一种具有高比表面积的多孔陶瓷制件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于FDM

【技术实现步骤摘要】
一种具有高比表面积的多孔陶瓷制件及其制备方法


[0001]本专利技术属于3D打印陶瓷制件
，具体涉及一种具有高比表面积的多孔陶瓷制件及其制备方法。

技术介绍

[0002]多孔陶瓷材料是指通过高温焙烧，使得材料内部获得大量闭合或彼此相通的气孔结构的陶瓷材料，它具有密度低、渗透率高、耐高温、耐腐蚀以及良好隔热性能等特点。多孔陶瓷材料作为一种极具前景的材料，最大的特点就是具有较高的孔隙率和比表面积，因此被广泛应用在日常生活及工业生产中，包括过滤、分离、隔热、吸音、催化剂载体等领域。
[0003]目前多孔陶瓷材料的制备方法主要包括有机泡沫浸渍工艺、添加剂造孔工艺、颗粒堆积法等。其中有机泡沫浸渍工艺是目前最常用的，由Schwartzwalder在1963年专利技术，其制备过程是首先将一些具有开孔三维结构的有机泡沫做成特定的骨架结构，然后把陶瓷原浆灌入到该骨架结构中，待原浆稍稍干燥后，将其置于煅烧炉中进行高温焙烧。经过焙烧后，有机泡沫挥发被去除，从而获得具备特定的孔径及小孔密度的多孔陶瓷材料。这种制作工艺所要用到的仪器设备比较简单，制造成本也相对较低，利用这种工艺可以制备出气孔率高、强度高的制品。但是上述多孔陶瓷的制造方法均还需依赖于模板或者模具来实现外形的控制，对于复杂结构和外形的多孔陶瓷则比较难实现。
[0004]随着电子信息技术的成熟，3D打印也应运而生并普及，开启了无模具制造的时代。《经济学人》杂志曾描述，以3D打印为代表的数字化制造技术将改写制造业的生产方式，进而改变产业链的运作模式。3D打印，又名增材制造(additive manufacturing,AM)出现于20世纪70年代。按照美国材料与试验协会国际标准组织F42增材制造技术委员会给出的定义：3D打印是根据3D模型数据，用材料的层层相连接来制造物体的工艺。将3D打印应用到多孔陶瓷的制备中可以降低其研发周期和成本，提高成型效率。
[0005]中国专利文献CN108101574A公开了一种3D打印制备陶瓷多孔件的方法及陶瓷多孔件，该陶瓷多孔件通过以下制备方法制备得到：(1)毛坯成形步骤：将3D打印用陶瓷膏体装入桌面打印机的料仓，在室温下采用3D打印技术，成形出设计规格的陶瓷多孔件毛坯；(2)毛坯固化步骤：毛坯成形步骤中成形的陶瓷多孔件毛坯置于二氧化碳气氛中，逐渐干燥聚合而固化；(3)成品制备步骤：毛坯固化步骤中固化好的陶瓷多孔件毛坯置于空气炉中，进行一体化的脱脂-烧结处理，得到所需的陶瓷多孔件。
[0006]中国专利文献CN105645840A公开了一种用于3D打印的多孔陶瓷微球复合材料，主要由多孔陶瓷微球和热塑性树脂组成，所述多孔陶瓷微球占总重量80％-99％，所述热塑性树脂占总重量1％-20％，通过双螺杆挤出机中挤出造粒，制得用于3D打印的陶瓷材料。
[0007]中国专利文献CN108178659A公开了一种3D打印用成型材料，所述成型材料由以下组分组成：级配改性氧化铝粉、黄糊精粉以及粘结剂，其中，粘结剂占成型材料的质量百分比为5％-50％，且级配改性氧化铝粉与黄糊精粉的用量比为(63-97):(15-25)。
[0008]在目前少量的采用3D打印制备多孔陶瓷的公开专利中，几乎没有对成型件的孔隙
率及比表面积的改进方法的报道，而孔隙和比表面积是多孔陶瓷重要的特征参数，对其应用领域起到关键的作用。

技术实现思路

[0009]为了改善现有技术的不足，本专利技术的一个目的是提供一种基于熔融沉积成型(FDM)3D打印制备具有高比表面积多孔陶瓷制件的喷头；本专利技术的另一个目的是提供一种材料体系，其可以通过上述喷头打印得到具有高比表面积的多孔陶瓷制件；本专利技术的还一个目的是提供一种基于上述喷头，采用上述材料体系制备具有高比表面积的多孔陶瓷制件的方法；本专利技术的再一个目的是提供一种采用上述材料体系和上述喷头经所述制备方法得到的具有高比表面积的多孔陶瓷制件。
[0010]FDM是利用高温将材料融化，通过喷头挤出成细丝，在构件平台堆积成型。FDM是最常见的3D打印技术，其工作过程为：在计算机的控制下，按照三维模型确定的制件截面轮廓，打印喷头作水平X方向的运动，构件平台作水平Y方向的运动，同时由送丝机构将热塑性塑料丝送入喷头，受加热后成为可流动的熔体，然后通过喷嘴挤出并沉积在平台上。
[0011]本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的：
[0012]本专利技术提供一种基于FDM-3D打印的喷头，其中，所述喷头包括喷头上部件、喷头下部件、挡板和挡板连接件；
[0013]所述喷头上部件的结构为圆筒型，所述喷头下部件的结构为圆锥台结构，所述喷头上部件的一端形成进料口，所述喷头上部件的另一端与所述喷头下部件直径较大的一端连接，所述喷头下部件直径较小的一端形成出料口；
[0014]所述挡板沿垂直于底面的方向上与出料口齐平，且与出料口之间形成C字形空隙；所述挡板通过挡板连接件与喷头上部件或喷头下部件连接。
[0015]根据本专利技术，所述挡板的结构为异性结构，所述挡板沿垂直于底面的方向上与出料口齐平，且与出料口之间形成C字形空隙。
[0016]本专利技术提供一种适用于FDM-3D打印的材料体系，其中，所述材料体系包括热塑性高分子组合物、可膨胀微球、刚性颗粒和任选地稀土添加剂，其中，所述可膨胀微球的起始发泡温度低于所述材料体系加工为FDM-3D打印用丝材的加工温度和FDM-3D打印的加工温度。
[0017]根据本专利技术，所述热塑性高分子组合物占材料体系总质量的15-25wt％、可膨胀微球占材料体系总质量的2-6wt％、刚性颗粒占材料体系总质量的72-80wt％、稀土添加剂占材料体系总质量0-1.5wt％。
[0018]根据本专利技术，所述热塑性高分子组合物包括热塑性高分子、内润滑剂和增粘树脂。
[0019]优选地，所述热塑性高分子组合物中包括热塑性高分子60-80wt％、内润滑剂10-20wt％、增粘树脂10-20wt％。
[0020]优选地，所述刚性颗粒的粒径为微米级，例如为1μm、5μm、10μm和30μm中的一种或多种组合；例如，所述刚性颗粒选自70份粒径为30μm刚性颗粒、25份粒径为5μm刚性颗粒、5份粒径为1μm刚性颗粒的组合；或者是50份粒径为30μm刚性颗粒与50份粒径为1μm刚性颗粒的组合；具体的所述刚性颗粒选自70份粒径为30μm氧化铝颗粒、25份粒径为5μm氧化铝颗粒、5份粒径为1μm氧化铝颗粒的组合；或者50份粒径为30μm氧化铝颗粒与50份粒径为1μm氧
化铝颗粒的组合。
[0021]本专利技术提供一种多孔陶瓷制件，其是由上述的材料体系通过含有上述的基于FDM-3D打印的喷头的FDM-3D打印设备打印得到。
[0022]优选地，所述材料体系先通过均匀混合再经过双螺杆挤出机塑化并造粒，然后通过单螺杆挤出机拉丝，拉出的丝直径为1.75mm，所述丝通过含有上述的基于FDM-3D打印的喷头的FDM-3D打印设备打印得到所述多孔陶瓷制件。
[0023]本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FDM-3D打印的喷头，其中，所述喷头包括喷头上部件(1)、喷头下部件(2)、挡板(3)和挡板连接件(4)；所述喷头上部件(1)的结构为圆筒型，所述喷头下部件(2)的结构为圆锥台结构，所述喷头上部件(1)的一端形成进料口，所述喷头上部件(1)的另一端与所述喷头下部件(2)直径较大的一端连接，所述喷头下部件(2)直径较小的一端形成出料口；所述挡板(3)沿垂直于底面的方向上与出料口齐平，且与出料口之间形成C字形空隙；所述挡板(3)通过挡板连接件(4)与喷头上部件(1)或喷头下部件(2)连接。2.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述挡板(3)的结构为异性结构，所述挡板(3)沿垂直于底面的方向上与出料口齐平，且与出料口之间形成C字形空隙。3.一种适用于FDM-3D打印的材料体系，其中，所述材料体系包括热塑性高分子组合物、可膨胀微球、刚性颗粒和任选地稀土添加剂，其中，所述可膨胀微球的起始发泡温度低于所述材料体系加工为FDM-3D打印用丝材的加工温度和FDM-3D打印的加工温度。4.根据权利要求3所述的材料体系，其中，所述热塑性高分子组合物占材料体系总质量的15-25wt％、可膨胀微球占材料体系总质量的2-6wt％、刚性颗粒占材料体系总质量的72-80wt％、稀土添加剂占材料体系总质量0-1.5wt％。5.根据权利要求3或4所述的材料体系，其中，所述热塑性高分子组合物包括热塑性高分子、内润滑剂和增粘树脂。优选地，所述热塑性高分子组合物中包括热塑性高分子60-80wt％、内润滑剂10-20wt％、增粘树脂10-20wt％。优选地，所述刚性颗粒的粒径为微米级，例如为1μm、5μm、10μm和30μm中的一种或多种组合；例如，所述刚性颗粒选自70份粒径为30μm刚性颗粒、25份粒径为5μm刚性颗粒、5份粒径为1μm刚性颗粒的组合；或者是50份粒径为30μm刚性颗粒与50份粒径为1μm刚性颗粒的组合；具体的所述刚性颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：王剑磊，王西柚，吴立新，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：