一种利用废弃陶瓷制备3D打印陶瓷膏体的实验研究

贺梦鸽，张文尧，寿烨俊

一种利用废弃陶瓷制备3D打印陶瓷膏体的实验研究

贺梦鸽，张文尧，寿烨俊

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

利用废瓷粉、粘结剂等材料调制出陶瓷膏体，研究膏体中的组分及质量分数对于膏体性能的影响，选择合适粒径的废瓷粉，配置适合3D打印使用的膏体。

废瓷粉；陶瓷膏体；3D打印技术；粘结剂

1 引言

李克强总理在国务院先进制造与3D打印专题讲座上指出，要加强3D打印技术研发，以个性化定制满足广阔市场需求，以增材制造降低能源资源消耗，以绿色生产赢得可持续发展的未来。同时，增材制造为废弃陶瓷的回收利用提供了新的方向。

本项目是用一种废弃陶瓷制备3D打印陶瓷膏体的实验研究，以废瓷作为主要原料，再加入粘合剂、增塑剂和分散剂（表面活性剂）调制出陶瓷膏体，研究膏体中的组分及质量分数对于膏体性能的影响，为陶瓷废弃物的回收利用和陶瓷行业的绿色发展提供新的方向。

2 研究内容及研究方法

制备挤出膏体的基本要求是：含有尽量少的粘结剂以保证较小的烧结收缩，具有良好的流变性以利于成形，同时必须保证坯体在挤出后具有保持一定形状的能力。

2.1 实验原理

2.1.1 粘结剂体系原理

陶瓷膏体粘结剂体系主要包括粘合剂、增塑剂、表面活性剂（分散剂）、溶剂。

粘结剂通常为水溶性高分子聚合物，水温度越高，溶解度越大；高分子聚合物溶于水中靠分子间范德华力起着粘合作用，一般来说，聚合度越高，粘合作用越大。增塑剂有吸湿性、保湿性、软化性，极易吸收空气中的水分，使膏体软化，提高膏体塑性，同时减少膏体中的水分蒸发，保证其不开裂；降低挤出过程中的摩擦力，但加入过量时会增大膏体粘度。表面活性剂（分散剂）电离成离子后吸附于颗粒表面，颗粒表面形成一种双电层的结构，使其表面电荷密度提高，通过表面同种电荷斥力作用，克服了颗粒间的范德华吸引力，实现分散效果。溶剂为去离子水。

2.1.2 膏体的成型原理

废瓷粉、玻璃粉与粘结剂体系按一定配比球磨形成陶瓷膏体，陶瓷粉料在粘结剂体系的粘结作用下相互连接。

2.2 主要实验仪器

实验仪器：行星式快速球磨机、标准筛、SNB-3旋转粘度计、实验室台秤、电动搅拌器、量筒、玻璃棒以及烧杯等。

旋转式粘度计原理：同步电机以稳定的速度旋转，通过游丝转轴带动转子旋转，如果转子未受到被测流体的阻力，则游丝与转子同速旋转，示数为0；反之，如果转子受到流体的阻力，则游丝产生扭矩，与粘滞阻力抗衡最后达到平衡，这时通过测量游丝的扭转角，并经过转化即得到被测流体的粘度值。

所选用的旋转粘度计附有1～4号四种转子，可以根据被测流体粘度的高低随同转速配合使用，转速也可以根据需要选择。

2.3 实验步骤与方法

通过实验确定合适组分，将粘合剂、增塑剂和表面活性剂进行混合后分散到去离子水中，搅拌并静置后得到均质稳定的胶状粘结剂体系；向上述粘结剂体系中加入合适的废瓷粉及烧结助剂，搅拌混合后真空除泡，得到高固相含量和有较好流动性的膏体。

2.3.1 废瓷的粒径选择

将收集到的废瓷处理后破碎成直径为20 mm左右的瓷块，清洗后干燥，脱除其中的水分，再利用行星式球磨机球磨处理后分别过筛得到74～180 μm不同粒径的废瓷粉。

2.3.2 粘结剂体系制备

2.3.2.1 粘结剂种类及质量分数选择

本作品选用聚乙烯醇（PVA）为粘合剂，质量分数在0.1～20范围内分散到去离子水中进行预实验配制溶液。确定大致质量分数基准，然后以上述选定的质量分数为基准，质量分数在±2范围内进行20组膏体制备实验，根据膏体挤出难易程度和挤出成型效果，结合旋转粘度计的数据进行调整，选择合适的粘合剂质量分数范围。

2.3.2.2 增塑剂质量分数选择

选用较为常见的甘油作为增塑剂进行实验，测试其成型效果并确定其质量分数。

2.3.3 膏体配置

2.3.3.1 废瓷颗粒对于膏体性能的影响

将74～180 μm的废瓷粉分别加入到之前确定的粘结剂体系中，通过电动机搅拌均化并除泡后，放入挤出头，进行挤出尝试，确定挤出效果较好的颗粒大小。

2.3.3.2 固相含量对膏体性能的影响

陶瓷3D打印挤出成型膏体要求较高固相含量，保证打印坯体的成型要求，同时避免后续过程的收缩。结合粘结剂体系配比，在固相含量体积比为40%～60%范围内进行实验，确定固相含量。

2.3.4 球磨时间的确认

球磨是颗粒吸附分散剂形成高固相稳定悬浮浆料的重要过程，合适的球磨时间可以减少团聚并达到稳定分散的目的，经过大量实验证明，将球磨时间定为24 h可以得到粘度合适的浆料。

2.3.5 挤出头及挤出打印参数确认

陶瓷坯体挤出过程中膏体受挤出速度、挤出头长度、不同装载量的影响，打印实验过程中，针对不同挤出速度、不同挤出头长度、不同装载量设置三种打印实验，整个打印过程在室温下进行。

粘度测量时根据实验结果，在25 ℃的室温下，使用4号转子，以30 r/min的转速进行非牛顿型流体表观粘度的测量。旋转粘度计量程选择如表1所示。

操作者若能遵照下列各要求进行测量，即能得到较正确的数值：①精确地控制被测液体的温度，需要时可选购外循环恒温水浴和配套的专用双层试样杯；②将转子浸于被测液体中足够长的时间同时保持恒温，使其能与被测液体温度一致；③保证被测流体的均匀性；④测量时尽可能将转子置于容器中央；⑤使用保护架进行测量；⑥保证转子的清洁；⑦防止转子浸入被测液体时有气泡粘度附在转子下面。

表1 旋转粘度计量程选择表

转速/（r/min）满量程值/（mPa·s） 转子1转子2转子3转子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 实验结果总结

通过对上述实验记录进行分析，选用150 μm的废瓷粉，可在能耗较低的情况下，保证膏体中颗粒能够较为顺利地通过挤出头，且所形成的膏体具有较好的可塑性和流动性。废瓷粉的含量对于膏体的流动性影响较为明显，当膏体中固含量的质量百分比高于60%时，膏体几乎不具有流动性。膏体中粘结剂体系可以增强膏体的流动性，但对于膏体的可塑性具有衰减作用：其中粘合剂对于膏体的粘性具有较大影响，百分比增加后粘度增长明显；增塑剂在含量较低的或者较高的情况下，均会影响膏体的流动性，增强膏体的可塑性；表面活性剂对于膏体的流动性具有较大影响，当质量分数较高时，流动性较好，可塑性较差。

TQ174.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.003

2095－6835（2019）15－0006－02

〔编辑：严丽琴〕