一種用于3d打印的低密度陶瓷材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于新材料領域，具體涉及一種用于3D打印的低密度陶瓷材料。
【背景技術】
[0002] 3D打印，又被稱作為增材制造，是快速成型技術的一種，被譽為"第三次工業(yè)革命" 的核心技術。與傳統(tǒng)制造技術相比，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)上可以實現(xiàn)結構 優(yōu)化、節(jié)約材料和節(jié)省能源。3D打印技術適合于新產(chǎn)品開發(fā)、快速單件及小批量零件制造、 復雜形狀零件的制造、模具的設計與制造等，也適合于難加工材料的制造、外形設計檢查、 裝配檢驗和快速反求工程等。因此，3D打印產(chǎn)業(yè)受到了國內(nèi)外越來越廣泛的關注，將成為下 一個具有廣闊發(fā)展前景的朝陽產(chǎn)業(yè)。
[0003]中國專利公開號為CN 104446392A公開了一種用于3D打印的摻f丐無機納米復合材 料及其制備方法，該用于3D打印的摻鈣無機納米復合材料，以重量百分數(shù)計，包括:73-80% 的陶瓷前驅體粉末、5-10 %的納米粉末增強材料、2-5 %的鈣粉、2-5 %的表面活性劑、2-5 % 的有機溶劑、1-4 %無機粘結劑、5-10 %的低溫固化劑，納米粉末增強材料的粒徑為20-200 納米。該方法采用表面活性劑對納米粉末實施解團聚處理，使得納米粉末具備優(yōu)異的分散 性，將其添加入陶瓷前驅體粉末中，可以提高陶瓷致密度及強度，并進一步提升產(chǎn)品韌性； 無機混合粉末、無機粘結劑及低溫固化劑相互協(xié)同配合，在低溫下即可快速粘結，但是該發(fā) 明原材料使用大量粉末，使得制得的復合材料加工流動性差，易堵塞打印機噴頭。
[0004] 中國專利公開號為CN 103937278A公開了一種3D打印木塑復合材料及其制備方 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造出母粒，母 粒與聚烯烴按一定質量比混合，用雙螺桿擠出機擠出、拉絲、繞盤，該發(fā)明制備的3D打印材 料具備木質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 力學性能較差。
[0005] 中國專利公開號為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度和較好的沖擊韌性，可以提高 高密度聚乙烯的應用價值，擴大其應用領域，使高密度聚乙烯材料更加符合3D打印材料的 特點，但是該發(fā)明制備的3D打印材料密度較高，應用受限。
[0006] 隨著3D打印技術的高速發(fā)展，3D打印材料作為3D打印技術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，對促進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，其流動性好，密度低，耐磨，耐腐蝕，力學性能優(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] 進一步地，所述多孔輕質碳酸鈣為輕質多孔球形碳酸鈣，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] 進一步地，述楊木粉細度介于1000目和5000目之間，含水率低于5%。
[0012] 進一步地，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中進行 混合攪拌，攪拌轉速240-300rpm，攪拌時間30分鐘，得到改性的多孔輕質碳酸|丐和楊木粉； (2) 將步驟(1)得到的改性的多孔輕質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，加入過程中進行攪拌，攪拌轉速300-400rpm，攪拌時間45-60分 鐘，得到混合均勻的聚乙烯復合材料； (3) 將步驟(2)得到的混合均勻的聚乙烯復合材料送入長徑比為36:1的雙螺桿擠出機 中擠出造粒，擠出機轉速為100-120rpm，擠出機各段溫度為: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:利用輕質多孔球形碳酸鈣的優(yōu)異力學性能和流動性能，利用楊木 粉的密度小、價格低、生態(tài)環(huán)保，以及片狀石墨的流動性和力學性能，與聚乙烯混合擠出造 粒，制得具有密度小、流動性好、力學性能優(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 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打印設備打印該低密度陶瓷材料時，位于打印頭的加熱設備可以使材料熔融從而具備流 動性;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性好，通過改性后的輕質多孔球形碳 酸鈣和石墨優(yōu)異的流動性，使得用于3D打印的低密度陶瓷材料的流動性和力學性能增強； (3) 本發(fā)明用于3D打印的低密度陶瓷材料的生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，安全環(huán)保，具有 較高的市場應用前景。
【具體實施方式】
[0016] 下面根據(jù)具體實施例對本發(fā)明作更進一步的說明，以下所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實 施方式，在相同原理下，可以做出部分改進，這些改進也屬于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)： 實施例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中進行混合攪拌，攪拌轉速 300rpm，攪拌時間30分鐘，得到改性的多孔輕質碳酸鈣和楊木粉； (2) 將步驟(1)得到的改性的多孔輕質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，加入過程中進行攪拌，攪拌轉速300rpm，攪拌時間45分鐘