陶瓷3D打印的分散劑：提升打印質量和性能的關鍵

來源：3D打印AM增材制造

陶瓷3D打印分散劑的選擇和應用成為了確保打印質量和最終產品性能的關鍵因素。本文將深入探討分散劑在陶瓷3D打印中的作用、常用類型、對機械性能的影響，選擇時的注意事項，常用陶瓷粉體適用分散劑及3D打印碳化硅陶瓷常用分散劑。

分散劑的主要作用

分散劑通過改善漿料的流變性能、穩(wěn)定性和均勻性，直接影響打印過程和最終產品的質量和性能。其主要作用包括：

改善流變性能：確保打印材料在打印過程中的均勻性和一致性。

提高穩(wěn)定性：防止粉末顆粒團聚，維持懸浮液的穩(wěn)定性。

控制粘度：確保打印材料具有適當的流動性，避免過高或過低的粘度影響打印效果。

提高打印精度：通過優(yōu)化分散劑的使用，改善打印層的質量和精度。

影響干燥和燒結過程：減少干燥和燒結過程中的缺陷。

確保材料兼容性：選擇與陶瓷粉末和打印液體兼容的分散劑。

PMA25分散劑對陶瓷漿料燒結的具體影響主要體現在以下方面：

改善燒結均勻性：PMA25有助于制備均勻分散的陶瓷漿料，這保證了在燒結過程中陶瓷粉末能夠均勻地收縮和融合，減少了內部缺陷，如氣孔和裂紋，從而提高了燒結體的均勻性和整體性能。

提高燒結密度：由于PMA25能夠制備高固相含量、低粘度的漿料，這有助于在燒結過程中獲得更高的材料密度，因為更高的固相含量意味著更多的陶瓷材料在燒結過程中緊密結合。

降低燒結溫度：均勻分散的陶瓷粉末可能需要較低的燒結溫度，因為顆粒之間的接觸面積更大，有助于促進燒結過程的進行。這可以節(jié)約能源并減少高溫對設備的損耗。

減少燒結變形：由于PMA25有助于制備出均勻且穩(wěn)定的漿料，因此在燒結過程中可以減少因不均勻收縮引起的變形，提高燒結件的尺寸精度。

優(yōu)化微觀結構：使用PMA25分散劑制備的陶瓷漿料在燒結后可以形成更優(yōu)化的微觀結構，如更均勻的晶粒尺寸和分布，這有助于提高陶瓷材料的機械性能和熱穩(wěn)定性。

提高燒結速度：均勻分散的粉末在燒結過程中可能具有更快的傳質和傳熱速率，從而加速燒結過程，提高生產效率。

減少燒結缺陷：由于PMA25能夠有效防止粉末在漿料制備和打印過程中的聚集，因此在燒結過程中可以減少因團聚體造成的缺陷，如孔洞和夾雜物。

Solsperse™ AC超分散劑在3D打印陶瓷制造中發(fā)揮了關鍵作用，提升了打印質量和生產效率，其主要優(yōu)勢的總結：

高效分散：Solsperse™ AC超分散劑能夠有效地潤濕細粉并將其分散到光固化樹脂中，降低黏度，減少結塊，從而實現窄粒度分布。這對于陶瓷粉末的均勻分散至關重要，有助于提高打印過程中的均勻性和最終產品的機械強度。

高固體含量：該超分散劑能夠實現高固體濃度的陶瓷懸浮液，濃度可高達60-65 vol.%。高固體含量有助于減少回縮和實現更高密度的燒結體，從而提高最終產品的機械強度。

流變控制：Solsperse™ AC超分散劑有助于控制陶瓷懸浮液的流變性能，確保其具有高度流動性、均勻性和穩(wěn)定性。這對于3D打印過程中的自流平和重新涂覆至關重要，能夠促進打印層的均勻形成。

穩(wěn)定性：與其他分散劑相比，Solsperse™ AC超分散劑配制的懸浮液具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。它們能夠在長時間內保持均質性，避免在打印過程中出現分層和裂縫。

兼容性：Solsperse™ AC超分散劑與光聚合（甲基）丙烯酸酯或環(huán)氧粘合劑系統(tǒng)和陶瓷粉混合物具有良好的兼容性。這確保了在打印過程中，分散劑不會影響最終產品的應用性能。

減少黏度：該超分散劑能夠有效降低陶瓷懸浮液的黏度，使其更適合3D打印工藝。低黏度的懸浮液有助于減少打印過程中的剝離力，從而減少最終產品出現裂紋和分層的風險。

高濃度應用：Solsperse™ AC超分散劑能夠實現高固體濃度的陶瓷懸浮液，這對于需要高密度和高純度的最終產品尤為重要。例如，Solsperse™ AC1和AC2產品適合用于小粒度材料的分散，而AC3和AC4則適合用于大粒度、需要高孔隙度陶瓷材料的穩(wěn)定性控制。

常用分散劑類型

BYK系列：適用于光固化陶瓷漿料，具有較低的揮發(fā)性。

聚乙烯基吡啶酮：降低Al2O3陶瓷漿料的粘度，提高穩(wěn)定性。

聚丙烯酸鈉和聚丙烯酸酯銨：適用于多種陶瓷漿料，改善流變性能。

油性聚氨酯、聚醚改性有機硅：適用于ZrO2陶瓷漿料，降低粘度。

PMA25、丙二醇甲醚醋酸酯：適用于光固化氧化鋁陶瓷漿料，改善流變性能。

分散劑濃度對機械性能的影響

分散劑的濃度對漿料的穩(wěn)定性、流變性能、孔隙率和密度、干燥和燒結過程以及材料一致性都有顯著影響，進而影響部件的機械性能。

在選擇分散劑時，需要考慮以下因素：

材料特性：選擇與特定陶瓷材料兼容的分散劑。

復合分散劑系統(tǒng)：可能需要結合不同類型的分散劑以獲得最佳性能。

濃度控制：避免添加量不當影響懸浮液性能和打印質量。

環(huán)境影響：考慮分散劑對環(huán)境和健康的影響。

實驗測試：進行充分的實驗測試以確定最適合的分散劑類型和添加量。

與打印參數的相互作用：考慮分散劑與打印速度、層高和環(huán)境等參數的相互作用。

Solsperse™ 超分散劑對60 vol.%氧化鋯懸浮液黏度的影響。

常見陶瓷顆粒類型及其適用的分散劑：

1.氧化鋁（Alumina）：氧化鋁是一種常見的陶瓷材料，通常需要使用能夠與酸性表面良好作用的分散劑，如一些陰離子型分散劑。

2.氧化鋯（Zirconia）：氧化鋯顆粒通常具有更高的硬度和優(yōu)異的耐磨性，適用的分散劑應該能夠提供良好的穩(wěn)定性和減少團聚，比如非離子型或某些特殊設計的超分散劑。

3.氮化硅（Silicon Nitride）：氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機械性能，適用的分散劑需要能夠在高溫下保持穩(wěn)定，通常是具有耐高溫性能的超分散劑。

4.鈦酸鋇（Barium Titanate）：常用于電子陶瓷，適用的分散劑應該能夠提供良好的介電性能和顆粒分散性，通常是非離子型分散劑。

5.碳化硅（Silicon Carbide）：碳化硅陶瓷具有很高的硬度和耐磨性，適用的分散劑需要能夠有效地在非極性介質中工作，可能是特殊設計的聚合物分散劑。

光固化碳化硅陶瓷3D打印中的分散劑

在光固化碳化硅陶瓷3D打印中，分散劑的選擇至關重要。適用于該領域的常用分散劑：

BYK系列分散劑：在3D打印生坯的光固化性和完整性方面表現出色。

Solsperse™ AC超分散劑：特別適用于先進陶瓷中使用，提高打印過程的效率和質量。

PMA25分散劑：有效降低漿料粘度，提高其在3D打印過程中的流動性和均勻性。

丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）：在光固化氧化鋁陶瓷漿料中表現出良好的分散效果。

聚丙烯酸銨（PAA-NH4）：提高漿料的穩(wěn)定性和降低粘度。

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）：在某些情況下可作為分散劑使用，但粘度較高。

選擇合適的分散劑對于提高光固化碳化硅陶瓷漿料的質量和3D打印的成品率具有重要意義。通過實驗測試和優(yōu)化，可以確定最適合特定應用的分散劑類型和添加量，從而確保打印過程的順利進行和最終產品的性能滿足要求。