一種利用廢棄陶瓷制備3D打印陶瓷膏體的實驗研究

賀夢鴿，張文堯，壽燁俊

一種利用廢棄陶瓷制備3D打印陶瓷膏體的實驗研究

賀夢鴿，張文堯，壽燁俊

（武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

利用廢瓷粉、粘結(jié)劑等材料調(diào)制出陶瓷膏體，研究膏體中的組分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于膏體性能的影響，選擇合適粒徑的廢瓷粉，配置適合3D打印使用的膏體。

廢瓷粉；陶瓷膏體；3D打印技術(shù)；粘結(jié)劑

1 引言

李克強總理在國務(wù)院先進制造與3D打印專題講座上指出，要加強3D打印技術(shù)研發(fā)，以個性化定制滿足廣闊市場需求，以增材制造降低能源資源消耗，以綠色生產(chǎn)贏得可持續(xù)發(fā)展的未來。同時，增材制造為廢棄陶瓷的回收利用提供了新的方向。

本項目是用一種廢棄陶瓷制備3D打印陶瓷膏體的實驗研究，以廢瓷作為主要原料，再加入粘合劑、增塑劑和分散劑（表面活性劑）調(diào)制出陶瓷膏體，研究膏體中的組分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于膏體性能的影響，為陶瓷廢棄物的回收利用和陶瓷行業(yè)的綠色發(fā)展提供新的方向。

2 研究內(nèi)容及研究方法

制備擠出膏體的基本要求是：含有盡量少的粘結(jié)劑以保證較小的燒結(jié)收縮，具有良好的流變性以利于成形，同時必須保證坯體在擠出后具有保持一定形狀的能力。

2.1 實驗原理

2.1.1 粘結(jié)劑體系原理

陶瓷膏體粘結(jié)劑體系主要包括粘合劑、增塑劑、表面活性劑（分散劑）、溶劑。

粘結(jié)劑通常為水溶性高分子聚合物，水溫度越高，溶解度越大；高分子聚合物溶于水中靠分子間范德華力起著粘合作用，一般來說，聚合度越高，粘合作用越大。增塑劑有吸濕性、保濕性、軟化性，極易吸收空氣中的水分，使膏體軟化，提高膏體塑性，同時減少膏體中的水分蒸發(fā)，保證其不開裂；降低擠出過程中的摩擦力，但加入過量時會增大膏體粘度。表面活性劑（分散劑）電離成離子后吸附于顆粒表面，顆粒表面形成一種雙電層的結(jié)構(gòu)，使其表面電荷密度提高，通過表面同種電荷斥力作用，克服了顆粒間的范德華吸引力，實現(xiàn)分散效果。溶劑為去離子水。

2.1.2 膏體的成型原理

廢瓷粉、玻璃粉與粘結(jié)劑體系按一定配比球磨形成陶瓷膏體，陶瓷粉料在粘結(jié)劑體系的粘結(jié)作用下相互連接。

2.2 主要實驗儀器

實驗儀器：行星式快速球磨機、標(biāo)準(zhǔn)篩、SNB-3旋轉(zhuǎn)粘度計、實驗室臺秤、電動攪拌器、量筒、玻璃棒以及燒杯等。

旋轉(zhuǎn)式粘度計原理：同步電機以穩(wěn)定的速度旋轉(zhuǎn)，通過游絲轉(zhuǎn)軸帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，如果轉(zhuǎn)子未受到被測流體的阻力，則游絲與轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)，示數(shù)為0；反之，如果轉(zhuǎn)子受到流體的阻力，則游絲產(chǎn)生扭矩，與粘滯阻力抗衡最后達到平衡，這時通過測量游絲的扭轉(zhuǎn)角，并經(jīng)過轉(zhuǎn)化即得到被測流體的粘度值。

所選用的旋轉(zhuǎn)粘度計附有1～4號四種轉(zhuǎn)子，可以根據(jù)被測流體粘度的高低隨同轉(zhuǎn)速配合使用，轉(zhuǎn)速也可以根據(jù)需要選擇。

2.3 實驗步驟與方法

通過實驗確定合適組分，將粘合劑、增塑劑和表面活性劑進行混合后分散到去離子水中，攪拌并靜置后得到均質(zhì)穩(wěn)定的膠狀粘結(jié)劑體系；向上述粘結(jié)劑體系中加入合適的廢瓷粉及燒結(jié)助劑，攪拌混合后真空除泡，得到高固相含量和有較好流動性的膏體。

2.3.1 廢瓷的粒徑選擇

將收集到的廢瓷處理后破碎成直徑為20 mm左右的瓷塊，清洗后干燥，脫除其中的水分，再利用行星式球磨機球磨處理后分別過篩得到74～180 μm不同粒徑的廢瓷粉。

2.3.2 粘結(jié)劑體系制備

2.3.2.1 粘結(jié)劑種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇

本作品選用聚乙烯醇（PVA）為粘合劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1～20范圍內(nèi)分散到去離子水中進行預(yù)實驗配制溶液。確定大致質(zhì)量分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)，然后以上述選定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基準(zhǔn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在±2范圍內(nèi)進行20組膏體制備實驗，根據(jù)膏體擠出難易程度和擠出成型效果，結(jié)合旋轉(zhuǎn)粘度計的數(shù)據(jù)進行調(diào)整，選擇合適的粘合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍。

2.3.2.2 增塑劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇

選用較為常見的甘油作為增塑劑進行實驗，測試其成型效果并確定其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.3.3 膏體配置

2.3.3.1 廢瓷顆粒對于膏體性能的影響

將74～180 μm的廢瓷粉分別加入到之前確定的粘結(jié)劑體系中，通過電動機攪拌均化并除泡后，放入擠出頭，進行擠出嘗試，確定擠出效果較好的顆粒大小。

2.3.3.2 固相含量對膏體性能的影響

陶瓷3D打印擠出成型膏體要求較高固相含量，保證打印坯體的成型要求，同時避免后續(xù)過程的收縮。結(jié)合粘結(jié)劑體系配比，在固相含量體積比為40%～60%范圍內(nèi)進行實驗，確定固相含量。

2.3.4 球磨時間的確認

球磨是顆粒吸附分散劑形成高固相穩(wěn)定懸浮漿料的重要過程，合適的球磨時間可以減少團聚并達到穩(wěn)定分散的目的，經(jīng)過大量實驗證明，將球磨時間定為24 h可以得到粘度合適的漿料。

2.3.5 擠出頭及擠出打印參數(shù)確認

陶瓷坯體擠出過程中膏體受擠出速度、擠出頭長度、不同裝載量的影響，打印實驗過程中，針對不同擠出速度、不同擠出頭長度、不同裝載量設(shè)置三種打印實驗，整個打印過程在室溫下進行。

粘度測量時根據(jù)實驗結(jié)果，在25 ℃的室溫下，使用4號轉(zhuǎn)子，以30 r/min的轉(zhuǎn)速進行非牛頓型流體表觀粘度的測量。旋轉(zhuǎn)粘度計量程選擇如表1所示。

操作者若能遵照下列各要求進行測量，即能得到較正確的數(shù)值：①精確地控制被測液體的溫度，需要時可選購?fù)庋h(huán)恒溫水浴和配套的專用雙層試樣杯；②將轉(zhuǎn)子浸于被測液體中足夠長的時間同時保持恒溫，使其能與被測液體溫度一致；③保證被測流體的均勻性；④測量時盡可能將轉(zhuǎn)子置于容器中央；⑤使用保護架進行測量；⑥保證轉(zhuǎn)子的清潔；⑦防止轉(zhuǎn)子浸入被測液體時有氣泡粘度附在轉(zhuǎn)子下面。

表1 旋轉(zhuǎn)粘度計量程選擇表

轉(zhuǎn)速/（r/min）滿量程值/（mPa·s） 轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)子3轉(zhuǎn)子4 601005002 00010 000 302001 0004 00020 000 125002 50010 00050 000 61 0005 00020 000100 000 32 00010 00040 000200 000 1.54 00020 00080 000400 000 0.610 00050 000200 0001 000 000 0.320 000100 000400 0002 000 000

3 實驗結(jié)果總結(jié)

通過對上述實驗記錄進行分析，選用150 μm的廢瓷粉，可在能耗較低的情況下，保證膏體中顆粒能夠較為順利地通過擠出頭，且所形成的膏體具有較好的可塑性和流動性。廢瓷粉的含量對于膏體的流動性影響較為明顯，當(dāng)膏體中固含量的質(zhì)量百分比高于60%時，膏體幾乎不具有流動性。膏體中粘結(jié)劑體系可以增強膏體的流動性，但對于膏體的可塑性具有衰減作用：其中粘合劑對于膏體的粘性具有較大影響，百分比增加后粘度增長明顯；增塑劑在含量較低的或者較高的情況下，均會影響膏體的流動性，增強膏體的可塑性；表面活性劑對于膏體的流動性具有較大影響，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，流動性較好，可塑性較差。

TQ174.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.003

2095－6835（2019）15－0006－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕