Turbiscan在陶瓷3D打印粘结剂分散稳定性表征中的应用及关键意义

一、研究背景与核心问题

多孔陶瓷凭借高比表面积、低导热系数及优异的气液渗透性，在过滤、催化载体、隔热等高温苛刻环境中具有不可替代的应用价值。粘结喷射（Binder Jetting, BJ）作为粉末基增材制造技术，为复杂形状多孔陶瓷构件的制备提供了新路径，其无需额外支撑结构、材料适应性广的优势显著，但也面临生坯强度不足、后处理（脱粉、烧结）易破损等技术瓶颈。

粘结剂作为 BJ 工艺的核心材料，其性能直接决定打印精度、生坯完整性及最终制品的力学强度与孔隙特性。对于光固化复合粘结剂而言，无机填料（如 SiO?颗粒）的分散稳定性是关键控制因素 —— 若填料发生沉降或团聚，将导致粘结剂喷射不均、生坯内部缺陷，最终影响烧结后制品的结构一致性与力学性能。因此，精准表征并优化粘结剂的分散稳定性，成为解决复杂陶瓷构件制备难题的核心环节。

Turbiscan 作为多光散射稳定性分析技术，在材料分散体系表征中具有独特优势，本文基于《Journal of Materials Research and Technology》2025 年发表的研究成果（Jong-Han Choi 等，Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology），系统阐述 Turbiscan 在光固化复合粘结剂性能评估中的应用，及其与粘结剂关键性能、陶瓷制品最终品质的关联。

二、Turbiscan 的检测原理与实验应用

1. 检测原理

Turbiscan 采用 880nm 近红外光作为探测光源，通过同步测量样品的透射光（T）与背散射光（BS）强度变化，实时追踪分散体系中颗粒的沉降、团聚行为。其核心评价指标为 Turbiscan 稳定性指数（Turbiscan Stability Index, TSI），TSI 值越高，表明体系中颗粒沉降或团聚越显著，分散稳定性越差；反之，TSI 值越低，分散体系越稳定。该技术无需稀释样品，可实现对粘结剂墨水原位、非破坏性的长期稳定性监测，相较于传统沉降观察法，具有更高的灵敏度与量化精度。

2. 实验应用场景

本研究针对 BJ 工艺用光固化 HDDA-SiO?复合粘结剂，采用 Turbiscan设备评估不同分散剂浓度（0~2.0wt%）对 SiO?颗粒（平均粒径 90nm）分散稳定性的影响。实验中，粘结剂样品置于专用测量池内，连续监测其在放置过程中的光信号变化，最终通过 TSI 值量化体系稳定性，为分散剂最优配方的确定提供数据支撑。

三、Turbiscan 检测结果与分散稳定性的关联

研究结果表明，分散剂浓度对光固化复合粘结剂的分散稳定性具有显著调控作用（图1）：

图1. 分散剂浓度对稳定性的影响

未添加分散剂时，粘结剂的 TSI 值高达 3.1，表明 SiO?颗粒因表面作用力易发生团聚与沉降，体系稳定性极差；

随着分散剂浓度增加，TSI 值逐渐降低，当分散剂浓度达到 1.5wt% 时，TSI 值降至最低（1.9），此时 SiO?颗粒在粘结剂中分散均匀，无明显沉降或团聚现象；

当分散剂浓度超过 1.5wt% 时，TSI 值未进一步降低，反而因分散剂过量吸附导致颗粒缠结，轻微影响分散稳定性。

图2. 分散剂浓度与粘度关系曲线

结合粘度测试结果（图 2），1.5wt% 分散剂浓度下粘结剂粘度达到最优值（5.84 mPa?s），既满足打印头喷射要求，又保证了分散稳定性。这一结果验证了 Turbiscan 检测的可靠性 ——TSI 值与粘结剂流变性能存在强相关性，可作为粘结剂配方优化的核心表征手段。

四、分散稳定性与陶瓷打印关键性能的耦合关系

1. 对粘结剂喷射性能的影响

分散稳定的粘结剂可避免 SiO?颗粒团聚导致的打印头喷嘴堵塞，确保喷射过程的连续性与均匀性。研究中，1.5wt% 分散剂浓度下的粘结剂，其喷射 droplet 尺寸均一，打印形成的粉末层表面粗糙度仅为 5.08μm（未优化体系为 34.7μm），显著提升了打印精度。

2. 对生坯与烧结体力学性能的影响

分散均匀的 SiO?颗粒在光固化过程中可形成均匀的交联网络，提升生坯强度。

图3. 采用二氧化硅含量分别为（a）、（e）2.5 重量%，（b）、（f）5 重量%，（c）、（g）7.5 重量%，（d）、（h）10 重量%的氧化铝粉体打印的物体的扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）

实验表明，均匀分布的 SiO?颗粒可作为 “桥接相” 促进氧化铝颗粒间的颈部生长（图 3），使用含 2.5 重量% SiO2 粘结剂打印的物体的微观结构表明，由于玻璃相形成不足，氧化铝颗粒之间存在大量残余孔隙。随着图 3b 至 d 中 SiO2 含量的增加，烧结过程中形成的液相部分填充了氧化铝颗粒之间的孔隙，SiO2 填料导致的颈部形成更加明显，从而形成了相对更致密的微观结构。这由于存在 SiO? 填料，氧化铝颗粒之间的缩颈现象通过图 4e 至 4h 所示的 EDS 分析结果得到了进一步证实。

3. 对孔隙特性的调控作用

稳定的分散体系可避免颗粒团聚导致的孔隙分布不均。当 SiO?颗粒分散均匀时，烧结后制品孔隙率可达 60.78%，平均孔径 3.96μm，既满足过滤应用的渗透性要求，又保证了结构稳定性；而分散不稳定的体系会出现局部致密区与大孔缺陷，显著降低过滤效率。

五、分散稳定性在陶瓷 3D 打印中的核心意义

保障工艺可靠性：分散稳定的粘结剂可避免打印过程中喷嘴堵塞、层间结合不良等问题，降低工艺失败率。研究中，基于 Turbiscan 优化的粘结剂，成功制备出具有直型与波浪型内部流道的蜂窝陶瓷过滤器（图 4），脱粉与烧结后无结构变形或裂纹。

图4.（a）、（c）为直型流道，（b）、（d）为波浪型流道的蜂窝过滤器的 3D 数字图像。采用粘结剂喷射工艺制造的脱粉和烧结蜂窝过滤器的光学图像，其中（e）、（g）为直型流道，（f）、（h）为波浪型流道

提升制品性能一致性：复杂陶瓷构件（如过滤器）对孔隙分布、力学强度的均一性要求极高。Turbiscan 检测可确保每批次粘结剂的分散稳定性一致，从而实现制品性能的批量重复性，这对工业应用至关重要。

优化配方研发效率：传统分散稳定性评估依赖长期静置观察（通常需 24h 以上），而 Turbiscan 可在数小时内完成定量分析，显著缩短粘结剂配方研发周期，为高性能陶瓷材料的快速迭代提供技术支撑。

六、结论

Turbiscan 作为多光散射表征技术，在光固化复合粘结剂分散稳定性检测中展现出高灵敏度、定量化、非破坏性的优势。其核心指标 TSI 值可有效反映粘结剂中无机填料的分散状态，与粘结剂流变性能、打印性能及陶瓷制品最终品质形成明确的耦合关系。

本研究通过 Turbiscan 优化得到的粘结剂配方（1.5wt% 分散剂浓度），成功解决了粘结喷射工艺制备复杂形状多孔陶瓷的强度与稳定性难题。这一应用表明，Turbiscan 不仅是分散体系表征的有效工具，更是连接材料配方、工艺参数与制品性能的关键桥梁，为高性能陶瓷 3D 打印技术的工业化应用提供了重要的技术支撑。未来，随着增材制造技术的发展，Turbiscan 在多组分复合粘结剂、高固含量体系等复杂体系的稳定性表征中，将发挥更为重要的作用。

参考文献

[1] Jong-Han Choi, Mose Kwon, Kwang-Taek Hwang, et al. Mechanical reinforcement of complex shaped ceramic filter fabricated using binder jetting process with photocurable composite ink[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2025, 35: 5514–5520.

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