瓊脂糖凝膠注模成型制備氧化鋁陶瓷的研究

麥景瑜 蔡曉峰 席紅安 盧慶賢

摘 要：本文利用瓊脂糖做凝膠劑，對(duì)凝膠注模成型所需的水性無(wú)毒氧化鋁陶瓷漿料進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)，分析了各因素對(duì)凝膠注模成型漿料制備的影響，經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定了形成較好瓊脂糖凝膠注模成型的技術(shù)條件，所得陶瓷坯體具有較高的強(qiáng)度和較好的表面質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：瓊脂糖；凝膠；氧化鋁陶瓷；注模成型

1 引言

凝膠注模成型能將化學(xué)聚合物與傳統(tǒng)的陶瓷巧妙地結(jié)合起來(lái)，是一門制備高品質(zhì)復(fù)雜陶瓷部件的新穎技術(shù)。其物料的基本組分為粉體、溶劑、分散劑、引發(fā)劑、有機(jī)單體和催化劑，根據(jù)所用的溶劑又可分為水基體系與非水基體系。該技術(shù)的基本原理是：在低粘度、高固相體積分?jǐn)?shù)且高度分散的漿料中，加入有機(jī)單體，然后通過(guò)催化劑和引發(fā)劑作用或加熱、冷卻等方式使?jié){料中的有機(jī)單體化學(xué)交聯(lián)聚合或物理交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使?jié){料中的粉體原位固化，形成坯體。

凝膠注模成型作為新穎的成型工藝，受到了陶瓷行業(yè)的關(guān)注。該工藝具有以下特點(diǎn)：工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、易控制、適用性好、對(duì)粉體無(wú)苛刻要求、所得坯體密度分布均勻、可實(shí)現(xiàn)近凈尺寸成型、適用于復(fù)雜陶瓷部件的制作、成坯強(qiáng)度高且韌性好、成本低廉，可用于大規(guī)模生產(chǎn)。

目前，對(duì)無(wú)毒的水性凝膠注模成形體系的研究是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。本課題的研究目的是通過(guò)利用天然大分子瓊脂糖凝膠代替有毒的丙烯酰胺（AM）進(jìn)行凝膠注模成型，實(shí)現(xiàn)無(wú)毒環(huán)保制備，并且得到性質(zhì)優(yōu)良的陶瓷坯體和燒結(jié)體，為陶瓷成型工藝進(jìn)行新的探索。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)工藝流程

瓊脂糖凝膠注模成型工藝流程見圖1。

2.2 原材料

實(shí)驗(yàn)所用主要原材料見表1

實(shí)驗(yàn)采用的瓊脂糖凝膠大分子有別于其他凝膠體系。瓊脂糖是天然水溶性大分子，無(wú)毒，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保的工業(yè)生產(chǎn)，而且減少了各種有機(jī)單體、引發(fā)劑和交聯(lián)劑的引入，大大減少了原料的成本，并且瓊脂糖分子加熱溶解的過(guò)程完全能通過(guò)陶瓷燒結(jié)的余熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以利用瓊脂糖凝膠注模工藝制備陶瓷，具有良好的應(yīng)用前景。

2.3 性能檢測(cè)

漿料的粘度采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量。漿料的流動(dòng)性通過(guò)測(cè)量從漏斗流出的漿料的質(zhì)量和時(shí)間，計(jì)算出漿料的流動(dòng)速度來(lái)判斷。陶瓷坯體及燒結(jié)體的強(qiáng)度采用PSK-500型坯料抗折儀測(cè)量。收縮率采用游標(biāo)卡尺測(cè)量坯體與燒結(jié)品的長(zhǎng)度（精確度為0.01 mm），分別按下式計(jì)算其收縮率：η1=（D0-D1）/D0×100% ，其中，D0為模具對(duì)角線長(zhǎng)，D1為干坯對(duì)角線長(zhǎng)。

體積密度與吸水率采用電子天平測(cè)量陶瓷樣品的質(zhì)量M1，然后水煮樣品30 min后，冷卻，取出樣品用擰干的濕毛巾抹干表面水分稱取質(zhì)量M2，用排水法測(cè)量樣品的體積V，按下式計(jì)算燒成品的體積密度與吸水率：

體積密度ρ：ρ= M1/V

吸水率W：W=（M2-M1）/M1×100%

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，注凝成形工藝中陶瓷粉體含量、pH和糖含量是影響瓊脂糖凝膠注模成型的三大主要因素。本文為探究陶瓷粉體含量、pH和糖含量對(duì)氧化鋁凝膠注模成型的綜合影響，設(shè)計(jì)了三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，見表2、表3。

對(duì)于正交實(shí)驗(yàn)，本文采用綜合平衡分析法。其過(guò)程是先探討該三因素分別對(duì)漿料粘度、漿料流動(dòng)性、坯體外觀和坯體強(qiáng)度的影響，得出影響各指標(biāo)的因素的最好的水平，綜合分析得到最優(yōu)方案。最優(yōu)方案是指在所作的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，各因素較優(yōu)的水平組合，它是通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出的，還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以保證最優(yōu)方案與實(shí)際一致，否則還需要進(jìn)行新的正交實(shí)驗(yàn)[20]。

3.2 固含量、pH和糖含量對(duì)漿料粘度的影響

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。結(jié)果表明，各因素對(duì)陶瓷漿料粘度影響的大小為：固含量> pH > 糖含量，要想粘度降低，固含量該選擇a到b；pH該選擇b到c；糖含量該選擇a到b。本次實(shí)驗(yàn)最優(yōu)方案為：固含量66%，pH 8，糖含量0.3%。

3.3 固含量、pH和糖含量對(duì)漿料流動(dòng)性的影響

陶瓷漿料流動(dòng)性的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。結(jié)果表明，各因素對(duì)陶瓷漿料流動(dòng)性的影響大小為：固含量>糖含量> pH，漿料的流動(dòng)性關(guān)系著漿料的注模成型，要滿足成型流動(dòng)性要求，固含量該選擇a到b；pH該選擇b到c；糖含量該選擇a到b。本次實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)方案為固含量66%，pH為8，糖含量0.3%。

3.4 固含量、pH和糖含量對(duì)坯體強(qiáng)度的影響

陶瓷坯體強(qiáng)度的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6，結(jié)果表明，各因素對(duì)陶瓷坯體強(qiáng)度影響的大小為：固含量> pH > 糖含量，對(duì)于強(qiáng)度的要求是越高越好，固含量該選擇b到c；pH該選擇b到c；糖含量也該選擇b到c。本次實(shí)驗(yàn)最優(yōu)方案為：固含量74%，pH 9，糖含量0.7%。

3.5 固含量、pH和糖含量對(duì)坯體外觀的影響

陶瓷坯體外觀的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。在表7中，坯體的外觀平整性分三個(gè)等級(jí)：1代表好；2代表一般；3代表差。數(shù)值越低代表坯體平整程度越好。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對(duì)坯體外觀的影響大小為：固含量>糖含量> pH，所以固含量該選擇a到b；pH該選擇b到c；糖含量該選擇a。本次實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)方案為：固含量66%，pH8或9，糖含量0.3%。

3.6 最優(yōu)方案的確定

綜合固含量、pH和糖含量對(duì)漿料粘度、漿料流動(dòng)性、坯體強(qiáng)度以及坯體外觀的影響得表8。

實(shí)驗(yàn)的目的是為了尋找適合的固含量、pH、糖含量的漿料，該漿料滿足注模成型流動(dòng)性要求，漿料粘度達(dá)到脫模要求，成型坯體具有較高強(qiáng)度和可觀的平整性。

所做的9組實(shí)驗(yàn)中（1）漿料的粘度最低160 mPa·s，最高16520 mPa·s，漿料粘度基本不影響坯體脫模；（2）要滿足成型流動(dòng)性要求，固含量該選擇66～70%，pH應(yīng)選擇8～9，糖含量應(yīng)選擇0.3～0.5%；（3）固含量與糖含量主要影響著坯體中粉體的間隙和排列骨架，要想坯體獲得較高強(qiáng)度，固含量應(yīng)選擇70～74%，pH應(yīng)選擇8～9，糖含量應(yīng)選擇0.5～0.7%；（4）坯體的平整程度主要受固含量和糖含量制約，其中糖含量的影響尤為明顯。瓊脂糖的量越多，漿料越難充分混合，氣泡也越多，漿料更容易起皮變皺，從而影響坯體外觀。為達(dá)到較好的外觀，固含量應(yīng)選擇66～70%，pH應(yīng)選擇8～9，糖含量應(yīng)選擇0.3～0.5%。

正交實(shí)驗(yàn)表明，極差出現(xiàn)最大的那一列屬于固含量，證明固含量的改變對(duì)整個(gè)體系的影響最大，糖含量次之，pH最小。因此，在不影響成型和脫模的情況下，要想得到外觀較好和強(qiáng)度較高的坯體，最好的固含量為70%，最好的糖含量為0.5%，pH越高，漿料表現(xiàn)出來(lái)的流動(dòng)性就越好。綜合整體分析，最優(yōu)的方案為固含量70%，pH 9，糖含量0.5%。

3.7 最優(yōu)方案制備氧化鋁試樣

根據(jù)正交所得的最優(yōu)方案來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，制備漿料并測(cè)量其粘度和流動(dòng)性。利用凝膠注模成型工藝獲得6條坯體，其中3條用于測(cè)量坯體強(qiáng)度，另外3條經(jīng)1430℃高溫?zé)Y(jié)后，測(cè)量其燒結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果取平均值。

實(shí)驗(yàn)得到漿料粘度為750 mPa·s，小于1 Pa·s；流速5.32 g/s，流動(dòng)性一般，但已滿足注模要求；得到坯體外觀較好，如圖2和圖3所示。

圖3中，無(wú)標(biāo)記的3條生坯是最優(yōu)實(shí)驗(yàn)所得，生坯外觀平整，無(wú)坑洼，對(duì)角線長(zhǎng)12.130 cm，經(jīng)烘箱干燥至質(zhì)量不變，得到干坯對(duì)角線長(zhǎng)11.321 cm，干燥收縮率為6.68%，用坯料抗折儀測(cè)量，得到坯體抗折強(qiáng)度為1.57 MPa，強(qiáng)度達(dá)到瓊脂糖凝膠注模成型1.5 MPa的要求。綜合來(lái)看，最優(yōu)方案制備的漿料粘度較低，流動(dòng)性較好，坯體外觀平整，強(qiáng)度較高，證明正交實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果是合理的。

干坯置于快速升溫箱式電爐中經(jīng)1430℃燒結(jié)，獲得對(duì)角線長(zhǎng)9.502 cm的燒成樣，燒成收縮率為21.68%，經(jīng)測(cè)量其抗折強(qiáng)度大于94.05 MPa，體積密度為3.42 g/ml，吸水率為0.97%。

相同條件制備注漿漿料，把漿料注入石膏模具中，制取3條干坯，測(cè)量其強(qiáng)度，取平均值。得到干坯抗折強(qiáng)度為0.43 MPa，均遠(yuǎn)低于瓊脂糖凝膠注模成型所得樣品。

3.8 瓊脂糖凝膠注模成型制備復(fù)雜氧化鋁陶瓷

由于瓊脂糖凝膠注模成型所制漿料具有較好的流動(dòng)性，能實(shí)現(xiàn)較短時(shí)間的成型，并且得到的生坯具有一定強(qiáng)度和韌性，因此它適用于各種復(fù)雜陶瓷部件的成型制備。如圖4和圖5所示為用瓊脂糖凝膠注模成型所制備的形狀復(fù)雜的90瓷氧化鋁陶瓷的坯體。

4 結(jié)論

1、所得瓊脂糖凝膠注模成型工藝條件：90瓷氧化鋁陶瓷粉體含量70%，漿料的pH為9，瓊脂糖含量0.5%。所得漿料粘度750 mPa·s，流動(dòng)性5.32 g/s，干坯抗折強(qiáng)度1.57 MPa，外觀平整，干燥線收縮率為6.68%，燒結(jié)后抗折強(qiáng)度達(dá)94.05 MPa以上，燒成線收縮率為21.68%，燒結(jié)體吸水率為0.97%，體積密度為3.42 g/ml。

2、凝膠注模成型工藝所得坯體強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)注漿成型工藝。

3、瓊脂糖凝膠注模成型工藝能達(dá)到近凈尺寸的成型，可適用于復(fù)雜陶瓷部件的成型制備。

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