“洗面筋\"方法對用于粘結劑噴射的淀粉基墨水性能的影響（I）

1引言

粘結劑噴射成型技術（BinderJetting）作為增材制造領域的一種重要技術，近年來受到了廣泛關注。與傳統(tǒng)的成型方法相比，該技術具有低成本、廣泛的材料適用性以及無需額外支撐等優(yōu)點，適合制造多孔陶瓷。然而，它在打印分辨率、表面質(zhì)量、密度和機械性能等方面仍存在不足[2。研究表明，粘結劑噴射技術制成的零件質(zhì)量與粘結劑[3-8]粉末[9-12]、打印參數(shù)[13-和后處理工藝[7等因素密切相關，其中粘結劑的性能對打印件質(zhì)量起著關鍵作用[18]。

常用的粘結劑在燒結過程中可能會留下殘留物，影響表面質(zhì)量和性能，而且有些粘結劑可能含有有害物質(zhì)。因此，對環(huán)保且易于去除的粘結劑的需求很高。淀粉基墨水作為一種新型的粘結劑材料，因其環(huán)保和可再生的特性而逐漸受到重視。這類墨水不僅能夠滿足增材制造對材料性能的基本要求，還展現(xiàn)出良好的生物相容性和生態(tài)友好性。本研究旨在探討“洗面筋\"方法對淀粉基墨水性能的影響，比較不同淀粉和分散劑的種類及含量對墨水粘度和沉降性的作用。該研究為未來在增材制造中應用生物基材料提供了理論支持，促進了環(huán)保材料的研究和應用。

2實驗

2.1實驗原料

玉米淀粉（山東金怡神糖業(yè)有限公司，食品級），紅薯淀粉（山東金怡神糖業(yè)有限公司，食品級），土豆淀粉（西安滋品源食品有限公司，食品級），面粉（中糧集團有限公司，食品級），海藻酸鈉（國藥集團化學試劑有限公司，化學純），聚乙烯吡咯烷酮（天津市科密歐化學試劑有限公司，分析純）。

2.2實驗過程

將面粉與不同種類的淀粉（玉米淀粉、土豆淀粉、紅薯淀粉）按一定比例混合，加人適量去離子水揉制成團狀。通過持續(xù)清洗面團，形成面筋，面筋吸附大顆粒，促使小顆粒淀粉分散在溶液中。以不同淀粉種類和含量（1、1.11，1.25，1.43，1.67，2g） 為變量，研究其對淀粉基墨水性能的影響。每次混合 20g 面粉，加入 75ml 去離子水揉制后清洗，隨后在 6000r/min 下離心 40min 。確定最佳淀粉種類與含量后，加入不同含量的海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮混合分散劑（各含量為 0.021，0.042，0.063，0.084 0.105g ，海藻酸鈉：聚乙烯吡咯烷酮比例為1：9、3：7、5：5、7：3、9：1），再進行離心處理，最終得出最佳分散劑配比。其流程如圖1所示。使用旋轉(zhuǎn)式粘度計（NDJ-1，上海精密有限公司，中國）對墨水粘度進行測試。

3結果與討論

3.1淀粉種類與含量對淀粉基墨水性能的影響

圖2展示了不同淀粉種類及其與面粉比例對淀粉墨水粘度的影響。總體而言，淀粉種類對墨水粘度影響較小，變化范圍在 1mPa^.s 以內(nèi)。淀粉與面粉比例低于1：12時，土豆淀粉基墨水的粘度最大；當比例大于1：12時，玉米淀粉基墨水的粘度最大，且紅薯淀粉基墨水始終保持較低粘度。玉米淀粉基墨水的粘度隨淀粉比例減少有所下降，但整體呈上升趨勢；土豆淀粉基墨水粘度隨著淀粉比例減少快速下降，尤其在比例為1：12和1：14時變化顯著；紅薯淀粉基墨水的粘度則整體呈下降趨勢。

圖3展示了不同淀粉種類及其與面粉比例對淀粉墨水沉降比的影響。隨著時間的推移，所有類型的墨水沉降比均趨于平穩(wěn)。玉米淀粉基墨水在淀粉與面粉比例為1：12時表現(xiàn)出最佳穩(wěn)定性， 60min 后沉降率為32.93% ；土豆淀粉基墨水在比例為1：14時最為穩(wěn)定， 60min 后沉降率為 35% ;紅薯淀粉基墨水在比例為1：14時穩(wěn)定性最佳， 60min 后沉降率為 40.24% 。通過比較可見，玉米淀粉基墨水的沉降曲線較為平緩且沉降較少，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

通過對比不同淀粉種類及其與面粉比例對墨水粘度和沉降性的影響，選擇玉米淀粉作為配置墨水的原料，其中淀粉與面粉的比例為1：20，即加入面粉 20g ，玉米淀粉1g 當面粉含量較高時，洗出的面筋能夠包裹大顆粒淀粉，幫助降低墨水粘度的同時，保持較好的穩(wěn)定性。

3.2分散劑種類與含量對淀粉基墨水性能的影響

圖4展示了不同分散劑種類及其含量對淀粉基墨水粘度的影響。對比海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮作為分散劑的效果，發(fā)現(xiàn)添加聚乙烯吡咯烷酮時，墨水粘度較低。使用海藻酸鈉時，隨著其含量增加，墨水粘度逐漸升高。相比之下，聚乙烯吡咯烷酮的增加對墨水粘度的影響較小，雖有輕微波動，但整體粘度始終低于海藻酸鈉作為分散劑時的粘度。

圖5展示了不同分散劑種類及其含量對淀粉基墨水沉降性的影響。結果顯示，使用海藻酸鈉作為分散劑時，隨著其含量的增加，墨水的穩(wěn)定性顯著提高，當海藻酸鈉含量為 0.5% 時，穩(wěn)定性最佳。相比之下，聚乙烯吡咯烷酮含量對墨水穩(wěn)定性的影響較小，且當其含量為 0.3% 時，墨水的穩(wěn)定性較好。然而，與未添加聚乙烯吡咯烷酮的墨水相比，穩(wěn)定性有所下降。這是由于聚乙烯吡咯烷酮的表面活性劑特性改變了墨水的表面張力和流變性能，使得淀粉顆粒在墨水中的分散性變差。此外，聚乙烯吡咯烷酮中的吡咯烷酮環(huán)與玉米淀粉中的羥基競爭形成氫鍵，破壞了淀粉顆粒及其與溶液之間的氫鍵結構，進一步影響墨水的穩(wěn)定性。

根據(jù)上述結果可得，當分散劑占固體總量的 0.3% 時，淀粉基墨水的相對性能最佳。添加海藻酸鈉時，墨水穩(wěn)定性較好，但粘度較高；而添加聚乙烯吡咯烷酮時，墨水粘度較低，但穩(wěn)定性較差。因此，采用海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮復配，通過調(diào)整兩者的比例，優(yōu)化墨水性能，找到最佳的配比。

圖6展示了不同分散劑比例下淀粉墨水的粘度，其中分散劑比例為海藻酸鈉與聚乙烯吡咯烷酮的混合比例。隨著海藻酸鈉含量的增加，墨水粘度逐漸升高。當海藻酸鈉與聚乙烯吡咯烷酮的比例達到9：1時，墨水粘度達到最大值。

圖7展示了不同分散劑比例下淀粉墨水的沉降比。隨著海藻酸鈉含量的增加，墨水的沉降比波動幅度減小，并逐漸趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。這是由于海藻酸鈉的增加導致墨水粘度上升，從而增強了墨水的穩(wěn)定性

綜上所述，當分散劑占固體總量的 0.3% 時，選擇海藻酸鈉與聚乙烯吡咯烷酮以3：7、5：5和7：3的比例混合，這三組墨水的粘度適中，沉降比較高且沉降曲線變化平緩，因此選定這三組墨水進行后續(xù)測試。

4結論

（1）使用不同種類淀粉作為基底時，墨水粘度變化范圍在 1mPa^.s 以內(nèi)，差別不大。玉米淀粉基墨水在比例為1：12時表現(xiàn)出最佳的穩(wěn)定性，沉降率最低；土豆和紅薯淀粉基墨水在比例為1：14時表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，但沉降率較玉米淀粉高?；谡扯群统两敌缘木C合表現(xiàn)，選擇玉米淀粉作為墨水的主要成分，淀粉與面粉的比例為1：20時，能夠有效降低墨水粘度，同時保持較好的穩(wěn)定性。

（2）當分散劑的總量為 0.3% 時，復配海藻酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮，配比為3：7、5：5、7：3時墨水粘度適中，沉降較高且沉降曲線平緩，具有較好的穩(wěn)定性，適合用于后續(xù)測試。

參考文獻

[1]魏青松，衡玉花，毛貽槍，等.金屬粘結劑噴射增材制造技術發(fā) 展與展望[J].包裝工程，2021，42（18）：103-119+12.

[2]熊鼎宇，屈飄，朱中琪，等.陶瓷擠出和噴射增材制造技術研究 進展[J].機械工程學報，2021，57（17）：253-262.

[3] DERBY B. Inkjet printing of functional and structural materials ： fluid property requirements，feature stability，and resolution[J]. AnnualReviewofMaterialsResearch，2010，4O：395-414.

[4] DUINEVELD PC，DE KOK M M，BUECHEL M，et al. Ink-jet printing of polymer light-emiting devices[C]//SPIE Proceedings： Organic Light-Emitting Materials and Devices V. San Diego， CA，USA： SPIE，2002.

[5] CASTILHO M，GOUVEIA B，PIRES I，et al. The roleof shell/core saturation level on the accuracy and mechanical characteristics of porous calcium phosphate models produced by 3Dprinting[J]. Rapid Prototyping Journal，2015，21（1）：43-55.

[6] SUWANPRATEEB J，THAMMARAKCHAROEN F，WASOONTARARAT K，et al. Influence of printing parameters on the transformation eficiency of 3D-printed plaster of Paris to hydroxyapatite and itsproperties [J]. Rapid Prototyping Journal， 2012，18（6）：490-499.

[7] Fan T.Droplet-powder impact interaction in three dimensional printing[D]. Massachusets Institute of Technology， USA，1996.

[8] CHUMNANKLANG R，PANYATHANMAPORN T，SITTHISERIPRATIP K，et al. 3D printing of hydroxyapatite：effect of binder concentration in pre-coated particle on part strength[J]. Materials Science and Engineering：C，2007，27（4）： 914-921.

[9] DUW C，REN XR，MA C，et al. Binder jetting additive manufacturing of ceramics：A literature review [C]//Proceedings of ASME 2O17 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Tampa，F(xiàn)lorida，USA： [s.n.]， 2018.

[10] PARAB N D，BARNES J E，ZHAO C，et al. Real time observation of binder jetting printing process using high-speed X-ray imaging[J]. Scientific Reports，2019，9：2499.

[11]Miyanaji H.Binder jetting additive manufacturing process fundamentals and the resultant influences on part quality [D]. UniversityofLouisville，USA，2018.

[12]BAIY，WAGNERG，WILLIAMSCB.Effectofparticlesize distribution on powder packing and sintering in binder jetting additive manufacturing of metals [J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，2017，139（8）：081019.

[13] Sachs，Emanuel M.，etal.Metal and ceramic containing parts produced from powder using binders derived from salt. U.S. Patent，No.6508980[P].21Jan.2003.

[14]SUWANPRATEEBJ，THAMMARAKCHAROENF，WASOONTARARAT K，et al. Influence of printing parameters on thetransformation efficiency of 3D-printedplasterofParisto hydroxyapatite and its properties [J]. Rapid Prototyping Journal， 2012，18（6）：490-499.

[15]FARZADIA，SOLATI-HASHJINM，ASADI-EYDIVANDM， et al.Effect of layer thickness and printing orientation on mechanical properties and dimensional accuracy of 3D printed porous samples for bone tissue engineering[J]. PLoS One，2014， 9（9）： e108252.

[16]ASADI-EYDIVAND M，SOLATI-HASHJIN M，F(xiàn)ARZADA，et al.Effect of technical parameters on porous structure and strength of 3D printed calcium sulfate prototypes[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2O16，37（C）：57-67.

[17]李永洪，葉春生，伍乘星，等.微噴射粘結成形壞體燒結尺寸預 測[J].新技術新工藝，2022（04）：44-50.

[18]李婷.基于粘結劑噴射的陶瓷3D打印技術國內(nèi)研究進展[J] 鍛壓裝備與制造技術，2023，58（01）：87-93.

[19]JiangH，YangX，WangH.Preparation and characterization of starch-based binders for binder jetting [J]. RSC advances，2024， 14（44）： 32506-32516.

Effectof the 'Washing Gluten' Method on the Properties of Starch-Based Inks for Binder Jetting（I）

JIANGHong-Tao，YANGXin-Hao，DONGBo，WANGHao，WANGLi-li （School ofMaterials Science andEngineering，Shaanxi UniversityofScienceamp;Technology，Xi'an，71Oo21，China）

Abstract：Withvelotofdiiafacglacseddlydbleerale gainedincreasingatetioinDprintingaplicatios.issdivestigatesthimpactofhe\"washgguten\"methodonteprotsf starchbasedisptsofdoetsftadspessokosidatil showthatthetypeofstarchhasaminimalefetonnkviscositywhiletestarch-tofurratiosignificantlyinfluencesviscosityand sedimentationTeestperfoanceforostachbasedinkwasseedatatioof：12hichsultedintelowestsedimetatiate whilepotatoandswetpotatostarch-basedinksexhibitedbeterstabilityataratioof1：14.Thecombinationofsodiumalginateand polyvinylpyrrolidone（PVP） at a total concentration of 0.3% optimized ink performance，particularly with ratios of 3：7，5：5，and7：3，which providedmoderatevcosityighersdimentatiodgdsabilityasedoesesultsostachombedwithsoatd PVPis considedndealcefsubsequtexpets.sseahprostoretcalsupportftalatiofacsedins in additive manufacturing and promotes the development of environmentally friendly materials.

Keywords：AdditiveManufacturing;Binder Jetting；Starch-Based Inl