一種用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的製備的製作方法

2023-10-10 17:26:39 3

本發明涉及一種用於三維印刷（3DP）工藝快速成型粉體材料的製備方法，屬於快速成型的材料領域，特別涉及一種用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的製備方法及成型。

背景技術：

黑陶，誕生於中國新石器時代，古老的漢族制陶技藝，有黑如漆，聲如罄，薄如紙，亮如鏡，硬如瓷的美譽。黑色陶器。出現新石器時代晚期的滇藏文化，大汶口文化、龍山文化、屈家嶺文化和良渚文化等遺址中。黑陶的燒成溫度達1000度左右，黑陶有細泥、泥質和夾砂三種，其中以細泥薄壁黑陶製作水平最高，有「黑如漆、薄如紙」的美稱。這種黑陶的陶土經過淘洗 ，輪制，胎壁厚僅0.5-1毫米，再經打磨，燒成漆黑光亮，有「蛋殼陶」之稱，表現出驚人的技巧，飲譽中外。這時期的黑陶以素麵磨光的最多，帶紋飾的較少，有弦紋、劃紋、鏤孔等幾種。黑陶採用輪制，器形渾圓工整，造型優美，裝飾精巧，具有「黑，薄，光，紐」的藝術特點。

製作工藝，泥土取出後經晾乾，後用紗布過濾製成泥坯，經過手工拉坯造型後，用貝殼反覆壓光，直到陶坯表面密度增加，光滑如鏡。再以特製的雕刻工具運用線雕、淺雕、深雕、鏤空等技法，手工雕刻出絢麗神秘的圖案。然後給黑陶作品安裝耳、環、鼻、腿等配件。製作工藝複雜，費時費力。採用3D列印成型省時省力，產品的精度高等優點。

3D列印是通過模型設計和列印設備把材料逐層堆積成型為三維產品的技術，又稱作增材製造。3D列印融合了數字建模、機電控制、信息技術、材料科學與化學等諸多前沿領域，是「第三次工業革命」的核心技術之一。3D列印技術已在航空航天、生物醫藥、建築、工藝品製造等領域逐步拓寬，其方便快捷、提高材料利用率等優勢不斷顯現，不斷推動傳統製造業的轉型升級。

3D列印材料是3D列印的物質基礎，決定著3D列印的泛用性，也是當前制約3D列印發展的瓶頸。3D列印材料的種類已從最初的高分子材料（ABS、PLA、PC、PVC、光敏樹脂）拓展到金屬（各種合金，應用於航空航天、醫療等高端領域）、陶瓷（各種無機非金屬材料）等。根據成型原理，3D列印用材被限定為粉體狀、絲狀、層片狀、液體狀，它們各自的適應不同的3D列印方式。3D列印粉體材料適用三維印刷工藝（3DP）和選擇性雷射燒結（SLS），目前關於3D列印用粉體材料的製備方法也有相關報導，中國專利201510125390X公開一種3D列印二氧化鋯粉體成型材料的製備方法；中國專利2015101260246公開了一種3D列印快速成型鋯鋁碳陶瓷粉體材料的製備，由於無機非金屬材料具有高強度、高硬度、耐高溫、低密度、化學穩定性好、耐腐蝕等優異特性，在航空航天、汽車、生物等行業有廣泛應用，其在3D列印領域裡的需求量會迅猛增加，因此，選擇性雷射燒結3D列印無機非金屬粉體材料實現商品化具有十分重要意義和廣闊的市場。

三維印刷（3DP）工藝，就是今天的3D列印，是美國麻省理工學院Emanual Sachs等人研製的。E.M.Sachs於1989年申請了3DP（Three-Dimensional Printing）專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形範疇的核心專利之一。3DP工藝與SLS工藝類似，採用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑（如矽膠）將零件的截「印刷」在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強度較低，還須後處理。具體工藝過程如下：上一層粘結完畢後，成型缸下降一個距離（等於層厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，並被鋪粉輥推到成型缸，鋪平並被壓實。噴頭在計算機控制下，按下一建造截面的成形數據有選擇地噴射粘結劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時多餘的粉末被集粉裝置收集。如此周而復始地送粉、鋪粉和噴射粘結劑，最終完成一個三維粉體的粘結。未被噴射粘結劑的地方為乾粉，在成形過程中起支撐作用，且成形結束後，比較容易去除。但這種成型工藝也有一定的局限性，膠粘劑的用量大，不好控制，膠粘劑容易堵塞噴頭。

本發明通過對黑陶粉體材料進行造粒，將高分子的膠粘劑塗層到造粒黑陶粉體材料表面，得到的塗層後黑陶粉體材料可以直接採用3DP成型。成型過程中不需要噴灑膠粘劑，只需要噴灑少量的溶劑即可。優點是膠粘劑用量大大減少，在後續煅燒過程中減少環境汙染，產品的品質高。本申請的工藝製備的粉體材料粒徑均勻，球形度高，流動性好，適合3DP工藝3D列印成型。此外，本專利提供的方法簡單，成本低。

技術實現要素：

本發明的目是提供一種用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的製備方法，快速成型粉體在噴灑溶劑可直接三維印刷快速成型；

本發明的目的通過以下技術方案實現。

一種用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的製備方法，其特徵在於，該方法具有以下工藝步驟：

（1）黑陶陶土預處理：將黑陶陶土晾乾，研磨，過篩，粒徑控制在0.5~10μm範圍內，得到預處理黑陶陶土；

（2）造粒黑陶粉體製備：在反應器中，按質量百分比加入，水：52%~60%，聚乙烯醇：0.5%~1.5%，可溶性澱粉： 0.5%~1.5%，加熱溶解，冷卻後，檸檬酸三乙酯：0.1%~1.0%，攪拌溶解，再加入預處理黑陶陶土：38%~45%，各組分之和為百分之百，強力攪拌、反應120~150min，然後噴霧乾燥，得到造粒黑陶粉體，其粒徑在40~120µm範圍內；

（3）用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的製備：在研磨機中，按質量百分比加入，造粒黑陶粉體：75%~85%，聚丙烯酸酯：4%~12%，硬脂酸：0.5%~1.5%，季戊四醇：0.4%~1.2%，開啟研磨機轉速在250轉/分鐘，研磨40min，N,N-二甲基甲醯胺：8%~16%，各組分之和為百分之百，研磨機轉速在250轉/分鐘，再研磨20min，乾燥，得到用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料，所得到的用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的粒徑為40~150μm的範圍內。

在步驟（2）中所述的噴霧乾燥，進風口溫度控制在95℃，出風口溫度控制在90℃，進風流量210m3/h。

在步驟（2）中所述的聚乙烯醇與可溶性澱粉的質量比在1：0.8~1.2之間最優。

在步驟（3）中所述的造粒黑陶粉體與聚丙烯酸酯的質量比在1：0.08~0.12之間最優。

在步驟（3）中所述的聚丙烯酸酯與季戊四醇的質量比在1：0.1~0.15之間最優。

本發明所述的顆粒度測試方法是採用雷射粒度儀測得的粒度當量直徑尺寸。

本發明的另一目的是提供用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料在3D印表機上成型的應用，特點為：將用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料加入到供粉缸中，噴頭內裝入溶劑N,N-二甲基甲醯胺。具體工藝過程如下：噴頭噴灑N,N-二甲基甲醯胺於用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料上，材料表面的膠粘劑溶解使其粘結，上一層粘結完畢後，成型缸下降一個距離（等於層厚：0.010～0.1mm），供粉缸上升一高度，推出若干粉末，並被鋪粉輥推到成型缸，鋪平並被壓實。噴頭在計算機控制下，按下一建造截面的成形數據有選擇地噴射溶劑N,N-二甲基甲醯胺建造層面。鋪粉輥鋪粉時多餘的粉末被集粉裝置收集。如此周而復始地送粉、鋪粉和噴射N,N-二甲基甲醯胺，最終完成一個三維粉體的粘結。未被噴射N,N-二甲基甲醯胺的地方為乾粉，在成形過程中起支撐作用，且成形結束後，比較容易去除。

本發明與現有技術比較，具有如下優點及有益效果：

（1）本發明獲得的用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料，不需要噴灑粘結劑，噴頭只噴灑溶劑可直接成型，使膠粘劑用量大大降低，提高產品的品質高，同時防止噴頭堵塞。

（2）本發明獲得的本發明獲得的用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料，顆粒的粒徑均勻，球形度高，流動性好，適合3DP工藝3D列印成型；由這種快速成型粉末材料可以製造薄壁模型或微小零部件及工藝品，製造出產品具有表面光澤度高，精度高等特點。

（3）本發明獲得的本發明獲得的用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料，具有製備工藝簡單，條件易於控制，生產成本低，易於工業化生產，又具有低碳環保和節約能源等優勢。

具體實施方式

實施例1

（1）黑陶陶土預處理：將黑陶陶土晾乾，研磨，過篩，粒徑控制在0.5~10μm範圍內，得到預處理黑陶陶土；

（2）造粒黑陶粉體製備：在反應器中，分別加入，水：5.5L，聚乙烯醇：100g，可溶性澱粉： 50g，加熱溶解，冷卻後，檸檬酸三乙酯：50g，攪拌溶解，再加入預處理黑陶陶土：4200g，強力攪拌、反應130min，攪拌溶解，然後噴霧乾燥，得到造粒黑陶粉體，其粒徑在40~120µm範圍內；

（3）用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的製備：在研磨機中，分別加入，造粒黑陶粉體：80g，聚丙烯酸酯：8g，硬脂酸：0.5g，季戊四醇：0.5g，開啟研磨機轉速在250轉/分鐘，研磨40min，N,N-二甲基甲醯胺：12mL，研磨機轉速在250轉/分鐘，再研磨20min，乾燥，得到用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料，所得到的用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的粒徑為40~150μm的範圍內。

實施例2

（1）黑陶陶土預處理：將黑陶陶土晾乾，研磨，過篩，粒徑控制在0.5~10μm範圍內，得到預處理黑陶陶土；

（2）造粒黑陶粉體製備：在反應器中，分別加入，水：5L，聚乙烯醇：40g，可溶性澱粉： 20g，加熱溶解，冷卻後，檸檬酸三乙酯：10g，攪拌溶解，再加入預處理黑陶陶土：4500g，強力攪拌、反應140min，攪拌溶解，然後噴霧乾燥，得到造粒黑陶粉體，其粒徑在40~120µm範圍內；

（3）用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的製備：在研磨機中，分別加入，造粒黑陶粉體：850g，聚丙烯酸酯：40g，硬脂酸：10g，季戊四醇：10g，開啟研磨機轉速在250轉/分鐘，研磨40min，N,N-二甲基甲醯胺：100mL，研磨機轉速在250轉/分鐘，再研磨20min，乾燥，得到用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料，所得到的用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的粒徑為40~150μm的範圍內。

實施例3

（1）黑陶陶土預處理：將黑陶陶土晾乾，研磨，過篩，粒徑控制在0.5~10μm範圍內，得到預處理黑陶陶土；

（2）造粒黑陶粉體製備：在反應器中，分別加入，水：6L，聚乙烯醇：50g，可溶性澱粉： 10g，加熱溶解，冷卻後，檸檬酸三乙酯：20g，攪拌溶解，再加入預處理黑陶陶土：4000g，強力攪拌、反應130min，攪拌溶解，然後噴霧乾燥，得到造粒黑陶粉體，其粒徑在40~120µm範圍內；

（3）用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的製備：在研磨機中，分別加入，造粒黑陶粉體：150g，聚丙烯酸酯：20g，硬脂酸：1.5g，季戊四醇：1.0g，開啟研磨機轉速在250轉/分鐘，研磨40min，N,N-二甲基甲醯胺：25mL，研磨機轉速在250轉/分鐘，再研磨20min，乾燥，得到用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料，所得到的用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的粒徑為40~150μm的範圍內。

實施例4

（1）黑陶陶土預處理：將黑陶陶土晾乾，研磨，過篩，粒徑控制在0.5~10μm範圍內，得到預處理黑陶陶土；

（2）造粒黑陶粉體製備：在反應器中，分別加入，水：52L，聚乙烯醇：800g，可溶性澱粉： 500g，加熱溶解，冷卻後，檸檬酸三乙酯：300g，攪拌溶解，再加入預處理黑陶陶土：48000g，強力攪拌、反應130min，攪拌溶解，然後噴霧乾燥，得到造粒黑陶粉體，其粒徑在40~120µm範圍內；

（3）用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的製備：在研磨機中，分別加入，造粒黑陶粉體：820g，聚丙烯酸酯：60g，硬脂酸：14g，季戊四醇：6g，開啟研磨機轉速在250轉/分鐘，研磨40min，N,N-二甲基甲醯胺：120mL，研磨機轉速在250轉/分鐘，再研磨20min，乾燥，得到用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料，所得到的用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料的粒徑為40~150μm的範圍內。

使用方法：將用於3DP工藝快速成型黑陶粉體材料加入到三維印刷成型3D印表機的供粉缸中，噴頭中加入N,N-二甲基甲醯胺。具體工藝過程如下：從噴頭噴射溶劑N,N-二甲基甲醯胺，將粉體材料表面的膠粘劑溶解，使粉體粘結在一起，上一層粘結完畢後，成型缸下降一個距離（等於層厚：0.010～0.1mm），供粉缸上升一高度，推出若干粉末，並被鋪粉輥推到成型缸，鋪平並被壓實。噴頭在計算機控制下，按下一建造截面的成形數據有選擇地噴射溶劑N,N-二甲基甲醯胺建造層面。鋪粉輥鋪粉時多餘的粉末被集粉裝置收集。如此周而復始地送粉、鋪粉和噴射N,N-二甲基甲醯胺，最終完成一個三維粉體的粘結。未被噴射N,N-二甲基甲醯胺的地方為乾粉，在成形過程中起支撐作用，且成形結束後，比較容易去除。