本研究由Mee-Jin Jun（韩国光州健康大学）、Jin-Ho Kang（韩国全南大学）、Kumaresan Sakthiabirami（韩国全南大学）、Seyed Aliakbar Hosseini Toopghara（韩国全南大学）、Ye-Seul Kim（韩国全南大学）、Kwi-Dug Yun（韩国全南大学）和Sang-Won Park（韩国全南大学）合作完成，发表于2023年2月的期刊《Materials》第16卷第4期，文章标题为《The Impact of Particle Size and Surface Treatment of Zirconia Suspension for Photocuring Additive Manufacturing》。

学术背景
氧化锆（zirconia）陶瓷因其优异的机械性能和与天然牙齿相近的美学特性，已成为牙科修复领域的重要材料。传统CAD/CAM（计算机辅助设计/制造）技术制备的氧化锆修复体存在表面划痕和缺陷问题，可能降低其强度。光固化增材制造（photocuring additive manufacturing）技术因其高精度、高表面质量和快速打印能力，成为替代方案。然而，高含量氧化锆颗粒（40-60 vol.%）在光固化树脂中的悬浮液存在黏度高、分散稳定性差等问题，影响3D打印工艺和最终产品的机械性能。为此，本研究通过硅烷偶联剂（silane coupling agent）对氧化锆颗粒进行表面处理，探究颗粒尺寸和表面处理对悬浮液流变性能和稳定性的影响，以优化光固化增材制造中氧化锆悬浮液的制备方法。

研究流程
1. 材料准备与分组
- 使用三种不同粒径的氧化锆粉末：ZS（40 nm）、ZM（90 nm）和ZL（300-600 nm）。
- 实验组（ZSS、ZMS、ZLS）通过硅烷偶联剂（MTMES）对颗粒进行表面处理，对照组（ZS、ZM、ZL）未处理。

1. 表征分析

   • BET分析：测量颗粒比表面积和孔径分布，发现ZS的比表面积最大（15.344 m²/g），ZL的平均孔径最大（34.4 nm）。
     
   • 动态光散射（DLS）：实验组颗粒粒径增大，ZLS组粒径最大（570.06 nm），表明硅烷涂层成功附着。
     
   • Zeta电位测试：实验组电位由阳极性转为阴极性，ZLS组电位最高，表明其分散稳定性最佳。
     

2. 表面处理验证

   • 透射电镜（TEM）：直接观察到ZMS和ZLS组颗粒表面的硅烷涂层，ZSS组因颗粒过小未明显观察到涂层。
     
   • 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）：实验组在1411.1 cm⁻¹和1273.1 cm⁻¹处出现硅烷特征峰（C-H键），证实涂层成功。
     

3. 悬浮液制备与性能测试

   • 将40 vol.%氧化锆颗粒与光固化树脂（HDDA、光引发剂Irgacure 819、分散剂BYK-180）混合，真空搅拌200秒。
     
   • 黏度测试：实验组黏度显著低于对照组，ZLS组黏度降幅最大（70.98-88.04%），且表现出剪切稀化行为（shear-thinning behavior）。
     
   • 沉降实验：20天内，ZMS和ZLS组悬浮液稳定性最佳，无明显沉淀，而对照组和ZSS组沉淀较快。
     

主要结果
1. 硅烷处理显著降低悬浮液黏度，ZLS组黏度最低（30,104 mPa·s at 1.2 s⁻¹），且剪切稀化效应更明显。
2. 大粒径颗粒（ZL）经硅烷处理后分散稳定性最佳，因其涂层更厚且Zeta电位更高。
3. 小粒径颗粒（ZS）因比表面积大，硅烷覆盖率不足，导致ZSS组稳定性改善有限。

结论与价值
本研究证实，氧化锆颗粒的粒径和硅烷表面处理是调控悬浮液流变性能和稳定性的关键因素。大粒径颗粒（300-600 nm）结合硅烷涂层可显著降低黏度并提升稳定性，为光固化3D打印氧化锆修复体的工业化应用提供了优化方案。科学价值在于揭示了颗粒尺寸与表面化学修饰的协同作用机制，应用价值在于为牙科陶瓷增材制造的高效浆料制备提供了实验依据。

研究亮点
1. 首次系统比较了不同粒径氧化锆颗粒经硅烷处理后的流变行为差异。
2. 发现大颗粒（ZL）的硅烷涂层更厚，其悬浮液性能优于小颗粒（ZS），颠覆了传统“小颗粒分散性更好”的认知。
3. 提出“粒径-硅烷用量匹配”原则，为高固含量陶瓷悬浮液设计提供了新思路。

其他发现
BET分析表明，颗粒的孔径分布影响硅烷涂层效果，未来研究需进一步优化粒径与偶联剂配比。此外，ZLS组的剪切稀化行为使其更适用于DLP（数字光处理）打印工艺的高精度层形成。