一種用于3d打印的摻鉀無機納米復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，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％的鉀粉、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。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；該無機納米復合材料作為3D打印快速成型機的成型原料，能夠有效的在3D打印機上快速成型，并可應用于多種不同型號的3D打印機。
【專利說明】一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及3D打印制造【技術領域】，具體涉及一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料及其制備方法。
技術背景
[0002]快速成形技術誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術，被認為是近年來制造領域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數(shù)控技術、材料科學、激光技術于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀榱慵椭谱?、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。即，快速成形技術就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型。
[0003]3D打印是一種快速成型技術，它綜合了計算機圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光技術、機電技術和材料技術等多項技術的優(yōu)勢，可將產品的物理形狀通過造型軟件或三維掃描儀轉化為三維數(shù)字立體模型，用分層軟件將此模型在Z軸離散，形成一系列具有特定厚度的薄層，然后利用各種方法將這一系列薄層逐層堆積起來，最后經過適當?shù)暮筇幚矸椒?，得到所需的產品。這種成型方法不需要模具，省去了模具設計、制造以及合模、脫模等過程，顯著縮短了研發(fā)和制造周期，降低了產品的成本。
[0004]3D打印可分為兩大類:第一類是基于激光技術的成型方法，如立體光刻(Stereolithography Apparatus，SLA)、紙疊層(Laminated Object Manufacturing，LOM)、選擇性激光燒結(Selective Laser Sintered，SLS)、選擇性激光恪化(Selective Laser Melted，SLM)等；第二類是非激光技術的成型方法，如恪絲沉積(Fused Deposit1n Modeling，F(xiàn)DM)、掩膜光固化(Mask Stereo lithography，MS)、沖擊微粒制造(Ballistic ParticleManufacturing，BPM)、實體磨削固化(Solid Ground，SGC)等。技術不同所用材料則完全不同，例如:熔絲沉積(FDM)技術操作簡單，所用的材料主要是環(huán)保高分子材料，例如:PLA、PCL、PA、ABS、PC、PVC等。目前，市場上所售的3D打印成型材料基本被國外公司所壟斷，售價高，嚴重制約3D打印技術在我國的推廣和普及。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料及其制備方法，該材料強度高、成型性能優(yōu)異、成本低且通用性好。
[0006]本發(fā)明的技術方案如下:
[0007]一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，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%的鉀粉、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；所述納米粉末增強材料的粒徑為20-200納米。
[0008]所述陶瓷前驅體粉末選自氧化鋁、氮化鋁、氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一種或任意兩種的組合，所述陶瓷前驅體粉末的粒徑為180-280目；
[0009]所述納米增強材料選自納米氧化鋅粉末、納米氧化鈦粉末中的一種；
[0010]所述表面活性劑選自聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、磷酸三丁酯、十二烷基苯磺酸鈉、木質素磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、聚丙烯酸鈉中的一種；
[0011]所述低溫固化劑選自硅溶膠、鋁溶膠中的一種；
[0012]所述無機粘結劑為添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液；
[0013]所述有機溶劑為乙醇，丙酮，甲醇，正己烷，異丁醇、異丙醇中的一種。
[0014]進一步的，所述鉀粉純度為98%以上，粒徑為1-5微米。
[0015]進一步的，所述低溫固化劑的固相體積分數(shù)為10?40%。
[0016]進一步的，所述無機粘結劑中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質量比為2:1:1: 4。
[0017]上述用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料的制備方法為:
[0018](I)將表面活性劑溶入有機溶劑中形成濃度為1.5-10g/L的表面活性劑溶液，將納米粉末增強材料加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌30-60分鐘，形成改性后的納米粉末增強材料懸濁液；
[0019](2)將上述改性后的納米粉末增強材料懸濁液、有機溶劑、鉀粉及陶瓷前驅體粉末均勻混合后，并放入轉速為3500-4000轉/分鐘的研磨機中研磨5-8小時，然后進行超臨界干燥，得到混合粉末。
[0020](3)將上述混合粉末及無機粘結劑均勻混合，然后與低溫固化劑混合并球磨1-2小時，形成無機納米復合材料，所述摻鉀無機納米復合材料的固含量為75-85%。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0022](I)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，并進一步提升產品韌性。
[0023](2)本發(fā)明中的無機粘結劑具有粘結快速，粘結牢固等特點，可快速制作出各種形狀的模型產品。
[0024](3)無機混合粉末、鉀粉、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，復配效果佳。
[0025](4)將該無機納米復合材料作為3D打印快速成型機的成型原料，能夠有效的在3D打印機上快速成型，并可應用于多種不同型號的3D打印機。
[0026](5)本發(fā)明原料獲取范圍廣泛，制備方法簡單易行，成本低，有利于市場化的推廣。

【具體實施方式】
[0027]下面結合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定。
[0028]實施例1:
[0029]一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，以重量百分數(shù)計，包括:73%的氧化鋁、6%的納米氧化鋅、2%的鉀粉、4%的聚乙二醇、10%的硅溶膠、1%的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液、4%的乙醇；納米氧化鋅的粒徑為40納米；硅溶膠的固相體積分數(shù)為40% ;硅酸鈉溶液中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質量比為2:1:1: 4。
[0030]該摻鉀無機納米復合材料的制備方法為:
[0031](I)將占總重量4%的聚乙二醇溶入占總重量2%的乙醇中，并形成濃度為8g/L的表面活性劑溶液，將占總重量6%的納米氧化鋅加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌30分鐘，形成改性后的納米粉末增強材料懸濁液；
[0032](2)將上述改性后的納米粉末增強材料懸濁液與占總重量2%的鉀粉、占總重量2%的乙醇及占總重量73%的氧化鋁均勻混合后，并放入轉速為4000轉/分鐘的研磨機中研磨5小時，然后進行超臨界干燥，得到混合粉末。
[0033](3)將上述混合粉末及占總重量1%的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液均勻混合，然后與占總重量10%的硅溶膠混合，球磨2小時，形成無機納米復合材料，所述無機納米復合材料的固含量為75%。
[0034]實施例2:
[0035]一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，以重量百分數(shù)計，包括:75%的氮化鋁、8 %的納米氧化鋅、3 %的鉀粉、5 %的聚乙烯醇、5 %的硅溶膠、I %的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液、3%丙酮；納米氧化鋅的粒徑為20納米；硅溶膠的固相體積分數(shù)為10% ;硅酸鈉溶液中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質量比為2:1:1: 4。
[0036]該摻鉀無機納米復合材料的制備方法為:
[0037](I)將占總重量5%的聚乙二醇溶入占總重量1%的丙酮中，并形成濃度為1g/L的表面活性劑溶液，將占總重量8%的納米氧化鋅加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌60分鐘，形成改性后的納米粉末增強材料懸濁液；
[0038](2)將上述改性后的納米粉末增強材料懸濁液與占總重量2%的鉀粉、占總重量2%的丙酮及占總重量75%的氮化鋁均勻混合后，并放入轉速為3500轉/分鐘的研磨機中研磨8小時，然后進行超臨界干燥，得到混合粉末。
[0039](3)將上述混合粉末及占總重量1%的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液均勻混合，然后與占總重量5%的硅溶膠混合，球磨I小時，形成無機納米復合材料，所述無機納米復合材料的固含量為78%。
[0040]實施例3:
[0041]一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，以重量百分數(shù)計，包括:78%的氧化硅、5 %的納米氧化鈦、2 %的鉀粉、3 %的磷酸三丁酯、8 %的硅溶膠、I %的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液、3%的甲醇；納米氧化鈦的粒徑為60納米；硅溶膠的固相體積分數(shù)為20% ;硅酸鈉溶液中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質量比為2:1:1: 4。
[0042]該摻鉀無機納米復合材料的制備方法為:
[0043](I)將占總重量3%的磷酸三丁酯溶入占總重量1%的甲醇中，并形成濃度為6g/L的表面活性劑溶液，將占總重量5%的納米氧化鈦加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌50分鐘，形成改性后的納米粉末增強材料懸濁液；
[0044](2)將上述改性后的納米粉末增強材料懸濁液與占總重量2%的鉀粉、占總重量2%的甲醇及占總重量78%的氧化硅均勻混合后，并放入轉速為3800轉/分鐘的研磨機中研磨7小時，然后進行超臨界干燥，得到混合粉末。
[0045](3)將上述混合粉末及占總重量I %的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液均勻混合，然后與占總重量8%的硅溶膠混合，球磨1.5小時，形成無機納米復合材料，所述無機納米復合材料的固含量為76%。
[0046]實施例4:
[0047]一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，以重量百分數(shù)計，包括:80%的氮化硅、5 %的納米氧化鈦、2 %的鉀粉、3 %的十二烷基苯磺酸鈉、5 %的硅溶膠、I %的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液、4%的異丁醇；納米氧化鈦的粒徑為80納米；硅溶膠的固相體積分數(shù)為30% ;硅酸鈉溶液中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質量比為2:1:1: 4。
[0048]該摻鉀無機納米復合材料的制備方法為:
[0049](I)將占總重量3%的十二烷基苯磺酸鈉溶入占總重量2%的異丁醇中，并形成濃度為3g/L的表面活性劑溶液，將占總重量5%的納米氧化鈦加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌40分鐘，形成改性后的納米粉末增強材料懸濁液；
[0050](2)將上述改性后的納米粉末增強材料懸濁液與占總重量2%的鉀粉、占總重量2%的異丁醇及占總重量80%的氮化硅均勻混合后，并放入轉速為4000轉/分鐘的研磨機中研磨6小時，然后進行超臨界干燥，得到混合粉末。
[0051](3)將上述混合粉末及占總重量1%的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液均勻混合，然后與占總重量5%的硅溶膠混合，球磨2小時，形成無機納米復合材料，所述無機納米復合材料的固含量為80%。
[0052]實施例5:
[0053]一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，以重量百分數(shù)計，包括:80%的碳化硅、5%的納米氧化鈦、5 %的鉀粉、2%的十二烷基硫酸鈉、5 %的鋁溶膠、I %的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液、2%的異丙醇；納米氧化鈦的粒徑為150納米；硅溶膠的固相體積分數(shù)為20% ;硅酸鈉溶液中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質量比為2:1:1: 4。
[0054]該摻鉀無機納米復合材料的制備方法為:
[0055](I)將占總重量2%的十二烷基硫酸鈉溶入占總重量I %的異丙醇中，并形成濃度為2g/L的表面活性劑溶液，將占總重量5%的納米氧化鈦加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌40分鐘，形成改性后的納米粉末增強材料懸濁液；
[0056](2)將上述改性后的納米粉末增強材料懸濁液與占總重量5%的鉀粉、占總重量
I%的異丙醇及占總重量80%的碳化硅均勻混合后，并放入轉速為3500轉/分鐘的研磨機中研磨8小時，然后進行超臨界干燥，得到混合粉末。
[0057](3)將上述混合粉末及占總重量I %的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液均勻混合，然后與占總重量5%的鋁溶膠混合，球磨2小時，形成無機納米復合材料，所述無機納米復合材料的固含量為82%。
[0058]實施例6:
[0059]一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，以重量百分數(shù)計，包括:38%的氧化鋁、38%的氮化鋁、10%的納米氧化鋅、4%的鉀粉、2%的聚乙烯吡咯烷酮、5%的鋁溶膠、1%的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液、2%的正己烷；納米氧化鈦的粒徑為200納米；硅溶膠的固相體積分數(shù)為40% ;硅酸鈉溶液中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質量比為2:1:1: 4。
[0060]該摻鉀無機納米復合材料的制備方法為:
[0061](I)將占總重量2%的聚乙烯吡咯烷酮溶入占總重量1%的正己烷中，并形成濃度為2g/L的表面活性劑溶液，將占總重量10%的納米氧化鋅加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌60分鐘，形成改性后的納米粉末增強材料懸濁液；
[0062](2)將上述改性后的納米粉末增強材料懸濁液與占總重量4%的鉀粉、占總重量
1%的正己烷及占總重量38%的氧化鋁和38%的氮化鋁均勻混合后，并放入轉速為4000轉/分鐘的研磨機中研磨8小時，然后進行超臨界干燥，得到混合粉末。
[0063](3)將上述混合粉末及占總重量1%的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液均勻混合，然后與占總重量5%的鋁溶膠混合，球磨2小時，形成無機納米復合材料，所述無機納米復合材料的固含量為84%。
[0064]實施例7:
[0065]一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，以重量百分數(shù)計，包括:38%的氧化硅、38 %的碳化硅、8 %的納米氧化鈦、4%的鉀粉、3 %的聚丙烯酸鈉、6 %的鋁溶膠、I %的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液、2%的正己烷；納米氧化鈦的粒徑為100納米；硅溶膠的固相體積分數(shù)為10% ;硅酸鈉溶液中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質量比為
2:1:1: 4。
[0066]該摻鉀無機納米復合材料的制備方法為:
[0067](I)將占總重量3%的聚丙烯酸鈉溶入占總重量1%的正己烷中，并形成濃度為1.5g/L的表面活性劑溶液，將占總重量8%的納米氧化鈦加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌60分鐘，形成改性后的納米粉末增強材料懸濁液；
[0068](2)將上述改性后的納米粉末增強材料懸濁液與占總重量4%的鉀粉、占總重量I %的正己烷及占總重量38%的氧化硅和38%的碳化硅均勻混合后，并放入轉速為4000轉/分鐘的研磨機中研磨8小時，然后進行超臨界干燥，得到混合粉末。
[0069](3)將上述混合粉末及占總重量I %的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液均勻混合，然后與占總重量6%的鋁溶膠混合，球磨2小時，形成無機納米復合材料，所述無機納米復合材料的固含量為85%。
【權利要求】
1.一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，其特征在于，以重量百分數(shù)計，包括:75-85 %的陶瓷前驅體粉末、5-10 %的納米粉末增強材料、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；所述陶瓷前驅體粉末選自氧化鋁、氮化鋁、氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一種或任意兩種的組合，所述納米增強材料選自納米氧化鋅粉末、納米氧化鈦粉末中的一種；所述表面活性劑選自聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、磷酸三丁酯、十二烷基苯磺酸鈉、木質素磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、聚丙烯酸鈉中的一種；所述低溫固化劑選自硅溶膠、鋁溶膠中的一種；所述無機粘結劑為添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液；所述有機溶劑為乙醇，丙酮，甲醇，正己烷，異丁醇、異丙醇中的一種；所述納米粉末增強材料的粒徑為20-200納米。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，其特征在于:所述鉀粉純度為98%以上，粒徑為1-5微米。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，其特征在于:所述陶瓷前驅體粉末的粒徑為180-280目。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，其特征在于:所述低溫固化劑的固相體積分數(shù)為10?40%。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料，其特征在于:所述無機粘結劑中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質量比為2:1:1: 4。
6.一種制備如權利要求1所述的用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料的方法，其特征在于，該方法包括: (1)將表面活性劑溶入有機溶劑中形成濃度為1.5-10g/L的表面活性劑溶液，將納米粉末增強材料加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌30-60分鐘，形成改性后的納米粉末增強材料懸濁液； (2)將上述改性后的納米粉末增強材料懸濁液、鉀粉、有機溶劑及陶瓷前驅體粉末均勻混合后，并放入轉速為3500-4000轉/分鐘的研磨機中研磨5-8小時，然后進行超臨界干燥，得到混合粉末。 (3)將上述混合粉末及無機粘結劑均勻混合，然后與低溫固化劑混合并球磨1-2小時，形成無機納米復合材料，所述無機納米復合材料的固含量為75-85%。
7.根據(jù)權利要求5所述的一種用于3D打印的摻鉀無機納米復合材料的制備方法，其特征在于: (1)將表面活性劑溶入有機溶劑中形成濃度為3g/L的表面活性劑溶液，將納米粉末增強材料加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌40分鐘，形成改性后的納米粉末增強材料懸濁液； (2)將上述改性后的納米粉末增強材料懸濁液、鉀粉、有機溶劑及陶瓷前驅體粉末均勻混合后，并放入轉速為4000轉/分鐘的研磨機中研磨6小時，然后進行超臨界干燥，得到混合粉末。 (3)將上述混合粉末及無機粘結劑均勻混合，然后與低溫固化劑混合并球磨2小時，形成無機納米復合材料，所述無機納米復合材料的固含量為80%。
【文檔編號】C04B35/581GK104478414SQ201410717618
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月1日 優(yōu)先權日:2014年12月1日
【發(fā)明者】岑偉, 郭雷 申請人:青島麥特瑞歐新材料技術有限公司