一种基于水基浆料的3D打印制备多孔陶瓷块体的方法

一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，属于多孔陶瓷材料制备技术领域。


背景技术：

2.多孔陶瓷材料因其低密度、低比热、高比表面积、高渗透性、高强度和硬度、强的尺寸稳定性、高耐磨性和耐腐蚀性，以及优异的化学稳定性等广泛应用于汽车工业、催化剂负载、气/液过滤器等领域。多孔氧化铝作为一种廉价易得、性能良好的多孔陶瓷材料，其有效制备方法正受到广泛研究。传统方式制备多孔氧化铝主要采用压铸成型和浆料铸模成型，制备出的多孔氧化铝陶瓷材料形貌结构简单，难以满足生产生活的需求。
3.3d打印技术因其独特的增材制造工艺常被用于复杂样品的成型。通过3d打印可以自动、快速、精确、直接的将设计思想转化为实物模型，并且3d打印不受模具种类的限制，可以随意更改所需样品的形状、尺寸，大大降低了产品的开发成本。直写型3d打印在多孔陶瓷成型方面已经受到广泛研究，即采用传统打印技术中喷墨的方法，喷头在不与粉末表面直接接触的情况下，有选择性地将粘结剂喷涂到事先设计好的位置上，然后逐层打印，实现复杂形状的成型和三维孔结构的设计。然而，直写型3d打印存在打印速度慢、精度低、粘结剂固化时间长等不足。因此，寻求一种成型速度快、精度高、形貌结构复杂的成型方式，仍然是目前需要重点研究的。


技术实现要素：

4.本发明针对目前较为成熟的3d陶瓷打印技术制备的成型产品密度高、难以制备隔热、隔音等多孔材料的问题，提供一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，由此方法得到的氧化铝陶瓷，形成了气孔率高且可控、孔径均匀分布的大孔结构，且烧结时不翘曲、收缩率低，有利于保持材料的尺寸形状，精确控制多孔陶瓷材料的复杂成型。
5.本发明的技术方案如下：一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，
6.1)配料组成包括：级配氧化铝粉末25-55份、淀粉0-55份、粘结剂15-25份、光引发剂1-2份、分散剂1-4份和溶剂20-35份；
7.2)混合方式：将级配氧化铝粉末、淀粉、粘结剂、光引发剂、分散剂和溶剂进行球磨混合得到光敏浆料；
8.3)采用3d陶瓷打印机，将步骤2)得到的光敏浆料固化成型，得到陶瓷生坯；
9.4)将陶瓷生胚放在管式炉内进行脱脂、烧结，最终得到多孔氧化铝陶瓷。
10.优选地，上述的一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，步骤1)中，所述的粘结剂为peg400da，分散剂为甘油，溶剂为水；光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮。
11.优选地，上述的一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，步骤1)中，所述级配氧化铝粉末的尺寸级配具体为：0.2μm氧化铝200-400份，1-3μm氧化铝600-800份。
12.优选地，上述的一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，步骤2)中，所述的球磨混合的转速150-200转/分钟，球磨时间2-4小时。
13.优选地，上述的一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，步骤4)中，脱脂工艺以0.5-2℃/分钟的升温速率升温至200-650℃，保温时间1-3小时。
14.优选地，上述的一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，步骤4)中，烧结工艺以3-5℃/分钟的升温速率升温至650-1300℃，保温时间2-6小时。
15.本发明的有益效果如下：
16.本发明所述的光敏浆料中含有合理级配的改性氧化铝粉，以致形成均匀可控的孔结构，保证了光敏浆料合适的粘度和光敏特性，且烧结过程中胚体的收缩率小，不易翘曲变形，有利于保持材料的尺寸形状，精确控制多孔陶瓷材料的复杂成型。同时本发明选用淀粉作为造孔剂，淀粉在烧结脱脂过程中被除去，形成了孔径分布均匀、孔隙率高且可调控的微观结构。相对于其他造孔剂而言，采用淀粉作为造孔剂有三点优势，一是与其他有机聚合物相比，淀粉的化学纯度相对较高，一般仅含c、h、o(少量微量元素)元素，烧结过后不会产生残留的副产物；二是不同类型的淀粉粒径大小不同，通过选择不同类型的淀粉可以控制孔的尺寸和形状。三是淀粉颜色较浅，对光敏浆料的透光性影响很小，易于光固化成型。相比传统的模具压铸成型和直写型3d打印成型，通过此方法可以制备出具有复杂形状的多孔氧化铝陶瓷材料，且光固化成型具有成型效率高、成型分辨率高、成型速度快、分辨率高等优点。
17.通过此方法制备的多孔氧化铝陶瓷材料，其孔隙率可通过烧结温度和加入淀粉量进行调节，现有精密成形技术制备的多孔陶瓷材料孔隙率多介于45％到60％之间，而本发明所制备的样品孔隙率可在45-80％之间调节。本发明制备出的多孔氧化铝具有高强度和硬度、强的尺寸稳定性、高耐磨性、耐腐蚀性、耐高温、抗氧化、热膨胀系数小等优点，在汽车工业、催化剂负载、气/液过滤器等、多孔吸声材料、相变封装材料等领域都有广阔的发展前景。
18.同时，本发明所述光敏浆料中原料主要有：淀粉、氧化铝粉、peg400da和水，成本价格低廉、混配方式简单、易于工业化生产，混配得到的光敏浆料保质期长，并能够通过光固化快速成型，可用于大规模制备形状复杂的多孔氧化铝陶瓷材料。
附图说明
19.图1示出了3d打印制备出的陶瓷生胚和烧结处理后的陶瓷块体的光学照片。
20.图2示出了本发明实施例1、2、3所制备的氧化铝的体密度和开放孔隙率的曲线图。
21.图3示出了本发明实施例2、4、5、6、7所制备的氧化铝的体密度和开放孔隙率的曲线图。
具体实施方式
22.以下结合附图和下述实施方式对本发明进行进一步说明，应当理解，附图和下述实施方式仅用于对本发明进行说明，而非限制本发明。
23.实施例1
24.一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，具体包括如下步骤：
25.(a)一种光敏浆料的配置方法，浆料的组成包括(以质量份数计)：55份级配氧化铝粉末(其中0.2μm氧化铝300份，1-3μm氧化铝700份)、18份peg400da、2份甘油作为分散剂、1份光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮，24份水；
26.(b)将(a)中所述的原料进行球磨混合，条件为：转速150转/分钟，球磨时间4小时，得到混合均匀、粘度适中的光敏浆料；
27.(c)采用3d陶瓷打印机，将(b)中所述浆料固化成型，制备复杂形状的陶瓷生胚；
28.步骤(c)中所述打印机的参数设置为：层厚40μm，离型速度1.2mm/s，首层固化时间和固化时间分别为40000ms和8000ms，固化光强60％，刮刀速度10mm/s。
29.(d)将陶瓷生胚放在管式炉内进行脱脂烧结，最终得到多孔氧化铝陶瓷。
30.步骤(d)中所述的脱脂条件为：2℃/分钟的升温速率升温至650℃，保温时间1小时。
31.步骤(d)中所述的烧结条件为：5℃/分钟的升温速率升温至1300℃，保温时间2小时。
32.实施例2
33.一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，具体包括如下步骤：
34.(a)一种光敏浆料的配置方法，浆料的组成包括(以质量份数计)：36.6份级配氧化铝粉末(其中0.2μm氧化铝300份，1-3μm氧化铝700份)、18份peg400da、2份甘油作为分散剂、1份光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、24份水、18.3份淀粉；
35.(b)将(a)中所述的原料进行球磨混合，条件为：转速150转/分钟，球磨时间4小时，得到混合均匀、粘度适中的光敏浆料；
36.(c)采用3d陶瓷打印机，将(b)中所述浆料固化成型，制备复杂形状的陶瓷生胚；
37.步骤(c)中所述打印机的参数设置为：层厚40μm，离型速度1.2mm/s，首层固化时间和固化时间分别为40000ms和8000ms，固化光强60％，刮刀速度10mm/s。
38.(d)将陶瓷生胚放在管式炉内进行脱脂烧结，最终得到多孔氧化铝陶瓷。
39.步骤(d)中所述的脱脂条件为：2℃/分钟的升温速率升温至650℃，保温时间1小时。
40.步骤(d)中所述的烧结条件为：5℃/分钟的升温速率升温至1300℃，保温时间2小时。
41.实施例3
42.一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，具体包括如下步骤：
43.(a)一种光敏浆料的配置方法，浆料的组成包括(以质量份数计)：27.5份级配氧化铝粉末(其中0.2μm氧化铝300份，1-3μm氧化铝700份、18份peg400da，2份甘油作为分散剂、1份光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、24份水、27.5份淀粉；
44.(b)将(a)中所述的原料进行球磨混合，条件为：转速150转/分钟，球磨时间4小时，得到混合均匀、粘度适中的光敏浆料；
45.(c)采用3d陶瓷打印机，将(b)中所述浆料固化成型，制备复杂形状的陶瓷生胚；
46.步骤(c)中所述打印机的参数设置为：层厚40μm，离型速度1.2mm/s，首层固化时间和固化时间分别为40000ms和8000ms，固化光强60％，刮刀速度10mm/s。
47.(d)将陶瓷生胚放在管式炉内进行脱脂烧结，最终得到多孔氧化铝陶瓷。
48.步骤(d)中所述的脱脂条件为：2℃/分钟的升温速率升温至650℃，保温时间1小时。
49.步骤(d)中所述的烧结条件为：5℃/分钟的升温速率升温至1300℃，保温时间2小时。
50.实施例4
51.一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，具体包括如下步骤：
52.(a)一种光敏浆料的配置方法，浆料的组成包括(以质量份数计)：36.6份级配氧化铝粉末(其中0.2μm氧化铝300份，1-3μm氧化铝700份)、18份peg400da、2份甘油作为分散剂、1份光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、24份水、18.3份淀粉。
53.(b)将(a)中所述的原料进行球磨混合，条件为：转速150转/分钟，球磨时间4小时，得到混合均匀、粘度适中的光敏浆料；
54.(c)采用3d陶瓷打印机，将(b)中所述浆料固化成型，制备复杂形状的陶瓷生胚；
55.步骤(c)中所述打印机的参数设置为：层厚40μm，离型速度1.2mm/s，首层固化时间和固化时间分别为40000ms和8000ms，固化光强60％，刮刀速度10mm/s。
56.(d)将陶瓷生胚放在管式炉内进行脱脂烧结，最终得到多孔氧化铝陶瓷。
57.步骤(d)中所述的脱脂条件为：2℃/分钟的升温速率升温至650℃，保温时间1小时。
58.步骤(d)中所述的烧结条件为：5℃/分钟的升温速率升温至1200℃，保温时间2小时。
59.实施例5
60.一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，具体包括如下步骤：
61.(a)一种光敏浆料的配置方法，浆料的组成包括(以质量份数计)：36.6份级配氧化铝粉末(其中0.2μm氧化铝300份，1-3μm氧化铝700份)、18份peg400da、2份甘油作为分散剂、1份光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、24份水、18.3份淀粉；
62.(b)将(a)中所述的原料进行球磨混合，条件为：转速150转/分钟，球磨时间4小时，得到混合均匀、粘度适中的光敏浆料；
63.(c)采用3d陶瓷打印机，将(b)中所述浆料固化成型，制备复杂形状的陶瓷生胚；
64.步骤(c)中所述打印机的参数设置为：层厚40μm，离型速度1.2mm/s，首层固化时间和固化时间分别为40000ms和8000ms，固化光强60％，刮刀速度10mm/s。
65.(d)将陶瓷生胚放在管式炉内进行脱脂烧结，最终得到多孔氧化铝陶瓷。
66.步骤(d)中所述的脱脂条件为：2℃/分钟的升温速率升温至650℃，保温时间1小时。
67.步骤(d)中所述的烧结条件为：5℃/分钟的升温速率升温至1400℃，保温时间2小时。
68.实施例6
69.一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，具体包括如下步骤：
70.(a)一种光敏浆料的配置方法，浆料的组成包括(以质量份数计)：36.6份级配氧化铝粉末(其中0.2μm氧化铝300份，1-3μm氧化铝700份)、18份peg400da、2份甘油作为分散剂、1份光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、24份水、18.3份淀粉；
71.(b)将(a)中所述的原料进行球磨混合，条件为：转速150转/分钟，球磨时间4小时，得到混合均匀、粘度适中的光敏浆料；
72.(c)采用3d陶瓷打印机，将(b)中所述浆料固化成型，制备复杂形状的陶瓷生胚；
73.步骤(c)中所述打印机的参数设置为：层厚40μm，离型速度1.2mm/s，首层固化时间和固化时间分别为40000ms和8000ms，固化光强60％，刮刀速度10mm/s。
74.(d)将陶瓷生胚放在管式炉内进行脱脂烧结，最终得到多孔氧化铝陶瓷。
75.步骤(d)中所述的脱脂条件为：2℃/分钟的升温速率升温至650℃，保温时间1小时。
76.步骤(d)中所述的烧结条件为：5℃/分钟的升温速率升温至1500℃，保温时间2小时。
77.实施例7
78.一种基于水基浆料的3d打印制备多孔陶瓷块体的方法，具体包括如下步骤：
79.(a)一种光敏浆料的配置方法，浆料的组成包括(以质量份数计)：36.6份级配氧化铝粉末(其中0.2μm氧化铝300份，1-3μm氧化铝700份)、18份peg400da、2份甘油作为分散剂、1份光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、24份水、18.3份淀粉。
80.(b)将(a)中所述的原料进行球磨混合，条件为：转速150转/分钟，球磨时间4小时，得到混合均匀、粘度适中的光敏浆料；
81.(c)采用3d陶瓷打印机，将(b)中所述浆料固化成型，制备复杂形状的陶瓷生胚；
82.步骤(c)中所述打印机的参数设置为：层厚40μm，离型速度1.2mm/s，首层固化时间和固化时间分别为40000ms和8000ms，固化光强60％，刮刀速度10mm/s。
83.(d)将陶瓷生胚放在管式炉内进行脱脂烧结，最终得到多孔氧化铝陶瓷。
84.步骤(d)中所述的脱脂条件为：2℃/分钟的升温速率升温至650℃，保温时间1小时。
85.步骤(d)中所述的烧结条件为：5℃/分钟的升温速率升温至1600℃，保温时间2小时。