CN108530028B - 一种用于3d打印洁具的陶瓷粉料及陶瓷洁具生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于3D打印洁具的陶瓷粉料及陶瓷洁具生产工艺，按质量份数包括如下原料：兴陶砂7‑9份，洗水铝砂7‑9份，A级黑泥2‑4份，江西瓷石12‑14份，叶腊石10‑12份，焦宝石10‑12份，废瓷19‑21份。本发明打印出来的陶瓷试件强度高，打印出来的陶瓷试件精度高，陶瓷粉料与水性和油性树脂都可以混合均匀，且固含量较高，不会产生分层现象，打印出来的陶瓷产品缺陷较少，强度较高；节约能源、保护环境；节约陶瓷试件设计时间和成本。

Description

一种用于3D打印洁具的陶瓷粉料及陶瓷洁具生产工艺
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种用于3D打印洁具的陶瓷粉料及陶瓷洁具生产工艺。
背景技术
因陶瓷卫生洁具的形状较复杂，传统成型方法主要以注浆成型为主，其成型工艺过程为将陶瓷粉料配成具有流动性的泥浆，然后注入多孔模具内，水分在被模具吸入后便形成了具有一定厚度的均匀泥层，脱水干燥过程中同时形成具有一定厚度的均匀泥层。但是注浆成型有以下缺点：(1)劳动强度大，操作工序多，生产效率低；(2)生产周期长，石膏模占用场地面积大；(3)注件含水量高，密度小，收缩大，烧成时容易变形。(4)模具损耗大。(5)不适合连续化、自动化、机械化生产。而3D打印陶瓷洁具则劳动强度小，工序少，生产周期短，占用面积小，时间收缩小，无需模具，适合连续化生产。
3D打印(three dimensional printing)，又称增材制造、增量制造或添加制造，是一种快速成型技术，具有制作周期短、可打印复杂结构、一体化制造、个性化产品成本低等优点，在工业、医学、航天航空等领域具有广阔的应用前景。目前已应用于陶瓷3D打印的技术有陶泥挤出法(LDM)、光固化成型法(SLA、DLP)和立体喷墨打印法(3DP)，陶泥挤出法目前用于制备传统日用陶瓷如杯子、花瓶等，该方法制备的陶瓷粉料性能较好，但由于陶泥挤出头内径一般为0.4-4mm，产品表面可见起伏条纹，产品精度较差，结构细腻性的表现上有较大局限性；立体喷墨打印法(3DP，亦即铺粉法)目前用于无机材料的有石膏和覆膜砂制品，但该方法无需支撑，多喷头多通道设计可以实现多种材料的打印，是实现结构功能一体化的最佳方法，但因为3DP打印机里面的粉末铺得比较松散，产品的致密度比较低，孔隙率高，陶瓷的结构力学性能较难满足；光固化成型法(SLA、DLP)目前主要用于特种陶瓷如氧化铝、氧化锆和生物陶瓷等材料的打印，是目前打印陶瓷粉料致密度最好的一种3D打印方法，光固化打印的陶瓷制件的致密度可以超过99％，成型精度高一般可达到0.02mm或更高，且速度快，但目前因采用的陶瓷粉料为氧化锆、氧化铝等特种陶瓷粉料，光固化陶瓷浆料的成本高，而用普通陶瓷洁具粉料打印的技术则很少，且普通陶瓷粉料的高塑性使其与树脂混合困难，固含量难以提高，且打印出来的成品强度较低。
专利申请号(CN 105566860A)名为“一种用于3D光固化成型打印的陶瓷粉料及其制备方法”的发明专利公开了一种于3D光固化成型打印的陶瓷粉料，适用于光固化激光快速成型，基于数字光处理固化成型等3D光固化技术制备陶瓷产品，主要的权利要求为树脂方面的配方，但是打印出来的产品的针对性不强。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足之处，提供一种低成本3D打印洁具的陶瓷粉料和高固含量的用于3D打印洁具的陶瓷粉料及一种生产高强度、低吸水率、高精度的陶瓷洁具生产工艺。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于3D打印洁具的陶瓷粉料，按质量份数包括如下原料：兴陶砂7-9份，洗水铝砂7-9份，A级黑泥2-4份，江西瓷石12-14份，叶腊石10-12份，焦宝石10-12份，废瓷19-21份。
更进一步的说明，还包括富港钠砂，高铝钾钠，阳江铝钾砂，广西钾砂，贵广高铝钠石粉，滑石粒中的一种或多种的组合。
更进一步的说明，所述焦宝石为预烧过的焦宝石或为硬质的高铝高岭石，且Al2O3含量超过40％；所述废瓷为洁具烧成之后产生的瘠性料。
一种陶瓷洁具生产工艺，包括如下步骤：
步骤一：将各原料按比例称取，加入改良剂进行球磨过筛，随后与3D打印用光敏树脂及分散剂搅拌20min-1h混合均匀，得到固含量为60wt％-90wt％的浆料；
步骤二：将混合好的浆料放入SLA或DLP光固化打印机中，按指定的图纸进行打印，得到陶瓷洁具坯体的组成件；
步骤三：将陶瓷洁具坯体的组成件用粘结剂粘结成一个整体，然后进行干燥；
步骤四：将干燥好的陶瓷坯体放入排胶炉中进行排胶；
步骤五：在完成排胶的陶瓷洁具坯体表面进行施釉；
步骤六：入窑将陶瓷胚体烧制得到成品。
更进一步的说明，所述粉料与光敏树脂搅拌20min-1h混合均匀，不产生分层现象，当固含量达到60％-90％时，混合液的粘度低于5000cps/25℃。
更进一步的说明，所述步骤一中的分散剂为六偏磷酸钠、焦磷酸钠、草酸钠的其中一种或多种组合。
更进一步的说明，所述步骤一中的光敏树脂按重量份计，包括以下组分：
光固化树脂预聚体20-100份；
活性稀释剂0-30份；
光引发剂1-5份。
更进一步的说明，所述步骤三中的粘结剂为水、聚乙二醇、聚乙烯醇、L-苏糖醇、甘油、甲基纤维素的一种或多种组合。
更进一步的说明，所述步骤四中陶瓷坯体采用的排胶温度为500-700℃，保温12h-24h进行排胶。
更进一步的说明，所述步骤六中陶瓷坯体烧成温度为1200℃-1250℃，烧成周期为0.5-2h。
更进一步的说明，所述步骤一中对原料进行球磨过筛时，将各原料放入球磨机中湿磨20min-1h，得出的浆料干燥完之后，放入球磨机或立磨中干磨，得出的粉料再过120目筛。
本发明的有益效果：
1.打印出来的陶瓷试件强度高，抗折强度可达到55Mpa以上。
2.采用了SLA或DLP打印技术来打印陶瓷试件，打印出来的陶瓷试件精度高。
3.陶瓷粉料与水性和油性树脂都可以混合均匀，打印出来的陶瓷产品缺陷较少，不会产生分层现象；因为陶瓷配方含泥量少，是一种瘠性料，与树脂混合后粘度较低，固含量也较高。
4.节约能源、保护环境；因为陶瓷配方中，废瓷料的质量百分比达到了20％，可以有效的利用这些资源，也使环境免受破坏。
5.节约陶瓷试件设计时间和成本。因为传统行业的陶瓷洁具的模具制作需要几个月，而3D打印出来的陶瓷试件精度高、时间短、人工成本低，有效的节约了陶瓷试件设计时间和成本。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种用于3D打印洁具的陶瓷粉料，按质量份数包括如下原料：兴陶砂7-9份，洗水铝砂7-9份，A级黑泥2-4份，江西瓷石12-14份，叶腊石10-12份，焦宝石10-12份，废瓷19-21份。
用于3D打印的陶瓷粉料要与树脂混合后再使用，而树脂分为油性树脂和水性树脂，为了使陶瓷粉料与两种树脂都能均匀混合而使用的这种配方的陶瓷粉料含泥量少，尤其是吸水率和强度能够达到混合的要求，本陶瓷粉料是一种瘠性料，与树脂混合后粘度较低，固含量也较高，打印出来的陶瓷产品缺陷很少，不会产生分层现象。江西瓷石，叶腊石，焦宝石和废瓷，减少了坯料配方的塑性，增加坯体的强度和白度，增加坯料和釉料的适应性，也提高了坯体的烧结强度。
更进一步的说明，还包括富港钠砂，高铝钾钠，阳江铝钾砂，广西钾砂，贵广高铝钠石粉，滑石粒中的一种或多种的组合。
在陶瓷粉料的配方中加入富含钠离子和钾离子的原料，可以降低制作出的陶瓷胚体的烧结温度，提供一个良好的烧成环境。
原料混合后，混合物的各化学成分比为：
Figure BDA0001642580270000051
各原料的化学组成如下：
Figure BDA0001642580270000052
Figure BDA0001642580270000061
更进一步的说明，所述焦宝石为预烧过的焦宝石或为硬质的高铝高岭石，且Al2O3含量超过40％；所述废瓷为洁具烧成之后产生的瘠性料。
焦宝石不经过预烧的Al2O3含量不会超过38％，而预烧后的Al2O3含量达到45％以上，只有粉料中有充足的Al2O3才能烧制的陶瓷洁具具有良好的抗压强度和吸水率。首先废瓷料是烧成后的陶瓷洁具中残次品破碎后的陶瓷粉料，这里进行循环利用，使环境免受破坏，同时使用废料有效的降低了生产成本，其次，加入了废瓷的陶瓷配方也成为含泥量少的瘠性料，与树脂混合后粘度较低，固含量也较高，有利于提高3D打印时的精度。
一种陶瓷洁具生产工艺，包括如下步骤：
步骤一：将各原料按比例称取，加入改良剂进行球磨过筛，随后与3D打印用光敏树脂及分散剂搅拌20min-1h混合均匀，得到固含量为60wt％-90wt％的浆料；
步骤二：将混合好的浆料放入SLA或DLP光固化打印机中，按指定的图纸进行打印，得到陶瓷洁具坯体的组成件；
步骤三：将陶瓷洁具坯体的组成件用粘结剂粘结成一个整体，然后进行干燥；
步骤四：将干燥好的陶瓷坯体放入排胶炉中进行排胶；
步骤五：在完成排胶的陶瓷洁具坯体表面进行施釉；
步骤六：入窑将陶瓷胚体烧制得到成品。
在液槽中充满液态光敏树脂，其在激光器所发射的紫外激光束照射下，会快速固化(SLA与SLS所用的激光不同，SLA用的是紫外激光，而SLS用的是红外激光)。在成型开始时，可升降工作台处于液面以下，刚好一个截面层厚的高度。通过透镜聚焦后的激光束，按照机器指令将截面轮廓沿液面进行扫描。扫描区域的树脂快速固化，从而完成一层截面的加工过程，得到一层塑料薄片。然后，工作台下降一层截面层厚的高度，再固化另一层截面。这样层层叠加构成建构三维实体。这种方法进行3D打印精度高，成型快且表面质量好。在此基础上的DLP技术使用投影仪的树脂光源，扫描面积大，光固化速度更快，能够提高生产效率。改性剂的具体成分为长效硅烷偶联剂KHCX-550，即N-2-(氨乙基)-3氨丙基甲基二甲氧基硅烷，使亲水性粉体变为亲油性，提高粉体与树脂的相容性。
更进一步的说明，所述粉料与光敏树脂搅拌20min-1h混合均匀，不产生分层现象，当固含量达到60％-90％时，混合液的粘度低于5000cps/25℃。
更进一步的说明，所述步骤一中的分散剂为六偏磷酸钠、焦磷酸钠、草酸钠的其中一种或多种组合。
这种分散剂相比其他陶瓷粉料配方中的分散剂，具有针对性，对陶瓷粉体中的Al2O3、SiO2、黏土类等化合物进行改性，可以减少陶瓷粉料表面能,减少粒子的键合作用，防止团聚。防止陶瓷粉料和树脂聚合，影响3D打印时的效果。
更进一步的说明，所述步骤一中的光敏树脂按重量份计，包括以下组分：
光固化树脂预聚体20-100份；
活性稀释剂0-30份；
光引发剂1-5份。
活性稀释剂为甲基丙烯酸酯(HEMA)、丙二醇类二丙烯酸酯(DPGDA)、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)其中一种；作用为：溶解和稀释低聚物，调节体系粘度，参与光固化过程，影响光固化速率。光引发剂的具体成分为：a-羟基酮类光引发剂，如Darocur 1173(HMPP)和Irgacure 184(HCPK)；光引发剂的作用为：促进自由基或阳离子等活性中间体的产生，提高光引发效率。
更进一步的说明，所述步骤三中的粘结剂为水、聚乙二醇、聚乙烯醇、L-苏糖醇、甘油、甲基纤维素的一种或多种组合。
更进一步的说明，所述步骤四中陶瓷坯体采用的排胶温度为500-700℃，保温12h-24h进行排胶。
更进一步的说明，所述步骤六中陶瓷坯体烧成温度为1200℃-1250℃，烧成周期为0-2h。
更进一步的说明，所述步骤一中对原料进行球磨过筛时，将各原料放入球磨机中湿磨20min-1h，得出的浆料干燥完之后，放入球磨机或立磨中干磨，得出的粉料再过120目筛。
实施例组A
生产工艺包括如下步骤：
步骤一：陶瓷粉料按比例称取，其中取兴陶砂8份，洗水铝砂8份，A级黑泥3份，江西瓷石13份，叶腊石11份，焦宝石和废瓷的比例按下表称取；加入改良剂进行打磨过滤，随后与3D打印用光敏树脂及分散剂混合搅拌均匀，得到固含量为60wt％-90wt％的浆料；
步骤二：将混合好的浆料放入SLA或DLP光固化打印机中，按指定的图纸进行打印，得到陶瓷洁具坯体的组成件；
步骤三：将陶瓷洁具坯体的组成件用粘结剂粘结成一个整体，然后进行干燥；
步骤四：将干燥好的陶瓷坯体放入排胶炉中进行排胶；
步骤五：在完成排胶的陶瓷洁具坯体表面进行施釉；
步骤六：入窑将陶瓷胚体烧制得到成品。
原料 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
焦宝石 10份 10 10 12 12 12
废瓷 19份 20 21 19 20 21
表一
按照上述方法制备获得实施例1-6，对上述各实施例进行性能测试，测试结果见下表，
Figure BDA0001642580270000091
实施例组B
生产工艺包括如下步骤：
步骤一：将所述的陶瓷粉料按比例称取，其中选用的焦宝石的Al2O3含量如下表所示，加入改良剂进行打磨过滤，随后与3D打印用光敏树脂及分散剂混合搅拌均匀，得到固含量为60wt％-90wt％的浆料；
步骤二：将混合好的浆料放入SLA或DLP光固化打印机中，按指定的图纸进行打印，得到陶瓷洁具坯体的组成件；
步骤三：将陶瓷洁具坯体的组成件用粘结剂粘结成一个整体，然后进行干燥；
步骤四：将干燥好的陶瓷坯体放入排胶炉中进行排胶；
步骤五：在完成排胶的陶瓷洁具坯体表面进行施釉；
步骤六：入窑将陶瓷胚体烧制得到成品。
名称 实施例7 实施例8 实施例9 实施例10 实施例11
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>含量 30％ 35％ 40％ 45％ 50％
是否预烧 是 是 是 是 否
按照上述方法制备获得实施例7-11，对上述各实施例进行性能测试，测试结果见下表，
Figure BDA0001642580270000101
Figure BDA0001642580270000111
对比实施例组
一种陶瓷洁具生产工艺，将陶瓷粉料中的焦宝石、叶腊石、废瓷单独去除，其余陶瓷粉料成分及工艺均与实施例组A一致，制备得到对比实施例7-9，进行测试结果如下表：
去除成分 吸水率 抗压强度/Mpa 外观
叶腊石 <0.9％ 51 较白
焦宝石 <0.8％ 45 灰
废瓷 <1.0％ 48 灰
结合对比实施例组A、实施例组B和对比实施例组，本申请生产的陶瓷洁具强度高，吸水率低，而且废物利用，既节省成本又保护环境。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于3D打印洁具的陶瓷粉料，其特征在于：按质量份数包括如下原料：兴陶砂7-9份，洗水铝砂7-9份，A级黑泥2-4份，江西瓷石12-14份，叶腊石10-12份，焦宝石10-12份，废瓷19-21份；
所述陶瓷粉料各化学成分含量为：CaO：0.3％-0.7％，SiO2：64.2％-66.7％，Fe2O3：0-1％，MgO：0.3-0.8％，TiO2：0-0.5％，Al2O3：21.8％-23.8％，K2O：2.1％-3.3％，Na20：1.2-1.6％，I.L：2.8-4.8％；
所述陶瓷粉料3D打印的陶瓷洁具抗压强度达到55Mpa以上，吸水率小于0.5％；
所述焦宝石为预烧过的焦宝石或为硬质的高铝高岭石，且Al2O3含量超过45％；所述废瓷为洁具烧成之后产生的瘠性料。
2.根据权利要求1所述的一种用于3D打印洁具的陶瓷粉料，其特征在于：还包括富港钠砂，高铝钾钠，阳江铝钾砂，广西钾砂，贵广高铝钠石粉，滑石粒中的一种或多种的组合。
3.使用如权利要求2所述的一种用于3D打印洁具的陶瓷粉料的陶瓷洁具生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将各原料按比例称取，加入改良剂进行球磨过筛，随后与3D打印用光敏树脂及分散剂搅拌混合均匀，得到固含量为60wt％-90wt％的浆料；
步骤二：将混合好的浆料放入SLA或DLP光固化打印机中，按指定的图纸进行打印，得到陶瓷洁具坯体的组成件；
步骤三：将陶瓷洁具坯体的组成件用粘结剂粘结成一个整体，然后进行干燥；
步骤四：将干燥好的陶瓷坯体放入排胶炉中进行排胶；
步骤五：在完成排胶的陶瓷洁具坯体表面进行施釉；
步骤六：入窑将陶瓷胚体烧制得到成品。
4.根据权利要求3所述的一种陶瓷洁具生产工艺，其特征在于：所述粉料与光敏树脂搅拌20min-1h混合均匀，不产生分层现象，当固含量达到60％-90％时，混合液的粘度低于5000cps/25℃。
5.根据权利要求3所述的一种陶瓷洁具生产工艺，其特征在于：所述步骤一中的分散剂为六偏磷酸钠、焦磷酸钠、草酸钠的其中一种或多种组合。
6.根据权利要求3所述的一种陶瓷洁具生产工艺，其特征在于：所述步骤一中的光敏树脂按重量份计，包括以下组分：
光固化树脂预聚体20-100份；
活性稀释剂0-30份；
光引发剂1-5份。
7.根据权利要求3所述的一种陶瓷洁具生产工艺，其特征在于：所述步骤三中的粘结剂为水、聚乙二醇、聚乙烯醇、L-苏糖醇、甘油、甲基纤维素的一种或多种组合。
8.根据权利要求3所述的一种陶瓷洁具生产工艺，其特征在于：所述步骤四中陶瓷坯体采用的排胶温度为500-700℃，保温12h-24h进行排胶。
9.根据权利要求3所述的一种陶瓷洁具生产工艺，其特征在于：所述步骤六中陶瓷坯体烧成温度为1200℃-1250℃，烧成周期为0.5-2h。
10.根据权利要求3所述的一种陶瓷洁具生产工艺，其特征在于：所述步骤一中对原料进行球磨过筛时，将各原料放入球磨机中湿磨20min-1h，得出的浆料干燥完之后，放入球磨机或立磨中干磨，得出的粉料再过120目筛。
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