Turbiscan在陶瓷3D打印粘結劑分散穩定性表征中的應用及關鍵意義

一、研究背景與核心問題

多孔陶瓷憑借高比表面積、低導熱系數及優異的氣液滲透性，在過濾、催化載體、隔熱等高溫苛刻環境中具有不可替代的應用價值。粘結噴射（Binder Jetting, BJ）作為粉末基增材制造技術，為復雜形狀多孔陶瓷構件的制備提供了新路徑，其無需額外支撐結構、材料適應性廣的優勢顯著，但也面臨生坯強度不足、后處理（脫粉、燒結）易破損等技術瓶頸。

粘結劑作為 BJ 工藝的核心材料，其性能直接決定打印精度、生坯完整性及最終制品的力學強度與孔隙特性。對于光固化復合粘結劑而言，無機填料（如 SiO?顆粒）的分散穩定性是關鍵控制因素 —— 若填料發生沉降或團聚，將導致粘結劑噴射不均、生坯內部缺陷，最終影響燒結后制品的結構一致性與力學性能。因此，精準表征并優化粘結劑的分散穩定性，成為解決復雜陶瓷構件制備難題的核心環節。

Turbiscan 作為多光散射穩定性分析技術，在材料分散體系表征中具有獨特優勢，本文基于《Journal of Materials Research and Technology》2025 年發表的研究成果（Jong-Han Choi 等，Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology），系統闡述 Turbiscan 在光固化復合粘結劑性能評估中的應用，及其與粘結劑關鍵性能、陶瓷制品最終品質的關聯。

二、Turbiscan 的檢測原理與實驗應用

1. 檢測原理

Turbiscan 采用 880nm 近紅外光作為探測光源，通過同步測量樣品的透射光（T）與背散射光（BS）強度變化，實時追蹤分散體系中顆粒的沉降、團聚行為。其核心評價指標為 Turbiscan 穩定性指數（Turbiscan Stability Index, TSI），TSI 值越高，表明體系中顆粒沉降或團聚越顯著，分散穩定性越差；反之，TSI 值越低，分散體系越穩定。該技術無需稀釋樣品，可實現對粘結劑墨水原位、非破壞性的長期穩定性監測，相較于傳統沉降觀察法，具有更高的靈敏度與量化精度。

2. 實驗應用場景

本研究針對 BJ 工藝用光固化 HDDA-SiO?復合粘結劑，采用 Turbiscan設備評估不同分散劑濃度（0~2.0wt%）對 SiO?顆粒（平均粒徑 90nm）分散穩定性的影響。實驗中，粘結劑樣品置于專用測量池內，連續監測其在放置過程中的光信號變化，最終通過 TSI 值量化體系穩定性，為分散劑配方的確定提供數據支撐。

三、Turbiscan 檢測結果與分散穩定性的關聯

研究結果表明，分散劑濃度對光固化復合粘結劑的分散穩定性具有顯著調控作用（圖1）：

圖1. 分散劑濃度對穩定性的影響

未添加分散劑時，粘結劑的 TSI 值高達 3.1，表明 SiO?顆粒因表面作用力易發生團聚與沉降，體系穩定性極差；

隨著分散劑濃度增加，TSI 值逐漸降低，當分散劑濃度達到 1.5wt% 時，TSI 值降至最低（1.9），此時 SiO?顆粒在粘結劑中分散均勻，無明顯沉降或團聚現象；

當分散劑濃度超過 1.5wt% 時，TSI 值未進一步降低，反而因分散劑過量吸附導致顆粒纏結，輕微影響分散穩定性。

圖2. 分散劑濃度與粘度關系曲線

結合粘度測試結果（圖 2），1.5wt% 分散劑濃度下粘結劑粘度達到值（5.84 mPa?s），既滿足打印頭噴射要求，又保證了分散穩定性。這一結果驗證了 Turbiscan 檢測的可靠性 ——TSI 值與粘結劑流變性能存在強相關性，可作為粘結劑配方優化的核心表征手段。

四、分散穩定性與陶瓷打印關鍵性能的耦合關系

1. 對粘結劑噴射性能的影響

分散穩定的粘結劑可避免 SiO?顆粒團聚導致的打印頭噴嘴堵塞，確保噴射過程的連續性與均勻性。研究中，1.5wt% 分散劑濃度下的粘結劑，其噴射 droplet 尺寸均一，打印形成的粉末層表面粗糙度僅為 5.08μm（未優化體系為 34.7μm），顯著提升了打印精度。

2. 對生坯與燒結體力學性能的影響

分散均勻的 SiO?顆粒在光固化過程中可形成均勻的交聯網絡，提升生坯強度。

圖3. 采用二氧化硅含量分別為（a）、（e）2.5 重量%，（b）、（f）5 重量%，（c）、（g）7.5 重量%，（d）、（h）10 重量%的氧化鋁粉體打印的物體的掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析（EDS）

實驗表明，均勻分布的 SiO?顆粒可作為 “橋接相” 促進氧化鋁顆粒間的頸部生長（圖 3），使用含 2.5 重量% SiO2 粘結劑打印的物體的微觀結構表明，由于玻璃相形成不足，氧化鋁顆粒之間存在大量殘余孔隙。隨著圖 3b 至 d 中 SiO2 含量的增加，燒結過程中形成的液相部分填充了氧化鋁顆粒之間的孔隙，SiO2 填料導致的頸部形成更加明顯，從而形成了相對更致密的微觀結構。這由于存在 SiO? 填料，氧化鋁顆粒之間的縮頸現象通過圖 4e 至 4h 所示的 EDS 分析結果得到了進一步證實。

3. 對孔隙特性的調控作用

穩定的分散體系可避免顆粒團聚導致的孔隙分布不均。當 SiO?顆粒分散均勻時，燒結后制品孔隙率可達 60.78%，平均孔徑 3.96μm，既滿足過濾應用的滲透性要求，又保證了結構穩定性；而分散不穩定的體系會出現局部致密區與大孔缺陷，顯著降低過濾效率。

五、分散穩定性在陶瓷 3D 打印中的核心意義

保障工藝可靠性：分散穩定的粘結劑可避免打印過程中噴嘴堵塞、層間結合不良等問題，降低工藝失敗率。研究中，基于 Turbiscan 優化的粘結劑，成功制備出具有直型與波浪型內部流道的蜂窩陶瓷過濾器（圖 4），脫粉與燒結后無結構變形或裂紋。

圖4.（a）、（c）為直型流道，（b）、（d）為波浪型流道的蜂窩過濾器的 3D 數字圖像。采用粘結劑噴射工藝制造的脫粉和燒結蜂窩過濾器的光學圖像，其中（e）、（g）為直型流道，（f）、（h）為波浪型流道

提升制品性能一致性：復雜陶瓷構件（如過濾器）對孔隙分布、力學強度的均一性要求極高。Turbiscan 檢測可確保每批次粘結劑的分散穩定性一致，從而實現制品性能的批量重復性，這對工業應用至關重要。

優化配方研發效率：傳統分散穩定性評估依賴長期靜置觀察（通常需 24h 以上），而 Turbiscan 可在數小時內完成定量分析，顯著縮短粘結劑配方研發周期，為高性能陶瓷材料的快速迭代提供技術支撐。

六、結論

Turbiscan 作為多光散射表征技術，在光固化復合粘結劑分散穩定性檢測中展現出高靈敏度、定量化、非破壞性的優勢。其核心指標 TSI 值可有效反映粘結劑中無機填料的分散狀態，與粘結劑流變性能、打印性能及陶瓷制品最終品質形成明確的耦合關系。

本研究通過 Turbiscan 優化得到的粘結劑配方（1.5wt% 分散劑濃度），成功解決了粘結噴射工藝制備復雜形狀多孔陶瓷的強度與穩定性難題。這一應用表明，Turbiscan 不僅是分散體系表征的有效工具，更是連接材料配方、工藝參數與制品性能的關鍵橋梁，為高性能陶瓷 3D 打印技術的工業化應用提供了重要的技術支撐。未來，隨著增材制造技術的發展，Turbiscan 在多組分復合粘結劑、高固含量體系等復雜體系的穩定性表征中，將發揮更為重要的作用。

參考文獻

[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.