[发明专利]一种水基3D打印陶瓷浆料及其制备方法

说明书

本发明提供一种水基3D打印陶瓷浆料及其制备方法，属于陶瓷材料和3D打印成型技术领域。以质量分数计，该陶瓷材料包括以下组分：13％～28.7％去离子水，70％～85％陶瓷粉末，0.1％～0.5％有机分散剂，0.5％～1.5％有机凝胶，pH值为8～10；所述有机凝胶剂为可得然胶和聚乙烯醇的混合物。本发明中采用高分子有机物添加剂制备该陶瓷材料，大幅度降低了有机物使用量，减少了工艺步骤，同时还能保证陶瓷产品的质量。

技术领域

本发明属于陶瓷材料和3D打印成型技术领域，具体涉及一种水基3D打印陶瓷浆料及其制备方法。

背景技术

由于陶瓷材料的不溶难熔特性使其难以直接加工，因此在3D打印陶瓷中往往采用浆料形式实现既定几何模型的生坯的制造。为了使流体形式存在的浆料固化成型，浆料往往中存在相当数量(通常为40wt％～60wt％)的可发生固化反应的有机物，所以由此所得的陶瓷生坯必须通过脱脂去除这些有机物后才能进行陶瓷的烧结，最终得到陶瓷制品。

目前3D打印陶瓷所用的浆料中大量(40wt％～60wt％)的有机添加剂(如光敏的丙烯酸单体、热固化环氧树脂预聚物、丙烯酰胺单体等)往往带来以下问题：(1)3D打印得到的生坯不能直接烧结，需要经过耗时、耗能的脱脂工序，通常至少耗时20多小时以上，且脱脂产生有机挥发性气体污染空气与环境；(2)所添加的有机物主要为小分子单体、预聚物，因而往往具有一定的挥发性，对人体和环境不利。

对于现有的3D打印陶瓷浆料，尽管一直在致力于减少有机物用量，但受限于降低有机含量会使浆料粘度升高或固化强度减弱的问题，浆料的固含量无法提升到很高，也难以摆脱大量有机分子的使用。也有为减少有机添加剂用量，采用无机化合物作为交联网络的，如硅溶胶，但会给常规氧化铝、氧化锆陶瓷引入其他无机物，影响陶瓷纯度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种水基3D打印陶瓷浆料。该陶瓷浆料中有机物含量＜3wt％，固含量≥70wt％，经3D打印得到的陶瓷生坯不需要经过脱脂工序，可直接烧结。

为了达到上述目的，本发明具体采用如下技术方案：

一种水基3D打印陶瓷浆料，以质量分数计，包括以下组分：13％～28.7％去离子水，70％～85％陶瓷粉末，0.1％～0.5％有机分散剂，0.5％～1.5％有机凝胶，pH值为≤11；所述有机凝胶剂为可得然胶和聚乙烯醇的混合物；所述陶瓷粉末的平均粒径为0.8～8.5μm。

将所述水基3D打印陶瓷浆料进行二氧化碳激光3D打印得到陶瓷生坯，将所述生坯放入烧结炉中烧结，即得到高致密度、高强度的陶瓷产品。所述水基3D打印陶瓷浆料在二氧化碳激光辐射下，温度升高，水会局部蒸发从而使具有双峰分布的陶瓷粉末聚集固化，同时聚乙烯醇(PVA)与可得然胶形成协同网络结构，将陶瓷粉末限定在聚合物网络中，增加了陶瓷的固化强度。在激光辐射下，浆料液面快速升温，可得然胶在70℃以上就可以形成凝胶。由于可得然胶凝胶网络具有保水性能，可得然胶凝胶过早形成的致密网络在一定程度上会阻碍水分的蒸发。而适量加入PVA一方面可以降低可得然胶的密度，使得水的蒸发更快；另一方面，随着局部水的蒸发减少，PVA分子相互缠结形成物理交联网络，由于PVA与可得然胶之间可以形成氢键，彼此形成的网络之间可以产生作用和连接，共同增加了陶瓷粉末的固化强度。

在优选的实施方式中，所述可得然胶的分子量优选60000～77000。所述聚乙烯醇的分子量优选60000-80000。

在优选的实施方式中，所述可得然胶与所述聚乙烯醇的质量比为(1～2):1。

当可得然胶与聚乙烯醇的质量比在(1～2):1范围内时，水的蒸发速度相对较快，更有利于陶瓷粉末的固化成型，且同时能使陶瓷生坯的强度更高。

在优选的实施方式中，所述水基3D打印陶瓷浆料的pH值为8～10。

在优选的实施方式中，所述陶瓷粉末的粒径呈双峰分布。