CN110981457A - 一种轻质多孔莫来石陶瓷及其直写3d打印制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无机非金属陶瓷制备相关技术领域，其公开了一种轻质多孔莫来石陶瓷及其直写3D打印制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将高岭土粉末及造孔剂粉末混合搅拌以得到混合均匀的混合粉体，再将增塑剂和溶剂加入所述混合粉体中并进行搅拌以得到陶瓷膏料，进而对所述陶瓷膏料进行除气；(2)以所述陶瓷膏料为原料，采用直写3D打印机打印多孔陶瓷坯体(3)将所述多孔陶瓷坯体进行干燥及烧结以得到具有具体形状结构的轻质多孔莫来石陶瓷。本发明成本较低，成形速度较快，制备工艺简单，有利于解决废弃煤系高岭土的再利用问题，在化工等领域具有较好的应用前景。

Description

一种轻质多孔莫来石陶瓷及其直写3D打印制备方法
技术领域
本发明属于无机非金属陶瓷制备相关技术领域，更具体地，涉及一种轻质多孔莫来石陶瓷及其直写3D打印制备方法。
背景技术
煤系高岭土又名煤矸石，是煤炭开采的副产物，随着煤矿产业的高速发展，煤系高岭土废弃物堆积已经成为严重的环境问题。高岭土大量堆积会侵占农业工业用地，还会产生粉尘和有害气体，污染空气和水资源，严重危害人体健康；高岭土分解出的金属离子和可溶性盐还会导致土壤酸化和地下水污染。但目前煤系高岭土的再利用率低下且再利用经济效益差，因此合理利用废弃煤系高岭土已经成为工业方面较为迫切的需求。
高岭土属于铝硅酸盐的一种，主要化学成分为Al2O3和SiO2，可用于制备拥有高耐火性、抗压能力强和高化学稳定性的莫来石陶瓷。多孔莫来石陶瓷又因为其较高的比表面积、高耐腐蚀性、低热膨胀系数等优点，可以被用于催化、过滤、隔热等领域。高岭土粉体可作为一种重要的莫来石陶瓷的原料，并结合合适的成形工艺制备复杂结构的多孔莫来石陶瓷，将有利于解决煤系高岭土的处理问题，减少其对环境的污染，并提高煤系高岭土的再加工附加值，为工业生产应用提供需求。
目前，采用传统方法制备多孔莫来石陶瓷还存在一些问题，如传统工艺难以成形复杂结构，难以实现宏观微观结构的协同调控等。相应地，本领域存在着发展一种适用性较好的轻质多孔莫来石陶瓷及其直写3D打印制备方法的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种轻质多孔莫来石陶瓷及其直写3D打印制备方法，其基于现有莫来石陶瓷的制备特点，研究及设计了一种宏观微观结构可控的、低成本的轻质多孔莫来石陶瓷及其直写3D打印制备方法。所述方法采用高岭土作为材料，并采用直写成形技术，具有耗材成本、生产成本相对于其他打印方式低、成形速度快、制备工艺简单等优点，有利于解决废弃煤系高岭土的再利用问题，在化工等领域有较好的应用前景。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法，所述直写3D打印制备方法主要包括以下步骤：
(1)将高岭土粉末及造孔剂粉末混合搅拌以得到混合均匀的混合粉体，再将增塑剂和溶剂加入所述混合粉体中并进行搅拌以得到陶瓷膏料，进而对所述陶瓷膏料进行除气；
(2)以所述陶瓷膏料为原料，采用直写3D打印机打印多孔陶瓷坯体；
(3)将所述多孔陶瓷坯体进行干燥及烧结以得到具有具体形状结构的轻质多孔莫来石陶瓷。
进一步地，所述造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、碳酸钙及硫酸钙中的一种或多种。
进一步地，所述增塑剂为膨润土、纤维素、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、高分子量聚乙二醇、聚丙烯酰胺及山梨醇中的一种或多种。
进一步地，所述高岭土粉末的质量占所述多孔陶瓷坯体的质量百分比为30％～50％；所述造孔剂的质量占所述多孔陶瓷坯体的质量百分比为30％～50％；所述增塑剂的质量占所述多孔陶瓷坯体的质量百分比为1％～2％。
进一步地，步骤(3)中采用的烧结温度为1400℃～1600℃，保温时间为1h～2h；升温速率为5～10℃/min。
进一步地，步骤(3)中采用的烧结温度为1400℃，保温时间为2h，升温速率为5℃/min。
进一步地，所述溶剂为水、甘油、低分子量聚乙二醇及液体石蜡中的至少一种。
按照本发明的另一个方面，提供了一种轻质多孔莫来石陶瓷，所述轻质多孔莫来石陶瓷是采用如上所述的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法制备而成的。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的轻质多孔莫来石陶瓷及其直写3D打印制备方法主要具有以下有益效果：
1.所述制备方法通过采用高岭土作为材料，并采用直写成形技术，具有耗材成本低、生产成本相对于其他打印方式低、成形速度快、制备工艺简单等优点，将有利于解决废弃煤系高岭土的再利用问题，在化工等领域有较好的应用前景。
2.所述制备方法通过调节原料中的高岭土和造孔剂等质量配比并结合直写3D打印来实现多孔莫来石陶瓷微观宏观孔道结构的协同调控。
3.在制备过程中加入的有机物在热解时产生的气体易从多孔结构中排出，可以保证制备的样品不会出现变形和开裂，因此本发明不需要设置排胶工序，可以有效缩短制备周期，简化制备工艺，降低制备成本。
4.本发明采用工业废弃物煤系高岭土作为原料，来源广泛，且采用的制备方法为直写3D打印，所用打印设备简单，降低了成本，简单易实施，适用于大规模生产。
附图说明
图1是本发明提供的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法的流程示意图；
图2是采用图1中的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法制备而成的轻质多孔莫来石陶瓷的微观形貌图，其中(a)图及(b)图分别为所述轻质多孔莫来石陶瓷的低倍微观形貌图及高倍微观形貌图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1及图2，本发明提供的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法，所述直写3D打印制备方法主要包括以下步骤：
步骤一，将高岭土粉末及造孔剂粉末混合搅拌以得到混合均匀的混合粉体，再将增塑剂和溶剂加入所述混合粉体中并进行搅拌以得到陶瓷膏料，进而对所述陶瓷膏料进行除气。
具体地，将所述高岭土粉末及所述造孔剂粉末混合搅拌，以使所述高岭土粉末及所述造孔剂粉末混合均匀得到混合粉体。接着，将增塑剂及溶剂加入到所述混合粉体中并进行搅拌，以使所述增塑剂及所述溶剂均匀分布到所述混合粉体中，由此制备成高塑性的陶瓷膏料。之后，将配置好的陶瓷膏料放入离心机内进行除气，可以结合真空或者半真空除气后得到打印用的陶瓷膏料。
本实施方式中，所述造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、碳酸钙及硫酸钙中的一种或多种；所述增塑剂为膨润土、纤维素、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、高分子量聚乙二醇、聚丙烯酰胺及山梨醇中的一种或多种；所述溶剂为水、甘油、低分子量聚乙二醇及液体石蜡中的至少一种。
步骤二，以所述陶瓷膏料为原料，采用直写3D打印机打印多孔陶瓷坯体。
本实施方式中，所述高岭土粉末的质量占所述多孔陶瓷坯体的质量百分比为30％～50％；所述造孔剂的质量占所述多孔陶瓷坯体的质量百分比为30％～50％；所述增塑剂的质量占所述多孔陶瓷坯体的质量百分比为1％～2％；其余为溶剂，以上组分的质量百分比之和为100％。
步骤三，将所述多孔陶瓷坯体进行干燥及烧结以得到具有具体形状结构的轻质多孔莫来石陶瓷。
本实施方式中，采用的烧结温度为1400℃～1600℃，保温时间为1h～2h；升温速率为5～10℃/min。
本发明还提供了一种轻质多孔莫来石陶瓷，所述轻质多孔莫来石陶瓷是采用如上所述的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法制备而成的。
以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步地详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法主要包括以下步骤：首先，将15g高岭土粉体、6g碳酸钙、0.291g膨润土粉体、9g 1wt％浓度的纤维素溶液混合制得固相含量为70wt％的陶瓷膏料，真空除气后通过直写3D打印机打印多孔陶瓷坯体，并将充分干燥后的陶瓷坯体在1400℃温度下烧结，保温时间为2h，升温速率为5℃/min，制备成复杂形状的高岭土陶瓷烧结件。
实施例2
本发明实施例2提供的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法主要包括以下步骤：将12g高岭土粉体、9g聚甲基丙烯酸甲酯、0.45g高分子量聚乙二醇、11.55g的液体石蜡球磨混合制得固相含量为70wt％的陶瓷膏料，真空除气后通过直写3D打印机打印成多孔陶瓷坯体，并将充分干燥后的多孔陶瓷坯体在1500℃温度下烧结，保温时间为1.5h，升温速率为7℃/min，以制备成具有复杂形状的高岭土陶瓷烧结件。
实施例3
本发明实施例3提供的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法主要包括以下步骤：将9g高岭土粉体、12g硫酸钙、0.6g高分子量聚乙二醇、11.4g的甘油球磨混合制得固相含量为70wt％的陶瓷浆料，真空除气后通过直写3D打印机打印成多孔陶瓷坯体，并将充分干燥后的多孔陶瓷坯体在1600℃温度下烧结，保温时间为1h，升温速率为10℃/min，以制备成复杂形状的高岭土陶瓷烧结件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将高岭土粉末及造孔剂粉末混合搅拌以得到混合均匀的混合粉体，再将增塑剂和溶剂加入所述混合粉体中并进行搅拌以得到陶瓷膏料，进而对所述陶瓷膏料进行除气；
(2)以所述陶瓷膏料为原料，采用直写3D打印机打印多孔陶瓷坯体；
(3)将所述多孔陶瓷坯体进行干燥及烧结以得到具有具体形状结构的轻质多孔莫来石陶瓷。
2.如权利要求1所述的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法，其特征在于：所述造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、碳酸钙及硫酸钙中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法，其特征在于：所述增塑剂为膨润土、纤维素、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、高分子量聚乙二醇、聚丙烯酰胺及山梨醇中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法，其特征在于：所述高岭土粉末的质量占所述多孔陶瓷坯体的质量百分比为30％～50％；所述造孔剂的质量占所述多孔陶瓷坯体的质量百分比为30％～50％；所述增塑剂的质量占所述多孔陶瓷坯体的质量百分比为1％～2％。
5.如权利要求1-4任一项所述的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法，其特征在于：步骤(3)中采用的烧结温度为1400℃～1600℃，保温时间为1h～2h；升温速率为5～10℃/min。
6.如权利要求5所述的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法，其特征在于：步骤(3)中采用的烧结温度为1400℃，保温时间为2h，升温速率为5℃/min。
7.如权利要求1-4任一项所述的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法，其特征在于：所述溶剂为水、甘油、低分子量聚乙二醇及液体石蜡中的至少一种。
8.一种轻质多孔莫来石陶瓷，其特征在于：所述轻质多孔莫来石陶瓷是采用权利要求1-7任一项所述的轻质多孔莫来石陶瓷的直写3D打印制备方法制备而成的。
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