单体等)往往带来以下问题:(1)3D打印得到的生坯不能直接烧结,需要经过耗时、耗能的脱脂工序,通常至少耗时20多小时以上,且脱脂产生有机挥发性气体污染空气与环境;(2)所添加的有机物主要为小分子单体、预聚物,因而往往具有一定的挥发性,对人体和环境不利。
对于现有的3D打印陶瓷浆料,尽管一直在致力于减少有机物用量,但受限于降低有机含量会使浆料粘度升高或固化强度减弱的问题,浆料的固含量无法提升到很高,也难以摆脱大量有机分子的使用。也有为减少有机添加剂用量,采用无机化合物作为交联网络的,如硅溶胶,但会给常规氧化铝、氧化锆陶瓷引入其他无机物,影响陶瓷纯度。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供一种水基3D打印陶瓷浆料。该陶瓷浆料中有机物含量<3wt%,固含量≥70wt%,经3D打印得到的陶瓷生坯不需要经过脱脂工序,可直接烧结。
为了达到上述目的,本发明具体采用如下技术方案:
一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量分数计,包括以下组分:13%~28.7%去离子水,70%~85%陶瓷粉末,0.1%~0.5%有机分散剂,0.5%~1.5%有机凝胶,pH值为≤11;所述有机凝胶剂为可得然胶和聚乙烯醇的混合物;所述陶瓷粉末的平均粒径为0.8~8.5μm。
将所述水基3D打印陶瓷浆料进行二氧化碳激光3D打印得到陶瓷生坯,将所述生坯放入烧结炉中烧结,即得到高致密度、高强度的陶瓷产品。所述水基3D打印陶瓷浆料在二氧化碳激光辐射下,温度升高,水会局部蒸发从而使具有双峰分布的陶瓷粉末聚集固化,同时聚乙烯醇(PVA)与可得然胶形成协同网络结构,将陶瓷粉末限定在聚合物网络中,增加了陶瓷的固化强度。在激光辐射下,浆料液面快速升温,可得然胶在70℃以上就可以形成凝胶。由于可得然胶凝胶网络具有保水性能,可得然胶凝胶过早形成的致密网络在一定程度上会阻碍水分的蒸发。而适量加入PVA一方面可以降低可得然胶的密度,使得水的蒸发更快;另一方面,随着局部水的蒸发减少,PVA分子相互缠结形成物理交联网络,由于PVA与可得然胶之间可以形成氢键,彼此形成的网络之间可以产生作用和连接,共同增加了陶瓷粉末的固化强度。
在优选的实施方式中,所述可得然胶的分子量优选60000~77000。所述聚乙烯醇的分子量优选60000-80000。
在优选的实施方式中,所述可得然胶与所述聚乙烯醇的质量比为(1~2):1。
当可得然胶与聚乙烯醇的质量比在(1~2):1范围内时,水的蒸发速度相对较快,更有利于陶瓷粉末的固化成型,且同时能使陶瓷生坯的强度更高。
在优选的实施方式中,所述水基3D打印陶瓷浆料的pH值为8~10。
在优选的实施方式中,所述陶瓷粉末的粒径呈双峰分布。
粒径呈双峰分布的陶瓷粉末具有更大的比表面积和更高的堆积密度,因此在烧结过程中可以吸收更多的能量形成更宽的致密熔道,使得烧结的陶瓷产品的性能更好。
在进一步优选的实施方式中,双峰峰位分别位于0.4~0.6μm和2~8μm之间,两种粒径的陶瓷粉末的质量比为(3:7)~(3:2)。
在优选的实施方式中,所述有机分散剂为聚丙烯酸铵或/和聚甲基丙烯酸铵。所述聚丙烯酸铵的分子量优选3000~4500。所述聚甲基丙烯酸铵的分子量优选3000~4500。
在优选的实施方式中,所述陶瓷粉末为氧化铝。
本发明还提供上述任一项所述的水基3D打印陶瓷浆料的制备方法,包括以下步骤:
S1、将所述有机分散剂、所述可得然胶加入所述去离子水中,混合均匀得到悬浮液A;
S2、将所述陶瓷粉末分批次加入到所述悬浮液A中,混合均匀后调节pH≤11,得到悬浮液B;
S3、向所述悬浮液B中加入所述聚乙烯醇,混合均匀,得到浆料C;将所述浆料C除泡,得到所述水基3D打印陶瓷浆料。
在优选的实施方式中,步骤S2中调节pH=8~10。
在优选的实施方式中,步骤S2中,当所述悬浮液B中最终固含量<80%时,所述陶瓷粉末按照其总用量的50wt%、25wt%、25wt%的比例分三次加入所述悬浮液A中;当所述悬浮液B中最终固含量≥80%时,所述陶瓷粉末按照其总用量的50wt%、25wt%、12.5wt%、12.5wt%的比例分四次加入所述悬浮液A中。
在进一步优选的实施方式中,步骤S2中,每次加完所述陶瓷粉末后,以300~350rpm的速度将得到的混合物球磨1小时;最后一次加完所述陶瓷粉末后,以300~350rpm的速度将得到的混合物球磨10~24小时。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明提供的陶瓷浆料中采用可得然胶和聚乙烯醇的混合物作为有机凝胶剂,大幅度减少了有机物的使用量,同时还能提高陶瓷产品的强度。
(2)本发明提供的陶瓷浆料中添加的有机物分子量大,没有挥发性,不会产生大量挥发性有机气体以致工业生产过程中的安全和环保负担增加。陶瓷浆料中有机物总含量低于3wt%,可以省去脱脂工序,直接将3D打印得到的陶瓷生坯进行烧结得到陶瓷产品。在减少工序、提高生产效率和减少能耗的同时,还不会影响陶瓷产品的质量,不会导致陶瓷产品开裂、鼓包等缺陷。
(3)本发明的陶瓷浆料中采用粒径具有双峰分布的陶瓷粉末,在合适的pH范围内,在高分子有机物的协同作用下,能够使陶瓷浆料具有高固含量的同时具有更低的粘度。
具体实施方式
以下内容结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,以使本领域技术人员能够充分地理解本发明。显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分优选的实施例,而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下,对以下实施方式所作的任何等效变换或替代,均属于本发明的保护范围之内。
以下实施例中提供一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量分数计,包括以下组分:13%~28.7%去离子水,70%~85%陶瓷粉末,0.1%~0.5%有机分散剂,0.5%~1.5%有机凝胶,pH值为8~10;所述有机凝胶剂为可得然胶和聚乙烯醇的混合物;所述陶瓷粉末的平均粒径为0.8~8.5μm。
所述可得然胶的分子量为60000~77000,纯度≥99%。所述聚乙烯醇的分子量为60000-80000。
所述陶瓷粉末为氧化铝。
所述陶瓷粉末的粒径呈双峰分布。双峰峰位分别位于0.4~0.6μm和2~8μm之间,两种粒径的陶瓷粉末的质量比为(3:7)~(3:2)。
所述有机分散剂为聚丙烯酸铵或/和聚甲基丙烯酸铵。所述聚丙烯酸铵的分子量优选3000~4500。所述聚甲基丙烯酸铵的分子量为3000~4500。
以下实施例中所使用的原料均为可商业购买的本领域技术人员所熟知的常见原料。
实施例1
本实施例提供了一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量百分比计,包括以下组分:0.3%聚丙烯酸铵(分子量为4000),0.5%可得然胶(分子量为70000),0.5%聚乙烯醇(分子量为80000),28.7%去离子水,70%氧化铝粉,pH=9。所述氧化铝粉的粒径呈双峰分布,其中一个峰值在0.4~0.6μm之间,另一个峰值在3~5μm之间,两种粒径的氧化铝粉的质量比为1:1。
所述水基3D打印陶瓷浆料的制备方法包括以下步骤:
S1、将聚丙烯酸铵、可得然胶依次加入到去离子水中,放入球磨机中以310rpm的速度球磨2小时得到悬浮液A。
S2、将氧化铝粉按照其总用量的50wt%、25wt%、25wt%的比例分三次加入到悬浮液A中;第一次和第二次每次加完后分别将得到的混合物以300rpm的速度球磨1小时,第三次加完后以350rpm的速度球磨12小时。球磨结束后,继续用0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至9,得到悬浮液B。
S3、向悬浮液B中加入聚乙烯醇,以310rpm的速度球磨0.5小时,得到浆料C;将浆料C进行真空除泡,得到所述水基3D打印陶瓷浆料。
实施例2
本实施例提供了一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量百分比计,包括以下组分:0.5%聚甲基丙烯酸铵(分子量为4500),1.0%可得然胶(分子量为77000),0.5%聚乙烯醇(分子量为60000),13%去离子水,85%氧化铝粉,pH=8。所述氧化铝粉的粒径呈双峰分布,其中一个峰值在0.4~0.6μm之间,另一个峰值在2~4μm之间,两种粒径的氧化铝粉的质量比为3:7。
所述水基3D打印陶瓷浆料的制备方法包括以下步骤:
S1、将聚甲基丙烯酸铵、可得然胶依次加入到去离子水中,放入球磨机中以310rpm的速度球磨2小时得到悬浮液A。
S2、将氧化铝粉按照其总用量的50wt%、25wt%、12.5wt%、12.5wt%的比例分四次加入到悬浮液A中;第一次、第二次和第三次每次加完后分别将得到的混合物以340rpm的速度球磨1小时,第四次加完后以300rpm的速度球磨24小时。球磨结束后,继续用0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至8,得到悬浮液B。
S3、向悬浮液B中加入聚乙烯醇,球磨1小时,得到浆料C;将浆料C进行真空除泡,得到所述水基3D打印陶瓷浆料。
实施例3
本实施例提供了一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量百分比计,包括以下组分:0.1%聚丙烯酸铵(分子量为3000),0.3%可得然胶(分子量为60000),0.2%聚乙烯醇(分子量为70000),19.4%去离子水,80%氧化铝粉,pH=10。所述氧化锆粉的粒径呈双峰分布,其中一个峰值在0.4~0.6μm之间,另一个峰值在6~8μm之间,两种粒径的氧化铝粉的质量比为2:3。
所述水基3D打印陶瓷浆料的制备方法包括以下步骤:
S1、将聚乙烯亚胺、可得然胶依次加入到去离子水中,混合均匀,放入球磨机中以350rpm的速度球磨1小时得到悬浮液A。
S2、将氧化铝粉按照其总用量的50wt%、25wt%、25wt%的比例分三次加入到悬浮液A中;第一次和第二次每次加完后分别将得到的混合物以350rpm的速度球磨1小时,第四次加完后将得到的混合物以340rpm的速度球磨10小时。球磨结束后,继续用0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至10,得到悬浮液B。
S3、向悬浮液B中加入聚乙烯醇,球磨0.5小时,得到浆料C;将浆料C进行真空除泡,得到所述水基3D打印陶瓷浆料。
实施例4
本实施例提供了一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量百分比计,包括以下组分:0.3%聚丙烯酸铵(分子量为4500),0.5%可得然胶(分子量为70000),0.5%聚乙烯醇(分子量为80000),28.7%去离子水,70%氧化铝粉,pH=11。所述氧化铝粉的D50粒径为8.5μm。
本实施例中陶瓷浆料的制备方法与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供了一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量百分比计,包括以下组分:0.3%聚丙烯酸铵(分子量为4500),0.5%可得然胶(分子量为70000),0.5%聚乙烯醇(分子量为80000),28.7%去离子水,70%氧化铝粉,pH=9。所述氧化铝粉的D50粒径为0.8μm。
本实施例中陶瓷浆料的制备方法与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供了一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量百分比计,包括以下组分:0.3%聚甲基丙烯酸铵(分子量为4000),0.5%可得然胶(分子量为70000),0.5%聚乙烯醇(分子量为80000),28.7%去离子水,70%氧化铝粉,pH=9。所述氧化铝粉的粒径呈双峰分布,其中一个峰值在0.4~0.6μm之间,另一个峰值在3~5μm之间,两个粒径的氧化铝粉的质量比为3:2。
本实施例中陶瓷浆料的制备方法与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供了一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量百分比计,包括以下组分:0.3%聚甲基丙烯酸铵(分子量为3000),0.5%可得然胶(分子量为70000),0.5%聚乙烯醇(分子量为80000),28.7%去离子水,70%氧化铝粉,pH=7。所述氧化铝粉的粒径呈双峰分布,其中一个峰值在0.4~0.6μm之间,另一个峰值在3~5μm之间,两种粒径的氧化铝粉的质量比为1:1。
所述陶瓷浆料的制备方法与实施例1的不同之处在于:步骤S2中调节pH值至7。
对比例1
本对比例提供一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量分数计,包括以下组分:0.3%聚丙烯酸铵(分子量为4000),1%可得然胶(分子量为70000),28.7%去离子水,70%氧化铝粉,pH=9。所述氧化铝粉的粒径呈双峰分布,其中一个峰值在0.4~0.6μm之间,另一个峰值在3~5μm之间,两种粒径的氧化铝粉的质量比为1:1。即与实施例1相比,本对比例中的陶瓷浆料中的有机凝胶剂不包含聚乙烯醇。
本对比例中陶瓷浆料的制备方法与实施例1基本相同,不同之处在于:
S3、将所述悬浮液B以310rpm的速度球磨0.5小时,得到浆料;将浆料进行真空除泡,得到所述水基3D打印陶瓷浆料。
对比例2
本对比例提供一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量分数计,包括以下组分:0.3%聚丙烯酸铵(分子量为4000),1%聚乙烯醇(分子量为80000),28.7%去离子水,70%氧化铝粉,pH=9。所述氧化铝粉的粒径呈双峰分布,其中一个峰值在0.4~0.6μm之间,另一个峰值在3~5μm之间,两种粒径的氧化铝粉的质量比为1:1。即与实施例1相比,本对比例中的陶瓷浆料中的有机凝胶剂不包含可得然胶。
本对比例中陶瓷浆料的制备方法与实施例1基本相同,不同之处在于:
S1、将聚丙烯酸铵加入到去离子水中,放入球磨机中以310rpm的速度球磨2小时得到悬浮液A。
对比例3
本对比例提供一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量分数计,包括以下组分:0.3%聚丙烯酸铵(分子量为4000),0.8%可得然胶(分子量为70000),0.2%聚乙烯醇(分子量为80000),28.7%去离子水,70%氧化铝粉,pH=9。所述氧化铝粉的粒径呈双峰分布,其中一个峰值在0.4~0.6μm之间,另一个峰值在3~5μm之间。即与实施例1相比,本对比例中的陶瓷浆料中可得然胶与聚乙烯醇的质量比为4:1。
本对比例中陶瓷浆料的制备方法与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供了一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量百分比计,包括以下组分:0.3%聚丙烯酸铵(分子量为4000),0.5%可得然胶(分子量为70000),0.5%聚乙烯醇(分子量为80000),28.7%去离子水,70%氧化铝粉,pH=9。所述氧化铝粉的D50粒径为0.6μm。
本对比例中陶瓷浆料的制备方法与实施例1相同。
对比例5
本对比例提供了一种水基3D打印陶瓷浆料,以质量百分比计,包括以下组分:0.3%聚甲基丙烯酸铵(分子量为3000),0.5%可得然胶(分子量为70000),0.5%聚乙烯醇(分子量为80000),28.7%去离子水,70%氧化铝粉,pH=11.5。所述氧化铝粉的粒径呈双峰分布,其中一个峰值在0.4~0.6μm之间,另一个峰值在3~5μm之间,两种粒径的氧化铝粉的质量比为1:1。
所述陶瓷浆料的制备方法与实施例1的不同之处在于:步骤S2中调节pH值至11.5。
陶瓷浆料性能测试
参照ISO 19613-2018《Fine ceramics(advanced ceramics,advanced technicalceramics)-Measurement of viscosity of ceramic slurry by use of a rotationalviscometer》中的方法测定实施例1~7和对比例1~5中制备的陶瓷浆料的粘度。将实施例1~7和对比例1~5中制备的陶瓷浆料分别按照以下方法打印成生坯和烧结,然后参照GB/T4741-1999《陶瓷材料抗弯强度试验方法》中的方法测定生坯样条的抗弯强度和陶瓷产品的抗弯强度。实施例1~7和对比例1~5的陶瓷浆料的性能测定结果见表1。
将该陶瓷浆料进行二氧化碳激光3D打印得到陶瓷生坯,具体方法如下:采用60W的二氧化碳激光以2000mm/s扫描速度扫描浆料表面,固化形成厚度为150μm的薄层,每扫描完一层,打印平台下降相应的层高,直至打印完所需模型的最后一层,即可得到所需生坯,最后平台升至初始位置,取下生坯。
将打印出的生坯放入烧结炉中,按照以下程序进行烧结:以0.5℃/min的升温速率从25℃升温至100℃,在100℃保温0.5小时;以0.5℃/min的升温速率从100℃升温至420℃,在420℃保温0.5小时;以0.5℃/min的升温速率从420℃升温至600℃,在600℃保温0.5h;以1℃/min升温速率从600℃升温至1650℃,在1650℃保温2h;以3℃/min的降温速率从1650℃降温至30℃;最终得到高致密度、高强度的陶瓷产品。
由于3D打印过程中需要用刮刀刮平浆料,因此浆料的粘度要≤10Pa·s;生坯的强度过低(<2.0MPa),取下生坯时容易弄坏样品,因此生坯的强度≥2.0MPa,更便于移位操作。
表1实施例和对比例制备的陶瓷浆料的性能测试结果
浆料粘度(Pa·s) 陶瓷产品的抗弯强度(MPa) 生坯样条的抗弯强度(MPa)
实施例1 3 442 2.5
实施例2 8 460 2.6
实施例3 6 450 2.4
实施例4 2 380 2.0
实施例5 10 480 2.5
实施例6 6 452 2.5
实施例7 4 440 2.4
对比例1 2 440 1.8
对比例2 4 440 1.5
对比例3 2 445 1.9
对比例4 11 / /
对比例5 4 435 1.3
表1中“/”表示数据无法测定。从表1中可以看出,对比例1和对比例2与实施例1相比,当陶瓷浆料中的有机凝胶剂只有单一的可得然胶或单一的聚乙烯醇时,相同的扫描参数下得到的陶瓷生坯的强度明显降低。对比例3与实施例1相比,当可得然胶与聚乙烯醇的质量比超过2:1时,相同的扫描参数下得到的陶瓷生坯的强度也有所下降。当陶瓷粉末的粒径小于0.8μm时,得到的陶瓷浆料的粘度过高,导致刮刀无法刮平浆料而无法进行3D打印得到合格的生坯,因而无法测量生坯和陶瓷产品的强度。在制备陶瓷浆料的过程中,当步骤S2中的pH值超过11时,由于可得然胶的凝胶过程受到影响,导致陶瓷生坯的强度大幅度下降。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明的保护范围。对于任何熟悉本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。任何依据本发明申请保护范围及说明书内容所作的简单的等效变化和修饰,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水基3D打印陶瓷浆料,其特征在于,以质量分数计,包括以下组分:13%~28.7%去离子水,70%~85%陶瓷粉末,0.1%~0.5%有机分散剂,0.5%~1.5%有机凝胶剂,所述水基3D打印陶瓷浆料的pH值为8~10;所述有机凝胶剂为可得然胶和聚乙烯醇的混合物,所述可得然胶与所述聚乙烯醇的质量比为(1~2):1;所述陶瓷粉末的平均粒径为0.8~8.5μm,所述陶瓷粉末的粒径呈双峰分布,双峰峰位分别位于0.4~0.6μm和2~8μm,两种粒径的陶瓷粉末的质量比为(3:7)~(3:2)。
2.根据权利要求1所述的水基3D打印陶瓷浆料,其特征在于,所述有机分散剂为聚丙烯酸铵或/和聚甲基丙烯酸铵。
3.根据权利要求1所述的水基3D打印陶瓷浆料,其特征在于,所述陶瓷粉末为氧化铝。
4.权利要求1~3任一项所述的水基3D打印陶瓷浆料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将所述有机分散剂、所述可得然胶加入所述去离子水中,混合均匀得到悬浮液A;
S2、将所述陶瓷粉末分批次加入到所述悬浮液A中,混合均匀后调节pH至8~10,得到悬浮液B;
S3、向所述悬浮液B中加入所述聚乙烯醇,混合均匀,得到浆料C;将所述浆料C除泡,得到所述水基3D打印陶瓷浆料。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤S2中,当所述悬浮液B中最终固含量<80%时,所述陶瓷粉末按照其总用量的50wt%、25wt%、25wt%的比例分三次加入所述悬浮液A中;当所述悬浮液B中最终固含量≥80%时,所述陶瓷粉末按照其总用量的50wt%、25wt%、12.5wt%、12.5wt%的比例分四次加入所述悬浮液A中。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤S2中,每次加完所述陶瓷粉末后,以300~350rpm的速度将得到的混合物球磨1小时;最后一次加完所述陶瓷粉末后,以300~350rpm的速度将得到的混合物球磨10~24小时。
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