一种电场辅助分散喷墨3D打印用氧化锆墨水及制备方法

本发明涉及喷墨3d打印氧化锆陶瓷领域，具体涉及一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水及制备方法。

背景技术：

1、喷墨打印是现代印刷中运用最广的技术，也是未来3d打印最有发展前景的打印技术之一。喷墨打印机主要分为连续喷射(continuous-jet)和按需喷射(drop-on-demand,dod)两种模式，为了形成气压脉冲实现液滴的按需喷射，在dod模式下，喷头又可以分为加热喷射和压电喷射两种机制。喷墨3d打印成型技术由于其打印精度高，因此可应用于陶瓷材料，特别是精密陶瓷材料的制备，喷墨打印技术的关键在于打印墨水的制备。对于纳米氧化锆陶瓷材料，由于其粒径较小、密度较高，难以稳定地分散在溶剂中，因此难以制备出高固含量低粘度的喷墨打印氧化锆墨水。

2、在喷墨打印墨水制备过程中要尤为注意以下三点：首先，制备的喷墨打印墨水的稳定性一般较差，在短时间内便可产生较多沉降，沉降会导致墨水中陶瓷固含量的下降，进而影响打印过程中陶瓷的成型，因此需采取措施如添加防沉剂的方式来减少沉降；其次，应控制墨水的干燥过程，若墨水干燥速度过快，则可能会减少墨水的滴落，但墨水也不应过早干燥，从而防止喷墨打印喷头的堵塞；最后，需调整墨水的流变性能，包括墨水的粘度及表面张力等，使其与打印喷头的参数相匹配，来保证可喷射出一致的墨滴。另外后续工作中，还应注意结合打印工艺的改变(液滴打印速度、液滴体积、喷嘴尺寸等)利用激光干涉仪对单个液滴成型的柱状单元进行断层摄影分析，寻找适合的墨水粘度范围以及与之匹配的打印参数。

3、喷墨陶瓷墨水大多用于陶瓷喷绘装饰，用于3d打印陶瓷器件的较少。目前装饰用陶瓷墨水一般采用水基分散体系且固含量较低；而喷墨3d打印陶瓷墨水要求有较高的固含量以保证烧结性能，同时要求有优异的分散稳定性和较好的干燥性能和粘结性能，因此装饰用陶瓷墨水不能直接用于3d打印。

技术实现思路

1、本发明的目的鉴于喷墨打印墨水中纳米陶瓷颗粒分散不彻底，易于沉降造成喷嘴堵塞和烧结强度不高等问题，提供一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水及制备方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水，该电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水的组分包括氧化锆、溶剂、分散剂、防沉剂、表面活性剂、粘结剂及ph调节剂，氧化锆的质量比为30％～60％，溶剂的质量比为35％～65％，分散剂的质量比为0.01～2.0％，防沉剂的质量比为0～0.2％，表面活性剂的质量比为0.01～2.0％，粘结剂的质量比为0.01～2.0％。

4、所述氧化锆的粉体粒径为10～1000nm。

5、所述溶剂为由去离子水与有机溶剂互溶的混合溶剂，所述去离子水与有机溶剂的混合比例在1：9～1：1之间。

6、所述有机溶剂的沸点高于100℃，所述有机溶剂为乙二醇、丙三醇、丁醇、环己酮、糠醇、苯甲醇、二乙二醇甲醚、二乙二醇二乙酯、二乙二醇醋酸酯、乙二醇甲/乙/丙醚中的一种或多种。

7、所述分散剂为离子型高分子分散剂，所述分散剂为bykjet-9133、byk-111、byk-110、byk2062、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、十二烷基苯磺酸钠、司班80、吐温80中的一种或多种。

8、所述防沉剂为气相纳米二氧化硅，粒径为1～10nm。

9、所述表面活性剂的型号为sasol novelutions70。

10、所述粘结剂为热塑性树脂、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。

11、一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水的制备方法，包括以下步骤：

12、(1)制备混合溶剂，按照1：9～1：1的混合比例将去离子水与有机溶剂通过磁力搅拌混合均匀；

13、(2)墨水初混，将30％～60％氧化锆、35％～65％溶剂、0.01～2.0％分散剂放入高速行星搅拌机中混合均匀，高速行星搅拌机的转速为1800r/min，混合时间为30min，再向其中添加0.01～2.0％表面活性剂、0.01～2.0％粘结剂和ph调节剂继续混合；

14、(3)电场辅助超声分散，将步骤(2)中初混的墨水进行超声分散，并向料筒中放入电极辅助分散，超声和电极的电压均为脉冲式；

15、(4)水分搅拌蒸发，将分散好的氧化锆墨水加热至100℃搅拌蒸发，并保温一定时间，去除墨水中部分或全部水分，然后搅拌冷却至室温；

16、(5)墨水过滤，将步骤(4)中的墨水静置24h，然后通过3um的尼龙过滤器过滤，封装保存。

17、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明首先采用高速行星搅拌机对墨水进行初步混匀以及电场辅助超声分散的方式对陶瓷墨水进行分散，利用超声分散的空化作用，打破团聚的大尺寸陶瓷颗粒，利用电场增加双电层效应促进分散，使纳米氧化锆颗粒均匀地分布在溶剂中；另外通过添加气相纳米二氧化硅作为防沉剂，可形成三维网状结构，进一步增强陶瓷墨水的稳定性，减少沉降；最后，通过加热蒸发除去部分或全部水分，达到合适的固含量，并通过调整分散剂及表面活性剂的添加量，可获得适中的粘度和表面张力，制备出符合喷墨3d打印要求的氧化锆墨水。本发明的氧化锆喷墨3d打印墨水固含量在30wt％-60wt％之间，室温下粘度小于20mpa·s，表面张力小于36mn/m，易通过3um尼龙过滤器，上机长时间打印过程中不易堵塞喷嘴且固含量基本保持不变，打印样品烧结后抗弯强度达1000mpa左右；该氧化锆陶瓷墨水解决了喷嘴堵塞问题，喷墨3d打印的氧化锆样品烧结强度符合工业生产需要。

技术特征：

1.一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水，其特征在于：该电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水的组分包括氧化锆、溶剂、分散剂、防沉剂、表面活性剂、粘结剂及ph调节剂，氧化锆的质量比为30％～60％，溶剂的质量比为35％～65％，分散剂的质量比为0.01～2.0％，防沉剂的质量比为0～0.2％，表面活性剂的质量比为0.01～2.0％，粘结剂的质量比为0.01～2.0％。

2.根据权利要求1所述的一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水，其特征在于：所述氧化锆的粉体粒径为10～1000nm。

3.根据权利要求1所述的一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水，其特征在于：所述溶剂为由去离子水与有机溶剂互溶的混合溶剂，所述去离子水与有机溶剂的混合比例在1：9～1：1之间。

4.根据权利要求3所述的一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水，其特征在于：所述有机溶剂的沸点高于100℃，所述有机溶剂为乙二醇、丙三醇、丁醇、环己酮、糠醇、苯甲醇、二乙二醇甲醚、二乙二醇二乙酯、二乙二醇醋酸酯、乙二醇甲/乙/丙醚中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水，其特征在于：所述分散剂为离子型高分子分散剂，所述分散剂为bykjet-9133、byk-111、byk-110、byk2062、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、十二烷基苯磺酸钠、司班80、吐温80中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水，其特征在于：所述防沉剂为气相纳米二氧化硅，粒径为1～10nm。

7.根据权利要求1所述的一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水，其特征在于：所述表面活性剂的型号为sasolnovelutions70。

8.根据权利要求1所述的一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水，其特征在于：所述粘结剂为热塑性树脂、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。

9.一种电场辅助分散喷墨3d打印用氧化锆墨水的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开一种电场辅助分散喷墨3D打印用氧化锆墨水及制备方法，氧化锆墨水的组分包括30％～60％氧化锆、35％～65％溶剂、0.01～2.0％分散剂、0～0.2％防沉剂、0.01～2.0％表面活性剂、0.01～2.0％粘结剂及pH调节剂。本发明所制备的氧化锆喷墨3D打印墨水固含量在30wt％‑60wt％之间，室温下粘度小于20mPa·s，表面张力小于36mN/m，易通过3um尼龙过滤器，上机长时间打印过程中不易堵塞喷嘴且固含量基本保持不变，打印样品烧结后抗弯强度达1000MPa左右；该氧化锆陶瓷墨水解决了喷嘴堵塞问题，喷墨3D打印的氧化锆样品烧结强度符合工业生产需要。

技术研发人员：张海波,王传民,徐坦,马伟刚,谭划,周小坚,陈铭洲,陈士洁,肖建中,张晓东,张顺平,郭新
受保护的技术使用者：广东华中科技大学工业技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15