一種用于3d打印的低密度陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新材料領(lǐng)域，具體涉及一種用于3D打印的低密度陶瓷材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 3D打印，又被稱作為增材制造，是快速成型技術(shù)的一種，被譽(yù)為"第三次工業(yè)革命" 的核心技術(shù)。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印不需要事先制造模具，不必在制造過程中去除大 量的材料，也不必通過復(fù)雜的鍛造工藝就可以得到最終產(chǎn)品，因此，在生產(chǎn)上可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu) 優(yōu)化、節(jié)約材料和節(jié)省能源。3D打印技術(shù)適合于新產(chǎn)品開發(fā)、快速單件及小批量零件制造、 復(fù)雜形狀零件的制造、模具的設(shè)計(jì)與制造等，也適合于難加工材料的制造、外形設(shè)計(jì)檢查、 裝配檢驗(yàn)和快速反求工程等。因此，3D打印產(chǎn)業(yè)受到了國(guó)內(nèi)外越來越廣泛的關(guān)注，將成為下 一個(gè)具有廣闊發(fā)展前景的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。
[0003]中國(guó)專利公開號(hào)為CN 104446392A公開了一種用于3D打印的摻f丐無機(jī)納米復(fù)合材 料及其制備方法，該用于3D打印的摻鈣無機(jī)納米復(fù)合材料，以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)，包括:73-80% 的陶瓷前驅(qū)體粉末、5-10 %的納米粉末增強(qiáng)材料、2-5 %的鈣粉、2-5 %的表面活性劑、2-5 % 的有機(jī)溶劑、1-4 %無機(jī)粘結(jié)劑、5-10 %的低溫固化劑，納米粉末增強(qiáng)材料的粒徑為20-200 納米。該方法采用表面活性劑對(duì)納米粉末實(shí)施解團(tuán)聚處理，使得納米粉末具備優(yōu)異的分散 性，將其添加入陶瓷前驅(qū)體粉末中，可以提高陶瓷致密度及強(qiáng)度，并進(jìn)一步提升產(chǎn)品韌性； 無機(jī)混合粉末、無機(jī)粘結(jié)劑及低溫固化劑相互協(xié)同配合，在低溫下即可快速粘結(jié)，但是該發(fā) 明原材料使用大量粉末，使得制得的復(fù)合材料加工流動(dòng)性差，易堵塞打印機(jī)噴頭。
[0004] 中國(guó)專利公開號(hào)為CN 103937278A公開了一種3D打印木塑復(fù)合材料及其制備方 法，該3D打印材料是由天然植物纖維、聚烯烴塑料、礦物填料和加工助劑組成，其重量份組 成如下：植物纖維為100~150份，聚烯烴塑料125~175份，礦物填料20~30份，偶聯(lián)劑1~5 份，分散劑10~15份，潤(rùn)滑劑5~10份，增韌劑15~20份。本發(fā)明的制備方法在于，植物纖維 粉碎烘干后經(jīng)加工助劑改性，然后與聚烯烴料粒共混，混合料用雙螺桿造粒機(jī)造出母粒，母 粒與聚烯烴按一定質(zhì)量比混合，用雙螺桿擠出機(jī)擠出、拉絲、繞盤，該發(fā)明制備的3D打印材 料具備木質(zhì)品的外觀和木塑材料的加工特性，適用范圍廣，但是該發(fā)明制備的3D打印材料 力學(xué)性能較差。
[0005] 中國(guó)專利公開號(hào)為CN 103980593A公開了一種改性高密度聚乙烯3D打印成型材料 及其制備方法，該方法重量份組成如下：按重量份計(jì)60份高密度聚乙烯，10-50份滑石粉， 20-25份碳酸鈣，10-50份硅灰石，10-15份的碳納米管，0.1-0.5份的抗氧劑，0.1-0.5份硅烷 偶聯(lián)劑。本發(fā)明的改性高密度聚乙烯材料具有高的拉伸強(qiáng)度和較好的沖擊韌性，可以提高 高密度聚乙烯的應(yīng)用價(jià)值，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，使高密度聚乙烯材料更加符合3D打印材料的 特點(diǎn)，但是該發(fā)明制備的3D打印材料密度較高，應(yīng)用受限。
[0006] 隨著3D打印技術(shù)的高速發(fā)展，3D打印材料作為3D打印技術(shù)中的重要組成部分也越 加收到重視，而目前低密的3D打印陶瓷材料的很少，大大限制了3D打印材料的選擇，因此， 開發(fā)一種適用于3D打印的低密度陶瓷材料，對(duì)促進(jìn)3D打印的發(fā)展，豐富3D打印材料具有重 要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的：為了豐富3D打印材料種類，本發(fā)明提供一種用于3D打印的低密度陶 瓷材料，其流動(dòng)性好，密度低，耐磨，耐腐蝕，力學(xué)性能優(yōu)異且生態(tài)環(huán)保，為3D打印材料提供 更多的選擇。
[0008] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案:為了解決上述問題，提供了一種用于3D打印的低密度陶 瓷材料，由包含多孔輕質(zhì)碳酸鈣和楊木粉的以下材料以重量份為單位組成： 聚乙烯 40-50 多孔輕質(zhì)碳酸鈣 35-45 楊木粉 10-20 石墨 1.0_2.5 硅烷偶聯(lián)劑 0.8-1.6 鋁酸酯 0.2-0.4。
[0009] 進(jìn)一步地，所述聚乙烯為低密度聚乙烯、線性低密度聚乙烯中的一種或多種。
[0010] 進(jìn)一步地，所述多孔輕質(zhì)碳酸鈣為輕質(zhì)多孔球形碳酸鈣，粒徑介于1微米和10微米 之間，孔徑介于50納米和200納米之間，孔隙率介于50%和60%之間。
[0011] 進(jìn)一步地，述楊木粉細(xì)度介于1000目和5000目之間，含水率低于5%。
[0012] 進(jìn)一步地，所述石墨為片狀石墨，粒徑介于100納米和200納米之間，徑厚比介于 10:1和20:1之間，經(jīng)由十六烷基三甲基溴化銨改性處理。
[0013] 上述用于3D打印的低密度陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟： (1) 將重量份為35_45的碳酸|丐，重量份為10-20的楊木粉，重量份為1.0-2.5的石墨，重 量份為0.8-1.6的硅烷偶聯(lián)劑和重量份為0.2-0.4的鋁酸酯在常溫下的高速攪拌機(jī)中進(jìn)行 混合攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速240-300rpm，攪拌時(shí)間30分鐘，得到改性的多孔輕質(zhì)碳酸|丐和楊木粉； (2) 將步驟(1)得到的改性的多孔輕質(zhì)碳酸鈣和楊木粉加入重量份為40-45,加熱溫度 130°C下熔融的聚乙烯中，加入過程中進(jìn)行攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速300-400rpm，攪拌時(shí)間45-60分 鐘，得到混合均勻的聚乙烯復(fù)合材料； (3) 將步驟(2)得到的混合均勻的聚乙烯復(fù)合材料送入長(zhǎng)徑比為36:1的雙螺桿擠出機(jī) 中擠出造粒，擠出機(jī)轉(zhuǎn)速為100-120rpm，擠出機(jī)各段溫度為:加料段130-140°C、熔融段140-150°C、混煉段150-155°C、排氣段150-145°C、均化段145-135°C;制得所需用于3D打印的低 密度陶瓷材料。
[0014] 本發(fā)明的原理:利用輕質(zhì)多孔球形碳酸鈣的優(yōu)異力學(xué)性能和流動(dòng)性能，利用楊木 粉的密度小、價(jià)格低、生態(tài)環(huán)保，以及片狀石墨的流動(dòng)性和力學(xué)性能，與聚乙烯混合擠出造 粒，制得具有密度小、流動(dòng)性好、力學(xué)性能優(yōu)異的用于3D打印的低密度陶瓷材料，豐富了 3D 打印材料中陶瓷材料的種類，為3D打印材料提供更多選擇。另一方面利用聚乙烯的熱塑加 工性和熔融狀態(tài)下的流動(dòng)性，使得制得的3D打印低密度陶瓷材料在加熱狀態(tài)下具備流動(dòng) 性，冷卻狀態(tài)下也可以快速固化成型，完全滿足熔融沉積和3D打印的要求。在利用熔融沉積 3D打印設(shè)備打印該低密度陶瓷材料時(shí)，位于打印頭的加熱設(shè)備可以使材料熔融從而具備流 動(dòng)性;在材料打印離開打印頭后，環(huán)境溫度下降，材料中的聚乙烯快速冷卻固化成型。
[0015] 本發(fā)明突出特點(diǎn)和有益效果在于： (1) 本發(fā)明的用于3D打印的低密度陶瓷材料以聚乙烯、多孔輕質(zhì)碳酸鈣和楊木粉為主 要原料，密度小、綠色環(huán)保； (2) 本發(fā)明的用于3D打印的低密度陶瓷材料流動(dòng)性好，通過改性后的輕質(zhì)多孔球形碳 酸鈣和石墨優(yōu)異的流動(dòng)性，使得用于3D打印的低密度陶瓷材料的流動(dòng)性和力學(xué)性能增強(qiáng)； (3) 本發(fā)明用于3D打印的低密度陶瓷材料的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，安全環(huán)保，具有 較高的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面根據(jù)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明，以下所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí) 施方式，在相同原理下，可以做出部分改進(jìn)，這些改進(jìn)也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)： 實(shí)施例1: 一種用于3D打印的低密度陶瓷材料： (1) 將重量份為35的碳酸鈣，重量份為10的楊木粉，重量份為1.0的石墨，重量份為0.8 的硅烷偶聯(lián)劑和重量份為0.2的鋁酸酯在常溫下的高速攪拌機(jī)中進(jìn)行混合攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速 300rpm，攪拌時(shí)間30分鐘，得到改性的多孔輕質(zhì)碳酸鈣和楊木粉； (2) 將步驟(1)得到的改性的多孔輕質(zhì)碳酸鈣和楊木粉加入重量份為40,加熱溫度130 °C下熔融的低密度聚乙烯中，加入過程中進(jìn)行攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速300rpm，攪拌時(shí)間45分鐘