一种锂皂石改性3D打印陶瓷泥料及其制备方法与流程

本发明属于陶瓷制造技术领域，尤其涉及一种锂皂石改性3D打印陶瓷泥料。同时，本发明还涉及锂皂石改性3D打印陶瓷泥料的制备方法。

背景技术：

传统的陶瓷制作过程包括淘泥、摞泥、拉坯、印坯、画坯、上釉、烧窑成瓷等工序，制作工程复杂，尤其是拉坯（胎体成型）需要大量的手工操作，工序繁琐复杂，产品质量波动大不稳定。

以龙泉青瓷为例，龙泉青瓷明如镜、薄如纸、声如磬品种繁多，造型生动，釉色苍翠，有很高的实用和艺术价值，梅子青与粉青更是青瓷中的极品，在我国陶瓷史上占有十分重要的地位。传统的龙泉青瓷种的生产工艺中胎体成型工艺较为困难，并且限制瓷器的造型和艺术设计，主要由于用于制作胚胎的泥料流动性、可塑性较差，支撑能力、抗变形开裂能力不高，胎体成型工序繁多而且容易坍塌，严重制约了陶瓷的发展。

现有一些公司，为了降低生产成本、减少制作工序、便于工业化大规模生产，利用3D打印技术（增材制造技术）生产制作龙泉青瓷制品，所述3D打印技术是增材制造技术中的一种，属于“快速成型技术”，其基本原理是根据要打印的物体形状，一层一层往上加材料来制造产品。采用3D打印技术成型龙泉青瓷，简化了青瓷胎体成型工艺，具有出色的工艺灵活性以及制作精细结构与复杂青瓷造型的可控性。另外，龙泉青瓷3D打印是一种成本低廉、环境友好的技术，材料是按需沉积，这个特性将最大限度地消除材料浪费，也有利于节约青瓷瓷土资源降低成本。但是陶瓷材料的3D打印技术也存在传统龙泉青瓷泥料塑性不足，或者无法固化，很难做到既满足流动性能顺利挤出后又满足堆积数层后坯体还能稳定的要求等问题。

技术实现要素：

针对上述现有3D打印陶瓷泥料存在的塑性、成型稳定性较差等问题，提供了一种锂皂石改性3D打印陶瓷泥料，其在陶瓷胎体的制作过程中具有较高的可塑性、并且能够减少胎体变形、开裂现象的发生。本发明还提供一种锂皂石改性3D打印陶瓷泥料的制备方法，该方法能够快速有效制备符合要求的泥料。

根据本发明一种合成锂皂石改性3D打印陶瓷泥料，包括龙泉青瓷泥料，按重量份数，所述龙泉青瓷泥料包括0.5-3份锂皂石。

本发明通过对常规的或者常用的龙泉青瓷泥料添加0.5%～3%的锂皂石进行改性，由于锂皂石极小的晶粒尺寸、高的比表面积，在水中具有良好的分散性，增强了泥料与其它粉体颗粒的连接，提高泥料塑性，在低剪切速率下，表观粘度成倍增加，提高静止状态下泥料成型的稳定性，在高剪切速率下表观粘度与普通泥料一致；另外，随着锂皂石成分的增加烧成胎体的强度和致密性都比原始胎体更高。

进一步地，其按重量份数，所述龙泉青瓷泥料还包括70-73份龙泉青瓷胎体干粉、25-29份水。水含量控制在25-29份，使得泥料软硬适宜，易于成型，同时也有利于锂皂石发挥较佳的改性作用。

进一步地，所述锂皂石为1-2份，使得胎体的强度和吸水率达到较优的效果。

进一步地，所述锂皂石为1.5-2份，胎体抗弯强度最优，并能够利用3D打印技术成功打印出完整的悬垂表现标准模型。

进一步地，所述水含量为27份。含水量27%的龙泉青瓷胎体泥料流动性、成型能力较佳，更适于用于流变性能测试以及3D打印直写成型。

进一步地，所述锂皂石为人工合成的含锂、镁、硅的层状硅酸盐粘土类物质，其结构由上下两层硅氧四面体中间夹一层镁氧八面体构成，在镁八面体中一部分二价Mg2+被一价Li+置换，氢氧根离子可用氟离子所置换，形成[Si8(Mg5.34Li0.66)O20(OH/F)4]Na0.66的结构式。锂皂石本身为浅色、质地润滑，不会给打印陶瓷带来异样的色彩，可以与陶瓷泥料能均匀稳定复合。

进一步地，龙泉青瓷胎体干粉由以下重量份数的材料组成：宝溪瓷土36份，大窑瓷石41份，黄石玄14份，龙泉紫金土2份，氧化铝粉6份，石英粉1份。通过混合得到的龙泉青瓷胎体干粉使得烧制成型的瓷器明如镜、薄如纸、声如磬，釉色如冰似玉，品质优良。

根据本发明提供的锂皂石改性3D打印陶瓷泥料制备方法，包括以下步骤：在高速搅拌机中，首先将锂皂石与水高速分散至胶体，随后加入龙泉青瓷胎体干粉低速混合均匀，最后利用真空练泥机将泥料除泡后制得。锂皂石先制成胶体可以使锂皂石胶化彻底，混合后分布均匀，如果锂皂石干粉与陶瓷干粉直接混合部分锂皂石颗粒出现胶化不充分，通过真空练泥机将泥料中的气泡挤出后，泥料质地均匀，成形性能好，同时避免3D打印时泥料挤出后泥料内的气泡爆炸，破坏打印体。

进一步地，龙泉青瓷胎体干粉制备为按粉状胎体原料：球石：水=1:2:0.8的比例进行高速球磨10min，再通过200目筛后，经110℃烘干获得。

进一步地，所述龙泉青瓷胎体干粉的平均粒径<1微米。

附图说明

图1为锂皂石添加量对泥料粘度的影响数据图；

图2为锂皂石加入量对陶瓷抗弯强度的影响数据图；

图3为锂皂石添加入量对陶瓷吸水率的影响数据图；

图4为龙泉青瓷胎体样品的断面微观形貌图；

图5为龙泉青瓷胎体样品X射线衍测试图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1

制备龙泉青瓷胎体干粉，首先为选用龙泉青瓷胎体原料，制作传统的龙泉青瓷胎体原料。胎体原料进行磨粉烘干，具体为按粉状胎体原料：球石：水=1:2:0.8的比例进行高速球磨10min，再通过200目筛后，经110℃烘干获得。获得龙泉青瓷胎体原料分体。

在一些实施例中，胎体原料由以下重量份数的材料组成：宝溪瓷土36份，大窑瓷石41份，黄石玄14份，龙泉紫金土2份，氧化铝粉6份，石英粉1份；在另一些实施例中，对龙泉青瓷胎体原料粉体也可以由平均粒径<1μm，在高速搅拌的机器中，加入水和锂皂石高速搅拌分散制备人工合成锂皂石凝胶。

将龙泉青瓷胎体原料粉体73份、去离子水27按比例混合制作无锂皂石改性的泥料作为泥料样品1；

实施例2

将龙泉青瓷胎体原料粉体72份、锂皂石凝胶1份、去离子水27按比例混合制备泥料样品2。

实施例3

与实施例1不同，将龙泉青瓷胎体原料粉体71.5份、锂皂石凝胶1.5份、去离子水27按比例混合制备泥料样品3。

实施例4

与实施例1不同，将龙泉青瓷胎体原料粉体71份、锂皂石凝胶2份、去离子水27按比例混合制备泥料样品4。

实施例5

与实施例1不同，将龙泉青瓷胎体原料粉体70份、锂皂石凝胶2.5份、去离子水27按比例混合制备泥料样品5。

取实施例1-5制作的样品分别进行流变性测试、直写成型测试、抗弯强度测试、吸水率测试、SEM测试、相组成测试，一下为具体测试结果和相应的分析：

取泥料样品1-5的利用真空练泥机将泥料除泡后，配制成含水量27%的龙泉青瓷胎体泥料，用于流变性能测试以及直写成型标准模型打印。

（1）流变性测试。

本实验采用安东帕PhysicaMCR301平板测试流变仪测定改性泥料的粘度曲线。粘度曲线测试时，温度为25°C，剪切速率为0.1-100/s，测得数据绘制图1。

锂皂石在水中具有良好的分散性，可以形成无色透明具有粘性的胶体分散系。在分散体系中，不同颗粒的表面与侧边之间相互吸引，形成边面、边边缔合结构，使颗粒互相联结，并通过范德华力作用强化，形成“卡片房子”式的三维空间网格结构。通常在水中添加2％的含量会形成高触变性的凝胶，是种典型的触变性凝胶。在高剪切力的作用下，这种凝胶结构被破坏，呈现出粘度较低的状态。而在低剪切力或者静置状态下，片层布朗运动使得凝胶又迅速形成。

从图1可看出，未加锂皂石修饰的泥料随着剪切速率的增加，泥料的粘度降低，表现为假塑性流体的特性。在泥料中加入不同量的锂皂石，与纯泥料相比，体系在低剪切速率条件下的粘度显著增加，有利于提高泥料静止状态下的稳定性。虽然泥料体系的粘度值会随锂皂石含量增加而升高，但所有共混料的流动曲线均表现出与纯泥料相似的行为趋势，即粘度随着剪切速率的增加而减小，呈现剪切变稀的现象，符合假塑性流体的特性。这一特性有助于保证泥料在输运过程中的流动性，提高打印后结构的稳定性。

（2）直写成型测试。

采用龙泉市金宏瓷业有限公司TN4050型直写成型3D打印机，打印悬垂表现标准模型。打印头直径1.6mm，打印速度为2mm/s。

不添加锂皂石的样品由于可塑性较差，打印过程中不稳定，粘度不足，出现了坍塌。在原泥料中添加少量（1.5%,2%）增塑性强的锂皂石的样品，大幅提升在静止状态下的稳定性，成功打印出完整模型。这是由于锂皂石的结构是由两层硅氧四面体和一层镁氧八面体构成，对水具有很强的亲和力，吸水膨胀而破坏其层间结构，分散成很细小的凝胶粒子，因而具有很强的可塑性能，对青瓷泥料增塑作用显著。

取泥料样品1-5的用于测试样品的烧结特性、力学性能、物相组成及显微结构，通过搅拌配制成65%固含量的注浆料，在干燥的石膏模具中浇筑成尺寸为10×10×100mm的条状标准样条，其中锂皂石（按干粉量计算）的掺入量分别为0、1%、1.5%、2%、2.5%质量分数。样品从模具中取出干燥后，在1300°C的还原气氛中烧制成型，缓慢降温后取出。

（3）抗弯强度测试。

采用湖南省湘潭仪器有限公司工程陶瓷抗折弯综合仪（SGW-30T）对样品三点弯曲抗折强度进行测试，样品表面磨平，跨距取55mm，加载速率为0.02mm/s，抗弯强度测试数据绘制图2。

从图2可以看出，锂皂石的加入没有降低胎体的抗弯强度，随着锂皂石加入量增加，抗弯强度逐渐提高，超过2%后才强度才有所下降，但依然有利于胎体强度提高。

（4）吸水率测试。

从图3可看出，随着锂皂石添加量的增加，吸水率出现明显下降，说明胎体致密性提高，与胎体抗弯强度的增加一致。

（5）SEM测试。

采用SU-8010（Hitachi，Japan）场发射电子显微镜烧成后龙泉青瓷胎体样品的断面微观形貌，如图4所示，0%,1%,1.5%,2%样品断面的扫描电镜照片。从图4(a)～(d)中均可以观察到断面上存在着均匀分布针状莫来石晶粒，莫来石晶粒分布、多少是机械强度等决定因素，图4(b，c，d)中与图4(a)相比针状莫来石更为细密，因而添加一定量的锂皂石的胎体强度有所提高。

（6）相组成测试。

采用XRD-6000型X射线衍射仪（Shimadzu，Japan）对样品的结构和组成进行了分析，如图5所示，从图中可以看出，原始胎体的主要晶相为二氧化硅和莫来石。加入1%，1.5%，2%的锂皂石后，图谱未发生明显变化，这说明锂皂石的加入基本没有影响胎体的主要晶体组成。

本发明通过控制变量测得在龙泉青瓷胎体干粉添加1-3份锂皂石具有对龙泉青瓷泥料的流变性、直写成型能力具有显著的提高，并且显著提高烧结后胎体的抗弯强度、降低其吸水率。在常规的龙泉青瓷泥料的制作中，水的含量对泥料的成型能力的影响一般与其他添加剂（如锂皂石）的关系不大，而烧结成型的胎体的性质一般不受水分的含量影响。因此水的含量控制在25-29份是龙泉青瓷泥料的常用含量，因此也适用于本发明，并不会影响 1-3份锂皂石对泥料的改性作用。