CN108296410A - 一种3d打印用高强度覆膜砂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D打印用高强度覆膜砂及其制备方法。该覆膜砂由如下重量份的原料制备而成：原砂100‑200份，偶联剂5‑10份，分散剂2‑5份，催化剂3‑6份，润滑剂2‑4份，树脂30‑60份，固化剂20‑30份，耐高温剂10‑20份，溃散剂8‑12份和增强剂6‑8份；原砂为石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比6‑8:4‑6:5‑7:5‑9混合均匀得到。覆膜砂制备过程中，原砂改性时加入树脂高速搅拌混合，再加入固化剂等原料，使树脂与原砂在搅拌过程中通过键连接的方式连接，大大提高了覆膜砂的强度，从而提高了3D打印型砂的质量，也使得型砂可很好的适应各种3D打印产品的需要，扩大了型砂的适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及覆膜砂领域，尤其涉及一种3D打印用高强度覆膜砂及其制备方法。
背景技术
覆膜砂是砂粒表面在造型前即覆有一层固体树脂膜的型砂或芯砂，有冷法和热法两种覆膜工艺。冷法是用乙醇将树脂溶解，并在混砂过程中加入乌洛托品，使二者包覆在砂粒表面，乙醇挥发，得覆膜砂；热法是把砂预热到一定温度，加树脂使其熔融，搅拌使树脂包覆在砂粒表面，加乌洛托品水溶液及润滑剂，冷却、破碎、筛分得覆膜砂。3D打印是将覆膜砂一层一层采用重力叠加通过激光烧制使其固化成型的过程。3D打印覆膜砂相对于传统覆膜砂来说，其在覆膜砂的流动性能、强度、抗压能力等方面都有了很高的要求，普通的覆膜砂已经不能满足现在3D打印技术对覆膜砂材料性能的需要。
发明内容
本发明的目的就是提供一种强度高、流动性好、粘结效果好的3D打印用高强度覆膜砂及其制备方法。
本发明采取如下技术方案：
一种3D打印用高强度覆膜砂，由如下重量份的原料制备而成：原砂100-200份，偶联剂5-10份，分散剂2-5份，催化剂3-6份，润滑剂2-4份，树脂30-60份，固化剂20-30份，耐高温剂10-20份，溃散剂8-12份和增强剂6-8份；其中，原砂为石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比6-8:4-6:5-7:5-9混合均匀得到。
进一步的，覆膜砂的粒度为200-300目。
进一步的，原砂的粒度为200-300目。
进一步的，树脂为酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、聚酯多元醇中的一种或几种。
进一步的，覆膜砂用作3D打印快速成型的型砂。
本发明还提供一种制备3D打印高强度覆膜砂的方法，包括以下步骤：
(1)原砂制备：将石英砂、铬铁矿砂、镁砂、锆砂分别用清水清洗，清洗后在酸溶液中浸泡，之后取出放入干燥器中干燥，干燥温度为100-200℃，干燥后放入高温炉中灼烧，灼烧后冷却至室温取出，再将其分别加入球磨机中研磨成粒径大小为200-300目的颗粒，最后将石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比6-8:4-6:5-7:5-9混合均匀即得原砂；
(2)原砂改性：将步骤(1)获得的原砂100-200份、偶联剂5-10份、分散剂2-5份、催化剂3-6份和润滑剂2-4份加入混料机中高速搅拌20-30min，待混料机中物料温度达120-180℃时，混料机调节为低速搅拌并搅拌1-2h，之后加入30-60份树脂，加入完全后再开启高速搅拌1-5min，得到改性原砂；
(3)覆膜砂制备：当步骤(2)混料机中改性原砂的温度降至120-150℃时，将固化剂20-30份，耐高温剂10-20份，溃散剂8-12份和增强剂6-8份加入混料机中，高速搅拌10-20min，待物料冷却后取出；
(4)粉碎包装：将步骤(3)获得的物料加入粉碎机中粉碎成粒径大小为200-300目的颗粒，冷却至室温，取出包装，即得高强度覆膜砂。
进一步的，步骤(1)中酸溶液的浓度为1-10mol/L，浸泡时间为2-5h。
进一步的，步骤(1)中高温炉温度为900-1500℃，灼烧时间为10-20h。
进一步的，混料机高速搅拌转速为300-400rpm，低速搅拌转速为200-300rpm。
本发明的3D打印用高强度覆膜砂，具有以下有益效果：
(1)本发明的3D打印用高强度覆膜砂，对原砂改性过程中加入树脂高速搅拌混合，之后再加入固化剂等制备覆膜砂，使得树脂与原砂之间在搅拌过程中通过键连接的方式进行连接，改变了常规的原砂与树脂之间的包覆连接方式，增强了原砂与树脂的粘结点强度，进而大大提高了覆膜砂的强度，其常温抗拉强度达5-7.5MPa，抗弯曲强度达3-4MPa，相较于市售普通覆膜砂，强度均有较大幅度的提高，从而提高了3D打印型砂的质量，也使得型砂可很好的适应各种3D打印产品的需要，扩大了型砂的适用范围。
(2)本发明的3D打印用高强度覆膜砂中，具有良好导热散热效果的铬铁矿砂、镁砂和锆砂作为原砂的一部分，同时制备过程中添加有耐高温剂，提高了覆膜砂的耐高温性能；同时降低了乌洛托品分解的胺类化合物分解成原子氮的可能，提高了覆膜砂的表面光泽度。
(3)本发明的3D打印用高强度覆膜砂中，在对原砂改性过程中，加入分散剂、润滑剂等原料，提高了覆膜砂的流动性，其流动性达4.5-7.5cm/min，与市售普通覆膜砂1.2cm/min的流动性相比，得到了显著提高，且性质稳定，利用该覆膜砂可以打印微小零部件，且产品强度好、精度高。
具体实施方式
下面将结合具体实验数据，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种3D打印用高强度覆膜砂，由如下重量份的原料制备而成：原砂100份，二苯基甲烷二异氰酸酯5份，氧化聚乙烯蜡2份，硫代硫酸钠3份，硬脂酸醇2份，酚醛树脂30份，浓度为10-60％的乌洛托品20份，石棉纤维10份，铬酸钾8份和甲基丙烯酸甲脂树脂6份；其中，原砂为石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比6:4:5:5混合均匀得到。
本实施例中覆膜砂的制备方法，采用如下步骤：
(1)原砂制备：将石英砂、铬铁矿砂、镁砂、锆砂分别用清水清洗，清洗后在浓度为1mol/L的酸溶液中浸泡5h，之后取出放入干燥器中干燥，干燥温度为100℃，干燥后放入高温炉中灼烧，高温炉温度为900℃，灼烧时间为20h，灼烧后冷却至室温取出，再将其分别加入球磨机中研磨成粒径大小为200-300目的颗粒，最后将石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比6:4:5:5混合均匀即得原砂；
(2)原砂改性：将步骤(1)获得的原砂100份、二苯基甲烷二异氰酸酯5份、氧化聚乙烯蜡2份、硫代硫酸钠3份和硬脂酸醇2份加入混料机中高速搅拌20min，高速搅拌转速为400rpm，待混料机中物料温度达120℃时，混料机调节为低速搅拌并搅拌2h，低速搅拌转速为200rpm，之后加入30份酚醛树脂，加入完全后再开启高速搅拌5min，得到改性原砂；
(3)覆膜砂制备：当步骤(2)混料机中改性原砂的温度降至120℃时，将浓度为10-60％的乌洛托品20份，石棉纤维10份，铬酸钾8份和甲基丙烯酸甲脂树脂6份加入混料机中，高速搅拌20min，待物料冷却后取出；
(4)粉碎包装：将步骤(3)获得的物料加入粉碎机中粉碎成粒径大小为200-300目的颗粒，冷却至室温，取出包装，即得高强度覆膜砂。
实施例2
一种3D打印用高强度覆膜砂，由如下重量份的原料制备而成：原砂200份，甲苯二异氰酸酯10份，羟基硬脂酸5份，硫代硫酸钾6份，硬脂酸酰胺4份，脲醛树脂60份，浓度为10-60％的乌洛托品30份，玻璃纤维20份，二氧化锰12份和醋酸乙烯酯树脂8份；其中，原砂为石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比8:6:7:9混合均匀得到。
本实施例中覆膜砂的制备方法，采用如下步骤：
(1)原砂制备：将石英砂、铬铁矿砂、镁砂、锆砂分别用清水清洗，清洗后在浓度为10mol/L的酸溶液中浸泡2h，之后取出放入干燥器中干燥，干燥温度为200℃，干燥后放入高温炉中灼烧，高温炉温度为1500℃，灼烧时间为10h，灼烧后冷却至室温取出，再将其分别加入球磨机中研磨成粒径大小为200-300目的颗粒，最后将石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比8:6:7:9混合均匀即得原砂；
(2)原砂改性：将步骤(1)获得的原砂200份、甲苯二异氰酸酯10份、羟基硬脂酸5份、硫代硫酸钾6份和硬脂酸酰胺4份加入混料机中高速搅拌30min，高速搅拌转速为300rpm，待混料机中物料温度达180℃时，混料机调节为低速搅拌并搅拌1h，低速搅拌转速为300rpm，之后加入60份脲醛树脂，加入完全后再开启高速搅拌1min，得到改性原砂；
(3)覆膜砂制备：当步骤(2)混料机中改性原砂的温度降至150℃时，将浓度为10-60％的乌洛托品30份，玻璃纤维20份，二氧化锰12份和醋酸乙烯酯树脂8份加入混料机中，高速搅拌10min，待物料冷却后取出；
(4)粉碎包装：将步骤(3)获得的物料加入粉碎机中粉碎成粒径大小为200-300目的颗粒，冷却至室温，取出包装，即得高强度覆膜砂。
实施例3
一种3D打印用高强度覆膜砂，由如下重量份的原料制备而成：原砂150份，异佛尔酮7份，硬脂酸丁酯4份，高锰酸钾5份，硬脂酸3份，环氧树脂40份，浓度为10-60％的乌洛托品25份，石墨烯15份，重铬酸钾10份和甲基丙烯酸乙酯树脂7份；其中，原砂为石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比7:5:6:7混合均匀得到。
本实施例中覆膜砂的制备方法，采用如下步骤：
(1)原砂制备：将石英砂、铬铁矿砂、镁砂、锆砂分别用清水清洗，清洗后在浓度为5mol/L的酸溶液中浸泡4h，之后取出放入干燥器中干燥，干燥温度为120℃，干燥后放入高温炉中灼烧，高温炉温度为1200℃，灼烧时间为12h，灼烧后冷却至室温取出，再将其分别加入球磨机中研磨成粒径大小为200-300目的颗粒，最后将石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比7:5:6:7混合均匀即得原砂；
(2)原砂改性：将步骤(1)获得的原砂150份、异佛尔酮7份、硬脂酸丁酯4份、高锰酸钾5份和硬脂酸3份加入混料机中高速搅拌25min，高速搅拌转速为360rpm，待混料机中物料温度达160℃时，混料机调节为低速搅拌并搅拌1.5h，低速搅拌转速为250rpm，之后加入40份环氧树脂，加入完全后再开启高速搅拌4min，得到改性原砂；
(3)覆膜砂制备：当步骤(2)混料机中改性原砂的温度降至140℃时，将浓度为10-60％的乌洛托品25份，石墨烯15份，重铬酸钾10份和甲基丙烯酸乙酯树脂7份加入混料机中，高速搅拌16min，待物料冷却后取出；
(4)粉碎包装：将步骤(3)获得的物料加入粉碎机中粉碎成粒径大小为200-300目的颗粒，冷却至室温，取出包装，即得高强度覆膜砂。
实施例4
一种3D打印用高强度覆膜砂，由如下重量份的原料制备而成：原砂120份，六亚甲基二异氰酸酯5份，硬脂醇3份，次氯酸钠3份，硬脂酸丁酯2份，聚酯多元醇35份，浓度为10-60％的乌洛托品20份，玻璃纤维10份，高氯酸钾8份和已基丙烯酸乙酯8份；其中，原砂为石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比7:6:7:8混合均匀得到。
本实施例中覆膜砂的制备方法，采用如下步骤：
(1)原砂制备：将石英砂、铬铁矿砂、镁砂、锆砂分别用清水清洗，清洗后在浓度为7mol/L的酸溶液中浸泡2h，之后取出放入干燥器中干燥，干燥温度为180℃，干燥后放入高温炉中灼烧，高温炉温度为900℃，灼烧时间为15h，灼烧后冷却至室温取出，再将其分别加入球磨机中研磨成粒径大小为200-300目的颗粒，最后将石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比7:6:7:8混合均匀即得原砂；
(2)原砂改性：将步骤(1)获得的原砂120份、六亚甲基二异氰酸酯5份、硬脂醇3份、次氯酸钠3份和硬脂酸丁酯2份加入混料机中高速搅拌28min，高速搅拌转速为320rpm，待混料机中物料温度达120℃时，混料机调节为低速搅拌并搅拌2h，低速搅拌转速为200rpm，之后加入35份聚酯多元醇，加入完全后再开启高速搅拌2min，得到改性原砂；
(3)覆膜砂制备：当步骤(2)混料机中改性原砂的温度降至120℃时，将浓度为10-60％的乌洛托品20份，玻璃纤维10份，高氯酸钾8份和已基丙烯酸乙酯8份加入混料机中，高速搅拌20min，待物料冷却后取出；
(4)粉碎包装：将步骤(3)获得的物料加入粉碎机中粉碎成粒径大小为200-300目的颗粒，冷却至室温，取出包装，即得高强度覆膜砂。
对比例1
一种3D打印用高强度覆膜砂，由如下重量份的原料制备而成：石英砂100份，酚醛树脂30份，浓度为10-60％的乌洛托品20份，铬酸钾8份和甲基丙烯酸甲脂树脂6份。
本对比例中覆膜砂的制备方法，采用如下步骤：
(1)原砂制备：将石英砂用清水清洗，清洗后在浓度为1mol/L的酸溶液中浸泡5h，之后取出放入干燥器中干燥，干燥温度为100℃，干燥后放入高温炉中灼烧，高温炉温度为900℃，灼烧时间为20h，灼烧后冷却至室温取出，再将其加入球磨机中研磨成粒径大小为200-300目的颗粒；
(2)覆膜砂制备：当原砂加入混料机中搅拌，搅拌转速为200rpm，保持温度在120℃，将浓度为10-60％的乌洛托品20份，铬酸钾8份和甲基丙烯酸甲脂树脂6份加入混料机中，高速搅拌20min，高速搅拌转速为320rpm，待物料冷却后取出；
(3)粉碎包装：将步骤(2)获得的物料加入粉碎机中粉碎成粒径大小为200-300目的颗粒，冷却至室温，取出包装，即得覆膜砂。
对比例2
一种3D打印用高强度覆膜砂，由如下重量份的原料制备而成：石英砂100份，酚醛树脂30份，浓度为10-60％的乌洛托品20份，二氧化锰8份和醋酸乙烯酯树脂6份。
本对比例中覆膜砂的制备方法，采用如下步骤：
(1)原砂制备：将石英砂用清水清洗，清洗后在浓度为1mol/L的酸溶液中浸泡5h，之后取出放入干燥器中干燥，干燥温度为100℃，干燥后放入高温炉中灼烧，高温炉温度为900℃，灼烧时间为20h，灼烧后冷却至室温取出，再将其加入球磨机中研磨成粒径大小为200-300目的颗粒；
(2)覆膜砂制备：当原砂加入混料机中搅拌，搅拌转速为250rpm，保持温度在120℃，将浓度为10-60％的乌洛托品20份，二氧化锰8份和醋酸乙烯酯树脂6份加入混料机中，高速搅拌20min，高速搅拌转速为360rpm，待物料冷却后取出；
(3)粉碎包装：将步骤(2)获得的物料加入粉碎机中粉碎成粒径大小为200-300目的颗粒，冷却至室温，取出包装，即得覆膜砂。
将实施例1-4及对比例1-2中制得的覆膜砂进行性能测试，其中将各实施例及对比例中的覆膜砂制备成铸膜件进行强度测试，测试结果如表1所示。
表1覆膜砂测试结果
由表1可知，本发明实施例1-4中制得的3D打印用高强度覆膜砂制备的铸膜件的常温抗拉伸强度为5-7.5MPa，抗弯曲强度为3-4MPa，覆膜砂的流动性为4.5-7.5cm/min；而对比例1-2中制得的覆膜砂制备的铸膜件的常温抗拉伸强度为3.5-3.8MPa，抗弯曲强度为2-2.4MPa，覆膜砂的流动性为1-1.2cm/min。与对比例中覆膜砂制成的铸膜件相比，本发明的3D打印用高强度覆膜砂的常温抗拉伸强度和抗弯曲强度及流动性均有大幅度的提升，说明通过原砂改性过程中加入粘结剂、润滑剂等原料，使得树脂与原砂之间通过键连接的方式连接，粘结力更强，使得本发明制得的覆膜砂具有更好的强度，且流动性好。在将该覆膜砂用作3D打印型砂时，提高了3D打印型砂的质量，打印出来的产品强度好、精度高，也使得型砂可很好的适应各种3D打印产品的需要，扩大了型砂的适用范围。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (9)
1.一种3D打印用高强度覆膜砂，其特征在于，由如下重量份的原料制备而成：原砂100-200份，偶联剂5-10份，分散剂2-5份，催化剂3-6份，润滑剂2-4份，树脂30-60份，固化剂20-30份，耐高温剂10-20份，易溃散剂8-12份和增强剂6-8份；其中，原砂为石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比6-8:4-6:5-7:5-9混合均匀得到。
2.根据权利要求1所述的3D打印用高强度覆膜砂，其特征在于，所述覆膜砂的粒度为200-300目。
3.根据权利要求1所述的3D打印用高强度覆膜砂，其特征在于，所述原砂的粒度为200-300目。
4.根据权利要求1所述的3D打印用高强度覆膜砂，其特征在于，所述树脂为酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、聚酯多元醇中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的3D打印用高强度覆膜砂，其特征在于，所述覆膜砂用作3D打印快速成型的型砂。
6.一种制备权利要求1-5中任一项所述的覆膜砂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原砂制备：将石英砂、铬铁矿砂、镁砂、锆砂分别用清水清洗，清洗后在酸溶液中浸泡，之后取出放入干燥器中干燥，干燥温度为100-200℃，干燥后放入高温炉中灼烧，灼烧后冷却至室温取出，再将其分别加入球磨机中研磨成粒径大小为200-300目的颗粒，最后将石英砂、铬铁矿砂、镁砂和锆砂按质量比6-8:4-6:5-7:5-9混合均匀即得原砂；
(2)原砂改性：将步骤(1)获得的原砂100-200份、偶联剂5-10份、分散剂2-5份、催化剂3-6份和润滑剂2-4份加入混料机中高速搅拌20-30min，待混料机中物料温度达120-180℃时，混料机调节为低速搅拌并搅拌1-2h，之后加入30-60份树脂，加入完全后再开启高速搅拌1-5min，得到改性原砂；
(3)覆膜砂制备：当步骤(2)混料机中改性原砂的温度降至120-150℃时，将固化剂20-30份，耐高温剂10-20份，易溃散剂8-12份和增强剂6-8份加入混料机中，高速搅拌10-20min，待物料冷却后取出；
(4)粉碎包装：将步骤(3)获得的物料加入粉碎机中粉碎成粒径大小为200-300目的颗粒，冷却至室温，取出包装，即得高强度覆膜砂。
7.根据权利要求6所述的制备覆膜砂的方法，其特征在于，步骤(1)中酸溶液的浓度为1-10mol/L，浸泡时间为2-5h。
8.根据权利要求6所述的制备覆膜砂的方法，其特征在于，步骤(1)中高温炉温度为900-1500℃，灼烧时间为10-20h。
9.根据权利要求6所述的制备覆膜砂的方法，其特征在于，混料机高速搅拌转速为300-400rpm，低速搅拌转速为200-300rpm。
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