化工填料、氧化铝陶瓷、耐火材料等产品成型新技术
日期：2024-05-23 08:28
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摘要：
化工填料、氧化铝陶瓷、耐火材料等产品成型新技术
近年来，发展起来的胶态原位成型技术就是这类陶瓷新技术之一。该技术工艺设备简单，成本低廉，能净尺寸成型复杂的陶瓷制品，而且制品组分均匀，缺陷少，强度大，易于机械加工，已在国内外得到广泛应用。如国外利用注凝成型制造汽车零件；制造电磁材料，如PZT陶瓷和高能变速器中的圆形磁铁。我国的科技工作者也成功地使用该技术生产出高质量的氧化铝化工填料、碳化硅、以及耐火材料等。
胶态原位成型技术主要包括：注射成型、直接凝固注模成型和注凝成型。现在分别予以介绍。
１、陶瓷注射成型技术
注射成型技术是陶瓷粉料与热塑性树脂等有机物混练后得到混合料，装入注射机于一定温度注入模具，迅速冷凝后脱模而制成坯体。该技术适合制备湿坯强度大，尺寸精度高，机械加工量少，坯体均一的产品，适于大规模生产。对形状复杂、厚度较薄产品的制备有着明显的优越性。但由于成型中加入的有机添加剂量大，脱模时间长，不适合大尺寸部件的成型。
陶瓷注射成型使用的有机载体包括粘接剂、增塑剂、润滑剂等。有机载体的选择应重点考虑：体系内的相容性；注射悬浮体的流变特性；脱模特性与生坯强度。通常有机载体与陶瓷粉体混练后的结合强度主要取决于热塑性树脂高聚物；脱脂特性亦可由耐热性好的高聚物调节；可塑剂和润滑剂可改善体系流动性及脱模性能；表面活性剂具有综合调节作用。
在熔体注射充模冷凝形成坯体的过程中，坯体内产生的应力有两种，即温度应力和成型应力。对异型、大尺寸坯体的注射参数和充模过程的研究表明，过高的注射压力和注射温度使坯体内产生较大的成型应力和温度应力，增大了坯体变形和开裂的危险性。
由于注射成型加入大量有机载体，烧结前必须将其排除，即进行脱脂。脱脂耗时较长，容易使坯体产生缺陷。因此，脱脂是注射成型工艺的关键。影响脱脂过程的因素主要有：气氛、压力和温度制度。惰性气氛可避免有机物的氧化分解。一定的气氛压力，可缩小有机物挥发及分解产生的有效体积，从而减少由于体积膨胀引起的坯体开裂。另外，脱脂速率也直接受温度影响。在坯体软化，内部尚未形成气孔通道的温度段150～300℃，升温速率必须严格控制。否则，坯体易发生变形、产生鼓泡及开裂等缺陷。
２、陶瓷的直接凝固注模成型技术
陶瓷直接凝固注模成型技术是在陶瓷粉料中加入反絮凝剂和分散剂，利用胶体颗粒的静电或位阻效应制备出高固相体积分数、分散均匀、流动性好的浆料，同时引入生物酶作为陶瓷浆料的催化剂。利用生物酶催化反应来控制陶瓷浆料的PH值和电解质浓度，使其在放电层排斥能*小时依靠范德华力而原位凝固。
该技术的优点是，浆料中只加入少量生物酶外，不用或只需微量有机添加剂。凝固的陶瓷坯体密度高而且均匀，有较高的强度，无须脱脂。陶瓷坯体在整个成型和烧结过程中，尺寸、形状变化微小，烧结密度高。而且，模具选择范围广，加工成本低。
在直接凝固注模成型过程中，陶瓷浆料的固相含量一般要达到50％以上，同时，浆料浓度不能太高。成型中，一般不加入有机表面活性剂，它会导致酶催化剂失效，也会改变陶瓷微粒表面的电荷状态和等电点位置。在选择好*佳微粒尺寸后，可采用造粒和过筛方法制备所需微粒尺寸的陶瓷粉体。酶催化剂反应不仅改变浆料的PH值，而且随着反应的进行，浆料的离子强度也不断加强，使浆料的放电层电位减小，促使浆料凝固。但过高的离子强度会增加浆料中的电解质含量，对制品的烧结及力学性能有不利影响。所以，对酶催化反应应进行严格控制，主要是控制加入量。一般酶催化剂含量越高，凝固时间越短。不同的酶催化反应都有不同的*佳温度，低于或高于此温度，都会延长凝固时间。
３、陶瓷的注凝成型技术
陶瓷的注凝成型因溶剂的不同分为：水基凝胶注模成型和有机基凝胶注模成型，但它们的原理基本相同。现仅就水基凝胶注模成型予以介绍。
水基凝胶注模成型技术的核心是使用低浓度的有机单体水溶液，加入较高体积分数的陶瓷粉末且具有良好的流动性，在催化剂和引发剂的作用下，浇注后浆料中的有机单体交联聚合成三维网状结构，从而使浓悬浮体原位固化成型。然后脱模、干燥、烧除有机结合剂进行烧结，即获得所需的陶瓷部件。
该工艺技术的优点是，对粉体没有特殊要求，适合各类复杂形状陶瓷制品的生产，注模操作与凝胶定型过程完全分离，浆料凝胶胶化时间完全可控，湿凝胶坯体坚韧且有弹性，容易脱模，给生产带来便利。坯体定型靠有机单体原位聚合反应形成凝胶体，坯体各组分结构均匀、缺陷少、坯体密度大。因粉料中有机物含量低，坯体干燥脱水及有机物烧除简单，成型坯体内在质量的，成品率高。另外，干燥后坯体非常坚固，可以采用各类机械进行加工，从而真正实现陶瓷部件的净尺寸精密成型。
在水基凝胶注模成型中，通常选用丙烯酰胺作为有机单体，****丙烯酰胺作为交联剂，过硫酸铵水溶液作为引发剂，四甲基乙二胺作为催化剂，同时使用JA—281作为分散剂。
水基凝胶注模成型技术的关键是配制出高陶瓷粉体含量还具有良好流动性的浆料，分散剂对颗粒的稳定分散作用下仅与分散剂性质有关，还与其用量，使用条件有关。对复相陶瓷来说，影响悬浮体流变性的还有各相的胶体特性。为制备分散均匀的低粘度、高固相混合悬浮体，需对各相进行表面修饰改性，即调整各相的胶体特性，使悬浮体中的各固相均具有相似的胶体稳定性和近似的等电点。
引发剂、催化剂和温度条件对不同陶瓷浆料凝胶化有着不同的影响。有效、准确地控制浆料的凝胶化时间，是水基凝胶注模成型的重要一环。凝胶的形成是通过氢键机理，高分子骨架上的亲水基团与凝胶网中水分子强烈反应，从而把水分子固定。近年来，采用天然水溶性凝胶物质，如琼脂糖、明胶等的热熔胶特性，即加热时溶解，冷却时形成凝胶而产生固化，将其用于胶态成型，收到了良好的效果。
排胶是水基凝胶注模成型极为重要的环节，排胶速度过快会导致坯体开裂，形成在烧成后期难以消除的孔洞。排胶速度慢，则会影响生产效率。对于不同的有机结合剂，需对它的热分解温度、不同温度下的分解速度及完全烧除的*高温度进行认真观测、研究，才能制定出合理的烧除工艺制度。
胶态原位成型技术主要包括：注射成型、直接凝固注模成型和注凝成型。现在分别予以介绍。
１、陶瓷注射成型技术
注射成型技术是陶瓷粉料与热塑性树脂等有机物混练后得到混合料，装入注射机于一定温度注入模具，迅速冷凝后脱模而制成坯体。该技术适合制备湿坯强度大，尺寸精度高，机械加工量少，坯体均一的产品，适于大规模生产。对形状复杂、厚度较薄产品的制备有着明显的优越性。但由于成型中加入的有机添加剂量大，脱模时间长，不适合大尺寸部件的成型。
陶瓷注射成型使用的有机载体包括粘接剂、增塑剂、润滑剂等。有机载体的选择应重点考虑：体系内的相容性；注射悬浮体的流变特性；脱模特性与生坯强度。通常有机载体与陶瓷粉体混练后的结合强度主要取决于热塑性树脂高聚物；脱脂特性亦可由耐热性好的高聚物调节；可塑剂和润滑剂可改善体系流动性及脱模性能；表面活性剂具有综合调节作用。
在熔体注射充模冷凝形成坯体的过程中，坯体内产生的应力有两种，即温度应力和成型应力。对异型、大尺寸坯体的注射参数和充模过程的研究表明，过高的注射压力和注射温度使坯体内产生较大的成型应力和温度应力，增大了坯体变形和开裂的危险性。
由于注射成型加入大量有机载体，烧结前必须将其排除，即进行脱脂。脱脂耗时较长，容易使坯体产生缺陷。因此，脱脂是注射成型工艺的关键。影响脱脂过程的因素主要有：气氛、压力和温度制度。惰性气氛可避免有机物的氧化分解。一定的气氛压力，可缩小有机物挥发及分解产生的有效体积，从而减少由于体积膨胀引起的坯体开裂。另外，脱脂速率也直接受温度影响。在坯体软化，内部尚未形成气孔通道的温度段150～300℃，升温速率必须严格控制。否则，坯体易发生变形、产生鼓泡及开裂等缺陷。
２、陶瓷的直接凝固注模成型技术
陶瓷直接凝固注模成型技术是在陶瓷粉料中加入反絮凝剂和分散剂，利用胶体颗粒的静电或位阻效应制备出高固相体积分数、分散均匀、流动性好的浆料，同时引入生物酶作为陶瓷浆料的催化剂。利用生物酶催化反应来控制陶瓷浆料的PH值和电解质浓度，使其在放电层排斥能*小时依靠范德华力而原位凝固。
该技术的优点是，浆料中只加入少量生物酶外，不用或只需微量有机添加剂。凝固的陶瓷坯体密度高而且均匀，有较高的强度，无须脱脂。陶瓷坯体在整个成型和烧结过程中，尺寸、形状变化微小，烧结密度高。而且，模具选择范围广，加工成本低。
在直接凝固注模成型过程中，陶瓷浆料的固相含量一般要达到50％以上，同时，浆料浓度不能太高。成型中，一般不加入有机表面活性剂，它会导致酶催化剂失效，也会改变陶瓷微粒表面的电荷状态和等电点位置。在选择好*佳微粒尺寸后，可采用造粒和过筛方法制备所需微粒尺寸的陶瓷粉体。酶催化剂反应不仅改变浆料的PH值，而且随着反应的进行，浆料的离子强度也不断加强，使浆料的放电层电位减小，促使浆料凝固。但过高的离子强度会增加浆料中的电解质含量，对制品的烧结及力学性能有不利影响。所以，对酶催化反应应进行严格控制，主要是控制加入量。一般酶催化剂含量越高，凝固时间越短。不同的酶催化反应都有不同的*佳温度，低于或高于此温度，都会延长凝固时间。
３、陶瓷的注凝成型技术
陶瓷的注凝成型因溶剂的不同分为：水基凝胶注模成型和有机基凝胶注模成型，但它们的原理基本相同。现仅就水基凝胶注模成型予以介绍。
水基凝胶注模成型技术的核心是使用低浓度的有机单体水溶液，加入较高体积分数的陶瓷粉末且具有良好的流动性，在催化剂和引发剂的作用下，浇注后浆料中的有机单体交联聚合成三维网状结构，从而使浓悬浮体原位固化成型。然后脱模、干燥、烧除有机结合剂进行烧结，即获得所需的陶瓷部件。
该工艺技术的优点是，对粉体没有特殊要求，适合各类复杂形状陶瓷制品的生产，注模操作与凝胶定型过程完全分离，浆料凝胶胶化时间完全可控，湿凝胶坯体坚韧且有弹性，容易脱模，给生产带来便利。坯体定型靠有机单体原位聚合反应形成凝胶体，坯体各组分结构均匀、缺陷少、坯体密度大。因粉料中有机物含量低，坯体干燥脱水及有机物烧除简单，成型坯体内在质量的，成品率高。另外，干燥后坯体非常坚固，可以采用各类机械进行加工，从而真正实现陶瓷部件的净尺寸精密成型。
在水基凝胶注模成型中，通常选用丙烯酰胺作为有机单体，****丙烯酰胺作为交联剂，过硫酸铵水溶液作为引发剂，四甲基乙二胺作为催化剂，同时使用JA—281作为分散剂。
水基凝胶注模成型技术的关键是配制出高陶瓷粉体含量还具有良好流动性的浆料，分散剂对颗粒的稳定分散作用下仅与分散剂性质有关，还与其用量，使用条件有关。对复相陶瓷来说，影响悬浮体流变性的还有各相的胶体特性。为制备分散均匀的低粘度、高固相混合悬浮体，需对各相进行表面修饰改性，即调整各相的胶体特性，使悬浮体中的各固相均具有相似的胶体稳定性和近似的等电点。
引发剂、催化剂和温度条件对不同陶瓷浆料凝胶化有着不同的影响。有效、准确地控制浆料的凝胶化时间，是水基凝胶注模成型的重要一环。凝胶的形成是通过氢键机理，高分子骨架上的亲水基团与凝胶网中水分子强烈反应，从而把水分子固定。近年来，采用天然水溶性凝胶物质，如琼脂糖、明胶等的热熔胶特性，即加热时溶解，冷却时形成凝胶而产生固化，将其用于胶态成型，收到了良好的效果。
排胶是水基凝胶注模成型极为重要的环节，排胶速度过快会导致坯体开裂，形成在烧成后期难以消除的孔洞。排胶速度慢，则会影响生产效率。对于不同的有机结合剂，需对它的热分解温度、不同温度下的分解速度及完全烧除的*高温度进行认真观测、研究，才能制定出合理的烧除工艺制度。
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