其他行業應用專題 | 基于LUMiSizer的陶瓷3D打印懸浮液穩定性研究與配方優化

本文隸屬于其他行業應用專題，全文共 7084字，閱讀大約需要 18 分鐘

摘要：陶瓷3D打印對陶瓷懸浮液的動力學穩定性、粘度及成型一致性要求嚴苛，光固化陶瓷懸浮液的穩定性直接決定3D打印的層間固化效果、坯體精度及最終陶瓷件力學性能。陶瓷3D打印的質量瓶頸往往在于懸浮液配方。傳統的穩定性評估方法耗時數周且結果模糊，導致配方研發周期漫長，打印件良率低下。本文介紹如何利用LUMiSizer穩定性分析儀，在數小時內精準量化懸浮液的穩定性，并系統展示其如何快速優化氧化鋯、剛玉等體系的打印配方。實踐證明，該方法可將配方篩選效率提升數十倍，并直接關聯穩定性數據與最終打印坯體質量，從根源上預防層裂、針孔等缺陷，是推動陶瓷增材制造從研發走向量產的關鍵工具。結果證實，氧化鋯光固化3D打印懸浮液的分散劑濃度為8.5 wt.%，該配方可實現粘度最小化與動力學穩定，滿足DLP 3D打印的工藝要求。

關鍵詞：陶瓷 3D 打印；光固化懸浮液；LUMiSizer；穩定性

陶瓷3D打印作為先進陶瓷成型制造技術，憑借個性化、復雜結構成型的優勢，在航空航天、生物醫療、精密制造等領域應用廣泛，其中DLP數字光處理光固化3D打印是陶瓷精密成型的主流技術之一。該技術對陶瓷懸浮液的核心要求為：常溫下具備優異的動力學穩定性（無顆粒團聚、沉降），保證打印過程中粉體均勻分散；同時具備低動態粘度，滿足層間鋪展和光固化成型需求。

目前陶瓷3D打印懸浮液的研發中，穩定性評估仍依賴傳統沉降試驗和流變測量，存在明顯缺陷：刻度筒沉降試驗耗時且無標準化流程，無法適配3D打印配方快速篩選需求；流變測量易因顆粒快速沉降等產生誤差，難以精準表征懸浮液的動力學穩定性；而陶瓷粉體的團聚、沉降會直接導致3D打印坯體出現層裂、孔隙率不均、精度偏差等問題。

鑒于此，本實驗以適配3D打印的陶瓷懸浮液為核心研究對象，引入LUMiSizer穩定性分析儀作為穩定性定量評估工具，系統研究固相含量、分散介質、分散劑濃度、成孔劑等關鍵因素對懸浮液穩定性的影響，重點優化氧化鋯光固化3D打印懸浮液的配方參數，旨在為陶瓷3D打印懸浮液的制備、優化及穩定性評估提供高效、精準的方法和工藝依據。

實驗設備：LUMiSizer穩定性分析儀（LUM GmbH，德國）、混合流變儀、DLS納米激光粒度儀、掃描電子顯微鏡、同步熱分析儀、離心行星混合機等。

LUMiSizer 設備原理：基于STEP技術（空間時間解析消光圖譜法），在離心場中通過865nm近紅外光照射樣品池，利用兩千多個CCD傳感器實時記錄樣品不同位置的光透射率隨時間的變化曲線，實現顆粒沉降/團聚行為的可視化追蹤。配套分析軟件依據斯托克斯定律及相對離心力（RCF）計算公式，精確計算顆粒遷移速度和終端沉降速度，同時量化計算不穩定性指數（Instability Index），實現對陶瓷懸浮液動力學穩定性的定量分析。該設備最大離心力可達2300g，可加速模擬陶瓷懸浮液在3D打印儲存和成型過程中的穩定性變化，大幅縮短配方篩選周期。

• 實驗材料：氧化鋯納米顆粒、剛玉粉體、偏高嶺土粉體、硅砂；光固化丙烯酸樹脂；分散劑（Disperbyk-103，BYK-Chemie；Dolapix CE64，適配陶瓷粉體分散）；分散介質（去離子水、2 wt.% CMC 水溶液、2 wt.% PVA 水溶液）；成孔劑（廢棄咖啡渣 WCG）；表面活性劑/助劑（1 wt.% 抗壞血酸、羧甲基纖維素 CMC、聚乙烯醇 PVA）。

  
  

• 樣品制備：本研究圍繞陶瓷3D打印懸浮液的配方優化，設計4類試樣體系，均經行星混合機均質 + 脫泡處理，所有試樣重復制備3次以保證平行性，各體系成分及制備參數如下；

• 體系1：剛玉懸浮液：表2.1，以2 wt.% CMC水溶液為分散介質，剛玉粉體固相含量為2.5~40 vol.%，設置有 / 無Dolapix CE64分散劑兩組，經混合機1800 RPM均質 45 min+2400 RPM脫泡30 s，探究固相含量和分散劑對懸浮液穩定性的影響，為高固含陶瓷 3D 打印懸浮液提供基礎數據。

表 2.1 剛玉懸浮液成分及設計

1. 體系 2：偏高嶺土懸浮液（分散介質篩選）：表2.2，固相含量5 wt.%，分別以去離子水、2 wt.% CMC 水溶液、2 wt.% PVA 水溶液為分散介質，無額外分散劑，1200 RPM 均質 20 min+2400 RPM 脫泡 30 s，篩選適配陶瓷3D打印的高效分散介質。

表 2.2 偏高嶺土懸浮液成分及設計

• 體系 3：剛玉 - 咖啡渣懸浮液（探究成孔劑影響）：表2.3，以去離子水為分散介質，1 wt.% 抗壞血酸為表面活性劑，剛玉粉體初始固相 55 wt.%，采用廢棄咖啡渣（WCG）取代 0~15 wt.% 剛玉粉體，制備多孔陶瓷 3D 打印懸浮液，500 RPM 均質 30 min+2400 RPM 脫泡 30 s，探究成孔劑添加對懸浮液穩定性的影響。

表 2.3 剛玉 - 咖啡渣多孔陶瓷懸浮液成分及設計

• 體系 4：氧化鋯光固化懸浮液（探究分散劑優化）：以丙烯酸樹脂為分散介質，氧化鋯納米顆粒固相 30 vol.%，添加Disperbyk-103分散劑（7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0 wt.%，以粉體質量計），先樹脂+分散劑500 RPM混合10 min，再加入氧化鋯研磨介質 + 納米粉體 1800 RPM 混合 45 min+2400 RPM 脫泡 30 s，為 DLP 3D打印篩選優分散劑濃度。

LUMiSizer 穩定性測試為核心，結合流變學、EDS、DLS 等輔助測試，所有穩定性測試均在 25℃下進行，部分測試模擬成型環境，具體測試方案如下

1、LUMiSizer 測試通用參數：采用 PA 材質樣品池，865nm 近紅外光，每組試樣重復測試3次，以“不穩定性指數（Instability Index）"（取值 0~1，數值越低穩定性越好）為核心評估指標，不同體系離心參數差異化設置：

• 剛玉懸浮液（剛玉-咖啡渣懸浮液）：1000~3000 RPM，200~300根譜線，時間間隔 10 s；

• 偏高嶺土懸浮液：300 RPM，200 根譜線，時間間隔 5~10 s；

• 氧化鋯光固化懸浮液：3000 RPM，200 根譜線，時間間隔 10 s

2、穩定性評估指標：不穩定性指數、顆粒終端沉降速度、透光率變化趨勢（圖2.1）

圖2.1 透光率指紋圖譜

3、輔助測試方案：

• 流變學測試：流變儀，25℃恒溫，預剪切后測試流動曲線，獲取動態粘度、臨界剪切應力等參數，適配3D打印粘度要求；

• 顆粒表征：DLS 測試粒徑分布（圖2.2），EDS分析粉體化學組成；

圖2.2 粒徑分布

• 熱分析：測試咖啡渣的熱分解行為，確定多孔陶瓷 3D 打印后的燒結工藝（圖2.3）；

圖2.3 廢棄咖啡渣的熱分結果

• 成型驗證：對氧化鋯光固化懸浮液進行 DLP 3D打印成型性驗證，關聯懸浮液穩定性與打印坯體精度。

LUMiSizer 測試的不穩定性指數是陶瓷3D打印懸浮液穩定性的核心定量判據，其取值 0~1，0 代表懸浮液穩定（無顆粒沉降 / 團聚），1代表顆粒與分散介質分離。以剛玉懸浮液為研究對象，如圖 3.1 a、b，無 Dolapix CE64 分散劑時，剛玉固相含量≤15 vol.% 時不穩定指數降至低點，無顆粒團聚，滿足 3D 打印分散要求；固相含量> 15 vol.% 時，范德華力引發顆粒團聚，不穩定指數顯著升高，無法用于 3D 打印。添加 Dolapix CE64 分散劑后，剛玉懸浮液的不穩定指數隨固相含量升高持續降低，40 vol.% 高固含剛玉懸浮液的不穩定指數低至0.004，實現穩定，且高固含可提升3D打印坯體的致密度，解決了陶瓷3D打印中高固含與高穩定性的矛盾。

不穩定性指數可直接表征分散劑的作用效果，為陶瓷3D打印懸浮液的分散劑篩選和固相含量設計提供快速定量依據，大幅縮短配方研發周期。

圖3.1 剛玉懸浮液不穩定性指數對比（有無Dolapix分散劑的影響）

分散介質的類型直接影響陶瓷粉體的分散性，進而決定3D打印懸浮液的穩定性和成型性。偏高嶺土懸浮液的LUMiSizer測試結果顯示：

沉降速率：去離子水為介質時，偏高嶺土顆粒終端沉降速度最快（VLUMiSizer=3.781 mm/h）；2 wt.% CMC 和 2 wt.% PVA 水溶液為介質時，通過形成聚合物網絡吸附顆粒，沉降速率降低約 3 倍，且CMC的穩定效果略優于 PVA（MK (2% CMC) VLUMiSizer=1.064 mm/h）；

不穩定性指數：圖3.2a MK (WAT) 的不穩定指數顯著高于圖3.2b MK (2% CMC) 和 3.2c MK (2% PVA)，透光率指紋圖譜顯示水相介質中顆粒沉降引發的透射率變化更明顯，而 CMC/PVA 介質的根譜線幾乎無變化，穩定性優異；

圖3.2  偏高嶺土懸浮液透光率與不穩定性指數（不同分散介質）

理論與實驗對比：如表3.1 ，LUMiSizer 測得的終端沉降速度高于修正斯托克斯定律的計算值，可精準捕捉3D 打印懸浮液中顆粒的細微運動行為，是傳統沉降試驗無法實現的。

表 3.1 偏高嶺土懸浮液終端沉降速度對比

3D 打印工藝指導：偏高嶺土及同類陶瓷3D打印懸浮液應優先選用2 wt.% CMC 水溶液為分散介質，兼顧懸浮液穩定性和低粘度，避免去離子水作為單一分散介質。

多孔陶瓷 3D 打印是陶瓷增材制造的重要方向，廢棄咖啡渣（WCG）作為環保成孔劑，其添加對剛玉懸浮液穩定性的影響為：

穩定性變化：WCG 添加量 0~15 wt.% 時，剛玉懸浮液的不穩定指數持續降低，穩定性顯著提升，指紋圖譜中的沉降峰逐漸減弱（圖3.3）；原因是 WCG 與剛玉形成雙粒徑分布，提高顆粒堆積密度，同時懸浮液動態粘度升高，限制顆粒沉降，滿足多孔陶瓷 3D 打印的穩定性要求；

圖3.3 剛玉 - 咖啡渣懸浮液透光率指紋圖譜（不同咖啡渣添加量）

分散介質選擇：乙醇介質的剛玉懸浮液離心沉降速度快于水介質，且乙醇蒸氣壓高、蒸發快，導致 3D 打印坯體出現開裂、收縮不均，因此水為多孔陶瓷 3D 打印懸浮液的優分散介質；

3D 打印工藝指導：多孔陶瓷3D打印懸浮液中，WCG 成孔劑的最佳添加量為10~15 wt.%，此時懸浮液穩定性和孔隙率設計達到平衡，且需選用水相分散介質，配合 1 wt.% 抗壞血酸表面活性劑。

氧化鋯光固化懸浮液是 DLP 3D 打印的核心體系，分散劑 Disperbyk-103 的濃度直接決定懸浮液的粘度和穩定性，進而影響3D打印的層間鋪展、光固化效率和坯體精度，通過LUMiSizer 測試結合流變學結果顯示：

粘度變化：圖3.4a顯示，分散劑濃度 7.0~8.5 wt.% 時，氧化鋯懸浮液的動態粘度持續降低，8.5 wt.% 時粘度達到最小值，滿足 DLP 3D 打印的低粘度鋪展要求；濃度 > 8.5 wt.% 時，分散劑分子纏結引發耗盡絮凝，粘度顯著升高，鋪展性變差，無法用于3D打印；

不穩定性指數：圖3.4b顯示，所有分散劑濃度下的懸浮液不穩定指數均 < 0.05（穩定性），7.0~8.5 wt.% 時不穩定指數持續降低，8.5 wt.% 時達到最小值，顆粒分散最均勻；濃度 > 8.5 wt.% 時，不穩定指數開始升高，顆粒出現輕微團聚，易導致3D打印坯體出現針孔、層裂；

透光率指紋圖譜特征：圖C-2顯示，8.5 wt.% 分散劑濃度時，氧化鋯懸浮液的 LUMiSizer 透光率指紋圖譜幾乎無時間變化，無顆粒沉降 / 團聚，是 DLP 3D 打印的優狀態。

圖3.4 氧化鋯光固化 3D打印懸浮液的粘度與穩定性（分散劑濃度影響）

DLP 3D 打印優配方：30 vol.% 氧化鋯納米顆粒（3 mol.% Y?O?）+ 光固化丙烯酸樹脂 +8.5 wt.% Disperbyk-103 分散劑，該配方實現粘度最小化和動力學穩定，DLP 3D 打印坯體層間結合良好，無明顯缺陷。

EDS 成分分析：氧化鋯、剛玉、偏高嶺土粉體的化學組成均為高純度，無雜質元素，避免3D打印燒結過程中出現雜相，保證陶瓷件力學性能；其中氧化鋯粉體含 63.3 wt.% Zr、33.1 wt.% O、3.6 wt.% Y，符合 3D 打印用氧化鋯粉體的成分要求；

咖啡渣熱分析（圖 2.3）：咖啡渣在 150℃時失去水分（質量損失 4.6%），150~600℃為燃燒分解階段（質量損失91.1%），600℃后質量無變化，因此多孔陶瓷 3D 打印坯體的燒結工藝可設置為600℃預燒除碳 + 1550℃高溫燒結；

流變學測試：所有適配3D打印的陶瓷懸浮液均表現為假塑性流體，剪切變稀特性顯著，滿足3D打印的鋪展要求；其中氧化鋯光固化懸浮液在8.5 wt.% 分散劑濃度時，臨界剪切應力最小，鋪展性優。

• 在本次實驗中，懸浮液不穩定指數<0.05時，顆粒均勻分散，無沉降/團聚，DLP 3D打印的層間光固化均勻，坯體無針孔、層裂，精度達標；

• 懸浮液不穩定指數>0.1時，顆粒沉降/團聚導致打印漿料的粉體濃度不均，光固化時出現固化不全，坯體易出現翹曲、孔隙率不均；

• 高固含（如 40 vol.% 剛玉）且高穩定性的懸浮液，打印坯體的固相含量高，燒結后致密度提升，力學性能顯著優于低固含懸浮液的打印件。

• LUMiSizer 可通過不穩定指數快速預判陶瓷懸浮液的3D打印成型性，為配方篩選提供直接依據，大幅提升陶瓷3D打印的研發效率。

• 確定了本次實驗中氧化鋯DLP光固化3D打印懸浮液的優配方：30 vol.% 氧化鋯納米顆粒+ 光固化丙烯酸樹脂 + 8.5 wt.% Disperbyk-103 分散劑。該配方實現了動態粘度最小化和動力學穩定，不穩定指數<0.05，且表現為優異的剪切變稀特性，滿足 DLP 3D 打印的鋪展、光固化和成型精度要求，打印坯體無層裂、針孔等缺陷。

• 使用LUMiSizer，可以快速為光固化陶瓷材料找到類似的優分散劑配方，在保證優異打印精度的同時，將原料（尤其是昂貴的分散劑）成本控制在最佳水平。

•  LUMiSizer提供了懸浮液穩定性的核心判據，與您實驗室現有流變儀、粒度儀數據相結合，可構建完整的‘配方性能地圖’，實現從顆粒、流變到穩定性的全流程研發質控。同時關聯懸浮液穩定性與3D打印成型質量，為陶瓷增材制造的工藝調控提供參考依據，可以推動陶瓷3D打印技術的工業化應用。

對于致力于提升陶瓷3D打印工藝穩定性、縮短研發周期、提高最終產品良率的研究機構與企業而言，LUMiSizer不再僅僅是一臺分析儀器，更是實現配方數字化、研發精準化的核心引擎。它提供的不僅是一組數據，更是通往高效、可靠生產的知識與信心。