洗面筋”方法對用于粘結(jié)劑噴射的淀粉基墨水性能的影響(Ⅱ)

1引言

粘結(jié)劑噴射成型技術(shù)（BinderJetting）作為增材制造領(lǐng)域的一種重要技術(shù)，近年來受到了廣泛關(guān)注。然而，它在打印分辨率、表面質(zhì)量、密度和機械性能等方面仍存在不足。研究表明，粘結(jié)劑噴射技術(shù)制成的零件質(zhì)量與粘結(jié)劑[-8]粉末-12]打印參數(shù)[13-1和后處理工藝[等因素密切相關(guān)，其中粘結(jié)劑的性能對打印件質(zhì)量起著關(guān)鍵作用[8]。

常用的粘結(jié)劑在燒結(jié)過程中可能會留下殘留物，影響表面質(zhì)量和性能，而且有些粘結(jié)劑可能含有有害物質(zhì)。因此，對環(huán)保且易于去除的粘結(jié)劑的需求很高。淀粉基墨水作為一種新型的粘結(jié)劑材料，因其環(huán)保和可再生的特性而逐漸受到重視[。這類墨水不僅能夠滿足增材制造對材料性能的基本要求，還展現(xiàn)出良好的生物相容性和生態(tài)友好性。本研究旨在探討\"洗面筋\"方法對淀粉基墨水性能的影響，比較不同分散劑比例對墨水粒徑、穩(wěn)定性、流變性、表面張力和可打印性的影響。該研究為未來在增材制造中應(yīng)用生物基材料提供了理論支持，促進了環(huán)保材料的研究和應(yīng)用。

2實驗

2.1實驗原料

玉米淀粉（山東金怡神糖業(yè)有限公司，食品級），紅薯淀粉（山東金怡神糖業(yè)有限公司，食品級），土豆淀粉（西安滋品源食品有限公司，食品級），面粉（中糧集團有限公司，食品級），海藻酸鈉（國藥集團化學試劑有限公司，化學純），聚乙烯吡咯烷酮（天津市科密歐化學試劑有限公司，分析純）。

2.2實驗儀器

使用激光圖像粒度形狀分析儀（Betterqsize300Oplus，丹東百特科技有限公司，中國）對墨水粒徑進行定量分析。使用旋轉(zhuǎn)流變儀（DHR-1，ThermoScientific，德國）評估墨水的流變性能。使用表面張力儀（QBZY系列全自動表面張力儀，上海方瑞儀器有限公司，中國）評估墨水的表面張力性能。使用Turbiscan（TurbiscanLAB，F(xiàn)ormu-lactionInc.，法國）對墨水的分散穩(wěn)定性進行定量分析。

2.3實驗過程

當分散劑占固體總量的 0.3% 時，選擇海藻酸鈉與聚乙烯吡咯烷酮以3：7、5：5和7：3的比例混合，按照前文的實驗過程制備出三種墨水，對其粒徑、穩(wěn)定性、流變性能、表面張力和可打印性進行測試，并根據(jù)粘結(jié)劑噴射成型技術(shù)對墨水的要求選擇出適配性最好的墨水。

3結(jié)果與討論

3.1淀粉基墨水粒徑分布

圖1為海藻酸鈉和吡咯烷酮不同比例下淀粉墨水粒徑分布。圖中可以看出當海藻酸鈉和吡咯烷酮比例為5：5時粒徑分布比較均勻，主要粒徑為 106.41μm ，雖然顆粒相對較大，但分布較為均勻。這表明兩種分散劑的協(xié)同作用能夠有效控制顆粒尺寸，使顆粒均勻分布。當分散劑成分為3：7或7：3時，墨水粒徑分布較為復雜，大部分顆粒為小顆粒，但是依舊存在部分大顆粒。其中分散劑中海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮比例為3：7時，粒徑主要分布在 1.1μm ，同時還存在 27.21μm 和 128μm 的大尺寸顆粒。比例為7：3的墨水中，粒徑主要分布在0.12μm ，大尺寸顆粒為 1.44μm 和 24μm 在比例為3：7或7：3時，雖然存在一些小顆粒，但也有顯著的大顆粒，這表明在這些比例下分散效果較差，可能因為一種分散劑不足以完全分散所有顆粒，從而導致大顆粒的存在。

盡管墨水分散劑中海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮比例為5：5時顆粒均勻分布，但是粒徑太大，不適合應(yīng)用。當分散劑中海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮的比例為7：3時，墨水整體粒徑較小。Xaar2002型噴墨打印頭中GS12型號的最小噴嘴尺寸為 34mm ，GS40型號的最小噴嘴尺寸為 47mm 。淀粉基墨水的大顆粒平均粒徑為24毫米，因此這種墨水能夠適應(yīng)市場上現(xiàn)有的噴墨打印頭。

3.2淀粉基墨水穩(wěn)定性

圖2為海藻酸鈉和吡咯烷酮不同比例下淀粉墨水穩(wěn)定性，圖中可以看出當分散劑中海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮的比例為3：7時墨水穩(wěn)定性最差，在開始的二十分鐘內(nèi)墨水會快速沉淀，穩(wěn)定性快速下降，二十分鐘后墨水穩(wěn)定性下降較緩，墨水趨于穩(wěn)定。這是因為海藻酸鈉含量較少，導致其粘度較低，無法有效穩(wěn)定懸浮顆粒，導致顆粒快速沉降。聚乙烯吡咯烷酮含量較高，但其在高比例下未能形成有效的穩(wěn)定體系。當分散劑比例為5：5時，墨水較為穩(wěn)定，二十分鐘后墨水穩(wěn)定性開始出現(xiàn)變化，但是變化范圍不大。這是因為兩種分散劑達到平衡狀態(tài)，形成相對均勻的分散體系，能夠較好地穩(wěn)定墨水，減少沉降。當分散劑比例為7：3時，墨水十分穩(wěn)定，實驗過程中墨水穩(wěn)定性沒有出現(xiàn)較大波動。海藻酸鈉含量較高，提供了足夠的粘度和穩(wěn)定性，抑制顆粒沉降，保持墨水的穩(wěn)定性。PVP在較低比例下仍能輔助穩(wěn)定，效果較好。

對比分散劑中海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮不同比例下淀粉墨水的穩(wěn)定性可以得出當分散劑比例為7：3時墨水穩(wěn)定性性能最佳，符合要求。

3.3淀粉基墨水流變性能

圖3為海藻酸鈉和吡咯烷酮不同比例下淀粉墨水粘度、剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系。圖中可以看出，墨水粘度快速下降到低點，隨著剪切速率的增大粘度出現(xiàn)微弱的降低趨勢，呈現(xiàn)出剪切變稀的現(xiàn)象。其中，分散劑中成分比例的變化對墨水粘度影響不大，這是因為墨水粘度已達到較低的范圍。圖中還可以看到墨水的剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。這是因為淀粉墨水中含有大量懸浮的顆粒，隨著剪切速率的增大，顆粒間的相互作用會導致剪切應(yīng)力的增大。

3.4淀粉基墨水表面張力

通過測試得知海藻酸鈉和吡咯烷酮不同比例下淀粉墨水表面張力，當分散劑中海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮的比例為3：7時，表面張力為 44.5mN/m ；當分散劑中海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮的比例為5：5時，表面張力為 46.8mN/m ；當分散劑中海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮的比例為7：3時，表面張力為 47mN/m 。一般來說，在粘結(jié)噴射技術(shù)中，墨水的表面張力要求在30至 65mN/m^[20] 之間。本文制備的淀粉基墨水表面張力符合要求。

隨著海藻酸鈉含量的提高，墨水表面張力提高，這是因為海藻酸鈉表面活性較低，較高比例的海藻酸鈉提高了溶液的粘度和穩(wěn)定性，同時增加了表面張力。而聚乙烯吡咯烷酮因為其良好的表面活性降低了溶液的表面張力，因此能夠有效的降低墨水的表面張力。

3.5淀粉基墨水可打印性

Fromm等2首次研究了液滴的形成機制，并引入?yún)?shù) Z=1/Oh 來量化粘結(jié)劑的可打印性。Reis等進一步探討了可打印的Z值范圍（ 110 時，液滴過于分散，造成粘性降低[23]。

圖4為海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮不同比例下淀粉墨水可打印性，對于分散劑比例為3：7、5：5和7：3的淀粉基墨水，其1/0h的值分別為4.16、3.08和2.7，符合可打印性的要求。

4結(jié)論

本研究成功制備了應(yīng)用于粘結(jié)劑噴射成型的淀粉基墨水，并通過“洗面筋”方法探索了其最佳配方。研究表明，玉米淀粉與面粉按1：20的比例清洗，配合 0.3wt.% 的分散劑（海藻酸鈉與聚乙烯吡咯烷酮的配比為7：3）可顯著改善墨水的性能。最終獲得的墨水粒徑主要集中在

0.12μm ，穩(wěn)定性良好，表面張力為 47mN/m 。流變性測試結(jié)果顯示，優(yōu)化后的墨水具有優(yōu)良的可打印性，1/Oh值達到2.7，滿足粘結(jié)劑噴射成型的應(yīng)用需求。

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Effectof the'Washing Gluten'Methodon theProperties of Starch-Based Inks for BinderJetting（II）

JIANG Hong-Tao，YANG Xin-Hao，DONG Bo，WANG Hao，WANG Li-li （SchoolofMaterialsScienceandEngineering，ShaanxiUniversityofScienceamp;Technology，Xi'an，71Oo21，China）

Abstract：inderjetigthologidiiveaufcturingasracteddespradaetioiecntyandsahasdinkae becomeanipotachtetolntooaibiltdotalfissTssdvesiatct ofthe\"washinggute\"metdontepropetisofsachbasedisandevaluatesteectsofdiferentdispsantsatiosoikprtice sizes，stabitlgaetsiodptbiltyxptalsulsicatehawasngoahiourint combined with 0.3wt.% dispersant composed of sodium alginate and polyvinylpyrolidone（7：3），significantly optimizes ink performance.The optimized ink hasa particle size primarily concentrated at 0.12μm ，demonstrating excellent stability and alow surface tension of 47 mN/m. Rheologicaltestigsowsatthinkbiscelentprtabiltitahaluef.7eigtheqentsfordn aplicatios.isseahprovdsteorecalsuportforseofacbedinsadtieafactuigndpromotesteot of environmentally friendlymaterials.

Keywords：BinderJetting;Starch-Based Ink;InkProperties