兩種分散劑對(duì)粉漿澆注氧化鋁坯體的影響

胡倩++趙建偉++田東++徐曉娟

摘 要：該文用注漿成型工藝制備氧化鋁陶瓷坯體，采用兩種分散劑，研究了坯體密度隨固含量和煅燒溫度的變化。研究結(jié)果表明：以0.1%的聚丙烯酸鈉為分散劑時(shí)，固含量為40%的坯體性能最優(yōu)，經(jīng)過(guò)1500 ℃煅燒后可以達(dá)到理論密度的78%；以0.5%的六偏磷酸鈉作為分散劑時(shí)，經(jīng)過(guò)1500 ℃煅燒后，固含量為35%的坯體密度提高幅度較大。

關(guān)鍵詞：氧化鋁 分散劑 注漿成型

中圖分類號(hào)：TF124.35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0193-02

氧化鋁陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性，而且由于生產(chǎn)資源豐富和相對(duì)較低的價(jià)格被廣泛應(yīng)用在機(jī)械加工、電子工業(yè)、化學(xué)工藝和冶金工業(yè)等方面[1-2]。陶瓷粉體的成型技術(shù)種類繁多，本實(shí)驗(yàn)采用注漿成型的方法制備氧化鋁坯體。將陶瓷或金屬粉末分散在液態(tài)介質(zhì)中制成懸浮液，使之具有良好的流動(dòng)性，將此懸浮液注入一定形狀的模腔中，通過(guò)模具的吸水作用使懸浮液固化，制得具有一定形狀的生坯[3-7]。這種成型方法稱為注漿成型。其主要特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)原料為分析純的氧化鋁粉（沈陽(yáng)新西試劑廠）、六偏磷酸鈉（國(guó)藥集團(tuán)）、聚丙烯酸鈉（國(guó)藥集團(tuán)）和自制的超純水。分別采用含量為0.1%的聚丙烯酸鈉和0.5%的六偏磷酸鈉作為分散劑，選取料漿固含量分別為35%、40%、45%，加入純水將氧化鋁粉和分散劑混合攪拌后放入球磨機(jī)中球磨18 h。將料漿注入自制的石膏模具中。該石膏模具為整體模具，內(nèi)有圓柱狀空腔，球磨好的料漿注入石膏模具的空腔后，在室溫下固化48 h，隨后在真空干燥箱中經(jīng)60 ℃保溫10 h，再經(jīng)120 ℃保溫10 h，脫模得到生坯。最后，將所得生坯分別經(jīng)過(guò)1200 ℃和1500 ℃煅燒5 h，用萬(wàn)分之一天平通過(guò)真空排水法測(cè)量在不同溫度煅燒后所得燒結(jié)體的密度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 分散劑的分散作用機(jī)理

大分子型分散劑作用在顆粒表面主要通過(guò)空間位阻效應(yīng)起到分散作用。空間位阻效應(yīng)可以認(rèn)為顆粒表面吸附高分子分散劑在“粒子-介質(zhì)”界面上形成高分子吸附層，而且粒子表面只吸附高分子分散劑的部分結(jié)構(gòu)，分子的其余部分，如聚合物鏈為分散介質(zhì)溶劑化，擴(kuò)展到介質(zhì)中起著明顯的穩(wěn)定作用。

離子型分散劑在水中電離出帶電離子，這些離子可牢牢地吸附在氧化鋁顆粒的表面，使其帶有相同的電荷，其余帶相反電荷的離子自由擴(kuò)散到周圍液體介質(zhì)中去，形成一個(gè)帶有電離子的擴(kuò)散層，即雙電層。由于帶相同電荷的粒子相互排斥，形成靜電斥力，可防止顆粒絮凝，從而達(dá)到分散穩(wěn)定的目的。

六偏磷酸鈉作為一種無(wú)機(jī)離子型表面活性劑，是在陶瓷粉體粉漿澆注中較為常用的分散劑之一。主要通過(guò)化學(xué)吸附形式吸附在顆粒表面，六偏磷酸鈉分子中帶有大量的PO3—基團(tuán)可以改變顆粒表面的電性，提高靜電排斥作用能[8]?？紤]到料漿中添加劑含量越少燒結(jié)后所得坯體各方面性能更好，所以選擇0.5%六偏磷酸鈉含量。

實(shí)驗(yàn)中所使用的聚丙烯酸鈉分子量約為3×107屬于大分子型分散劑。緩慢溶于水形成極粘稠的透明液體，由于分子內(nèi)許多陰離子基團(tuán)的離子現(xiàn)象使分子鏈增長(zhǎng)，表現(xiàn)為粘度較大而形成高粘性溶液。雖然它沒(méi)有起到分散劑應(yīng)有的空間位阻效應(yīng)，但是由于它提高了混合液的粘度也很好地阻止了氧化鋁沉淀聚集。

實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)聚丙烯酸鈉加入量較大時(shí)會(huì)起到絮凝劑的作用，懸浮液會(huì)變得十分粘稠，經(jīng)粉體粒度測(cè)試得知料漿顆粒明顯變大。是由于一個(gè)聚丙烯酸鈉大分子可能同時(shí)吸附了幾個(gè)氧化鋁粒子，同時(shí)每個(gè)粒子上又有多個(gè)高分子鏈構(gòu)成了“立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”分散在水中。而且由于混合液粘度大流動(dòng)性就會(huì)相對(duì)較差，當(dāng)提高固含量后，料漿十分粘稠難以攪拌均勻不利于注漿成型。所以實(shí)驗(yàn)中聚丙烯酸鈉的加入含量為0.1%，既制成了帶有一定粘性的混合液防止顆粒凝聚又保證了料漿具有流動(dòng)性易于攪拌和注漿，在制作小體積坯體的實(shí)驗(yàn)中比較適用。

2.2 坯體密度測(cè)量結(jié)果分析

生坯經(jīng)過(guò)1200 ℃燒結(jié)后，一部分再經(jīng)過(guò)1500 ℃燒結(jié)后，用電子天平，真空排水法測(cè)量其坯體密度，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1a可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)1200 ℃煅燒后，兩種分散劑的坯體密度隨固含量的變化規(guī)律不同，其中以聚丙烯酸鈉為分散劑時(shí)，坯體密度在固含量為40%的料漿所得到的坯體密度明顯高于其他試樣，其相對(duì)密度達(dá)到63%。繼續(xù)提高固含量，可能由于粘度較大在制備時(shí)料漿中易混入氣體且在注漿過(guò)程中難以排除，所以密度反而較低。以六偏磷酸鈉作為分散劑的試樣密度隨著固含量的升高坯體密度隨之略有升高。但整體較以聚丙烯酸鈉為分散劑時(shí)的密度低，僅當(dāng)固含量為45%時(shí)，密度略高。

經(jīng)過(guò)1500 ℃煅燒后的坯體密度變化見(jiàn)圖1b。以聚丙烯酸鈉為分散劑的坯體經(jīng)過(guò)1500 ℃煅燒后，密度變化規(guī)律同1200 ℃煅燒后基本相同。同樣是固含量為40%的試樣密度較其他試樣更高，其相對(duì)密度達(dá)到78%以上。以六偏磷酸鈉為分散劑的試樣在經(jīng)過(guò)1500 ℃煅燒后，坯體密度同固含量呈現(xiàn)與1200 ℃煅燒下規(guī)律不同，坯體密度隨固含量增加稍有下降?？赡苁怯捎谠诠毯枯^高的情況下，料漿的含水量較少，料漿在固化過(guò)程中石膏模具吸水較快，使料漿凝固過(guò)快，因而產(chǎn)生一些大的氣孔，來(lái)不及排除，這些氣孔在燒結(jié)過(guò)程中也無(wú)法排除，導(dǎo)致致密化程度較差。而相對(duì)應(yīng)35%固含量時(shí)，料漿含水量相對(duì)較多，固化時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，有利于氣體排除，因此經(jīng)過(guò)1500 ℃煅燒后，密度提高幅度較大。

對(duì)比兩圖發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)1500 ℃煅燒后的各個(gè)固含量坯體密度皆大于其經(jīng)過(guò)1200 ℃煅燒的密度，但提高幅度并不明顯，而且1500 ℃煅燒后的試樣密度較理論密度相對(duì)差距較大，這是因?yàn)槭紫?，料漿中除了分析純氧化鋁粉和極少量的分散劑外，未添加任何燒結(jié)助劑，在燒結(jié)過(guò)程中不能出現(xiàn)液相燒結(jié)，所以致密化程度較差。另外，所有的試樣均經(jīng)過(guò)1200 ℃煅燒5 h，該溫度保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)因此再經(jīng)過(guò)1500 ℃煅燒時(shí)，坯體的燒結(jié)活性下降，使得致密化程度不高。endprint

之所以兩種分散劑的變化規(guī)律不同，可能是由于兩種分散劑的性質(zhì)不同造成，聚丙烯酸鈉的加入明顯使料漿粘度加大，固化時(shí)間延長(zhǎng)，但六偏磷酸鈉則通過(guò)使顆粒表面帶電，增加顆粒間的斥力，兩種分散劑的原理分析尚缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以證實(shí)，本實(shí)驗(yàn)的固含量的取值范圍有限可能不足以反應(yīng)該兩種分散劑在氧化鋁陶瓷坯體粉漿澆注成型應(yīng)用的全部效果。另外本實(shí)驗(yàn)所用的石膏模具為自制模具，模具在制備過(guò)程中可能造成氣孔率不等，這也是造成料漿固化速度變化的因素，以上因素都可能會(huì)影響本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）1500 ℃煅燒后較1200 ℃煅燒后坯體的密度均有所增加，但增加的幅度隨分散劑和固含量的不同而不同。

（2）以0.1%的聚丙烯酸鈉作為分散劑時(shí)，固含量為40%的坯體，在兩種煅燒溫度下的燒結(jié)體密度均高于固含量為35%和45%時(shí)。1200煅燒后達(dá)到理論密度的63%，1500 ℃后達(dá)到78%。

（3）以0.5%的六偏磷酸鈉為分散劑時(shí)。經(jīng)過(guò)1500 ℃煅燒后，固含量為35%的坯體密度提高幅度較大，固含量為45%的坯體密度提高幅度較小。

（4）兩種分散劑的作用效果不同可能由于兩者的作用機(jī)理不同。聚丙烯酸鈉的加入明顯使料漿粘度加大，固化時(shí)間延長(zhǎng)，但六偏磷酸鈉則通過(guò)使顆粒表面帶電，增加顆粒間的斥力。

參考文獻(xiàn)

[1] 郝洪順，徐利華.注漿成型工藝制備高耐磨氧化鋁陶瓷[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36（11）：1615-1619.

[2] Luo Q，Campbell D R，Babu S V.Stabilization of alumina slurry for Chemical meehanical polishing of copper[J].Langmuir，1996，12（15）：3563-3566.

[3] 劉軍，佘正國(guó).粉末冶金與陶瓷成型技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4] 鄒仕民，曹順華，李春香，等.粉漿澆注成形的現(xiàn)狀與展望[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，2008，13（1）8-12.

[5] 曹順華，鄒仕民，李春香.粉漿澆注制備Fe基梯度復(fù)合材料[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，2007，12（5）：316-320.

[6] 李宇春，田忠良，李志友，等.粉漿澆注法制備較大尺寸金屬陶瓷材料的試驗(yàn)研究[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程， 2003，8（1）：75-79.

[7] PENG Xiao-ling，YAN Mi，SHI Wei-tang.A new approach for the preparation of functionally graded materials via slip casting in a gradient magnetic field[J]. Scripta Materialia，2007（56）：907-909.

[8] 夏啟斌，李忠.六偏磷酸鈉對(duì)蛇紋石的分散機(jī)理研究[J].礦冶工程，2002，22（2）：51-54.endprint

之所以兩種分散劑的變化規(guī)律不同，可能是由于兩種分散劑的性質(zhì)不同造成，聚丙烯酸鈉的加入明顯使料漿粘度加大，固化時(shí)間延長(zhǎng)，但六偏磷酸鈉則通過(guò)使顆粒表面帶電，增加顆粒間的斥力，兩種分散劑的原理分析尚缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以證實(shí)，本實(shí)驗(yàn)的固含量的取值范圍有限可能不足以反應(yīng)該兩種分散劑在氧化鋁陶瓷坯體粉漿澆注成型應(yīng)用的全部效果。另外本實(shí)驗(yàn)所用的石膏模具為自制模具，模具在制備過(guò)程中可能造成氣孔率不等，這也是造成料漿固化速度變化的因素，以上因素都可能會(huì)影響本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）1500 ℃煅燒后較1200 ℃煅燒后坯體的密度均有所增加，但增加的幅度隨分散劑和固含量的不同而不同。

（2）以0.1%的聚丙烯酸鈉作為分散劑時(shí)，固含量為40%的坯體，在兩種煅燒溫度下的燒結(jié)體密度均高于固含量為35%和45%時(shí)。1200煅燒后達(dá)到理論密度的63%，1500 ℃后達(dá)到78%。

（3）以0.5%的六偏磷酸鈉為分散劑時(shí)。經(jīng)過(guò)1500 ℃煅燒后，固含量為35%的坯體密度提高幅度較大，固含量為45%的坯體密度提高幅度較小。

（4）兩種分散劑的作用效果不同可能由于兩者的作用機(jī)理不同。聚丙烯酸鈉的加入明顯使料漿粘度加大，固化時(shí)間延長(zhǎng)，但六偏磷酸鈉則通過(guò)使顆粒表面帶電，增加顆粒間的斥力。

參考文獻(xiàn)

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[7] PENG Xiao-ling，YAN Mi，SHI Wei-tang.A new approach for the preparation of functionally graded materials via slip casting in a gradient magnetic field[J]. Scripta Materialia，2007（56）：907-909.

[8] 夏啟斌，李忠.六偏磷酸鈉對(duì)蛇紋石的分散機(jī)理研究[J].礦冶工程，2002，22（2）：51-54.endprint

之所以兩種分散劑的變化規(guī)律不同，可能是由于兩種分散劑的性質(zhì)不同造成，聚丙烯酸鈉的加入明顯使料漿粘度加大，固化時(shí)間延長(zhǎng)，但六偏磷酸鈉則通過(guò)使顆粒表面帶電，增加顆粒間的斥力，兩種分散劑的原理分析尚缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以證實(shí)，本實(shí)驗(yàn)的固含量的取值范圍有限可能不足以反應(yīng)該兩種分散劑在氧化鋁陶瓷坯體粉漿澆注成型應(yīng)用的全部效果。另外本實(shí)驗(yàn)所用的石膏模具為自制模具，模具在制備過(guò)程中可能造成氣孔率不等，這也是造成料漿固化速度變化的因素，以上因素都可能會(huì)影響本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）1500 ℃煅燒后較1200 ℃煅燒后坯體的密度均有所增加，但增加的幅度隨分散劑和固含量的不同而不同。

（2）以0.1%的聚丙烯酸鈉作為分散劑時(shí)，固含量為40%的坯體，在兩種煅燒溫度下的燒結(jié)體密度均高于固含量為35%和45%時(shí)。1200煅燒后達(dá)到理論密度的63%，1500 ℃后達(dá)到78%。

（3）以0.5%的六偏磷酸鈉為分散劑時(shí)。經(jīng)過(guò)1500 ℃煅燒后，固含量為35%的坯體密度提高幅度較大，固含量為45%的坯體密度提高幅度較小。

（4）兩種分散劑的作用效果不同可能由于兩者的作用機(jī)理不同。聚丙烯酸鈉的加入明顯使料漿粘度加大，固化時(shí)間延長(zhǎng)，但六偏磷酸鈉則通過(guò)使顆粒表面帶電，增加顆粒間的斥力。

參考文獻(xiàn)

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[8] 夏啟斌，李忠.六偏磷酸鈉對(duì)蛇紋石的分散機(jī)理研究[J].礦冶工程，2002，22（2）：51-54.endprint