粘結(jié)劑對(duì)熱壓鑄成型用氧化鋁喂料的影響

武振飛 張弘毅 龐佳敏 陸麗芳

摘 ?要 ?本文中的氧化鋁喂料以石蠟基粘結(jié)劑為主要基體，研究了粘結(jié)劑的含量變化以及表面活性劑硬脂酸和蜂蠟的加入量對(duì)喂料的均勻性、流動(dòng)性以及生坯強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，當(dāng)粘結(jié)劑含量為14.16%時(shí)，喂料已經(jīng)混合均勻;硬脂酸的加入可以改善喂料的流動(dòng)性，而蜂蠟的加入會(huì)使喂料的流動(dòng)性變差，但可以提高生坯的抗彎強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞 ?氧化鋁喂料;粘結(jié)劑;流動(dòng)性;生坯強(qiáng)度

0 ?引 ?言

熱壓鑄成型可以制備形狀復(fù)雜的陶瓷制品，產(chǎn)品尺寸精度高，后續(xù)加工量低，有些制品甚至不需要后續(xù)加工，是制作異形陶瓷制品的主要成型方式。而粘結(jié)劑是制備熱壓鑄成型用喂料的關(guān)鍵，喂料的組成和制備技術(shù)決定了喂料的流動(dòng)性和均勻性，對(duì)后序的成型性能和脫脂燒結(jié)都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

本文中的有機(jī)粘結(jié)劑以分子量低、流動(dòng)性好的石蠟為主要成分，以硬脂酸和蜂蠟為表面活性劑和潤(rùn)滑劑，研究粘結(jié)劑的含量以及硬脂酸和蜂蠟的加入量對(duì)喂料的均勻性、流動(dòng)性及生坯強(qiáng)度的影響。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的氧化鋁粉體成分如表1所示。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)氧化鋁粉體加0.5%的油酸進(jìn)行干法球磨，然后過(guò)篩得到預(yù)處理好的氧化鋁粉體。將稱量好的56#石蠟加入到90 ℃的雙行星混料機(jī)中進(jìn)行熔化，石蠟變成液態(tài)時(shí)依次加入蜂蠟等其它有機(jī)物進(jìn)行混合，待其完全融化后加入預(yù)處理的氧化鋁粉體進(jìn)行攪拌，當(dāng)氧化鋁粉體變成漿料時(shí)加入硬脂酸進(jìn)行充分混合，并進(jìn)行抽真空處理，最后得到石蠟基氧化鋁喂料。

1.3樣品表征與性能測(cè)試

坯體的強(qiáng)度采用三點(diǎn)彎曲法（GB/T4741-1999）在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試，試條尺寸為100 mm×12.7 mm ×4.15 mm。采用微電腦熔融指數(shù)測(cè)定儀（JX-9022-A）測(cè)定喂料的熔體流動(dòng)速率，測(cè)試溫度為52 ℃。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1粘結(jié)劑含量對(duì)氧化鋁喂料均勻性的影響

由于氧化鋁粉體過(guò)細(xì)，表面張力過(guò)大，在制備喂料的過(guò)程中很容易會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚，特別是在加蠟攪拌過(guò)程中極易出現(xiàn)結(jié)塊和團(tuán)聚現(xiàn)象，所以喂料的均勻性對(duì)后續(xù)的成型、脫脂燒結(jié)以及產(chǎn)品的性能影響很大。本文通過(guò)喂料的燒失量來(lái)評(píng)價(jià)粘結(jié)劑的含量變化對(duì)其喂料均勻性的影響。公式為：

M=1-S2/S02

其中M為混合料的均勻度參數(shù)，S2為喂料間粘結(jié)劑含量偏差，S02為配方粘結(jié)劑的含量方差，即S02=X（1-X），X為氧化鋁粉體含量。

由表2可知，隨著粘結(jié)劑含量的增多，混合料的均勻度參數(shù)越來(lái)越大，當(dāng)喂料中粘結(jié)劑含量超過(guò)14.16%時(shí)，M已經(jīng)基本上接近1，說(shuō)明粘結(jié)劑含量為14.16%時(shí)，喂料已經(jīng)混合均勻。這是因?yàn)檠趸X粉體顆粒較小，比表面積較大，對(duì)粘結(jié)劑的吸附量較大，當(dāng)喂料中的粘結(jié)劑含量較少時(shí)，在顆粒間起潤(rùn)滑作用的粘結(jié)劑就會(huì)減少，粘性阻力增大，氧化鋁顆粒之間容易團(tuán)聚而不容易分散，使得喂料混合不均勻。

2.2粘結(jié)劑含量對(duì)氧化鋁喂料流動(dòng)性及生坯強(qiáng)度的影響

圖1、圖2為不同粘結(jié)劑含量時(shí)喂料的熔融指數(shù)和生坯強(qiáng)度的變化曲線。由圖1、2可知，隨著粘結(jié)劑含量的增多，喂料的熔融指數(shù)呈近似線性增加，流動(dòng)性提高;生坯強(qiáng)度呈先快速增加，再緩慢增加，最后降低的趨勢(shì)。

當(dāng)粘結(jié)劑含量較低時(shí)，喂料中的有機(jī)物體積比較低，粘結(jié)劑不能有效地包裹氧化鋁顆粒，同時(shí)在顆粒之間缺乏足夠的粘結(jié)劑起潤(rùn)滑作用，使得喂料粘度增加，流動(dòng)性降低。而坯體的強(qiáng)度由粘結(jié)劑的性能、粘結(jié)劑與粉體顆粒的結(jié)合狀況及固相含量決定。當(dāng)粘結(jié)劑含量較低時(shí)，喂料粘度較大，均勻性較差，坯體在成型過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷，從而導(dǎo)致生坯強(qiáng)度較低。隨著粘結(jié)劑含量的增加，顆粒間有足夠包裹以外的粘結(jié)劑，流動(dòng)性增加，同時(shí)喂料的均勻性逐漸變好，生坯強(qiáng)度快速增加，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，喂料已經(jīng)混合均勻，粘結(jié)劑對(duì)強(qiáng)度的影響效果不再明顯，此時(shí)喂料的固相含量對(duì)強(qiáng)度的影響起主要作用，故粘結(jié)劑含量繼續(xù)增加，喂料固含量減小，生坯強(qiáng)度降低。

2.3硬脂酸含量對(duì)喂料流動(dòng)性和生坯強(qiáng)度的影響

圖3、圖4為硬脂酸含量對(duì)喂料流動(dòng)性和生坯強(qiáng)度的影響曲線。隨著硬脂酸含量的增多，喂料的流動(dòng)性提高，而生坯強(qiáng)度先快速增加，然后基本保持不變。

硬脂酸因?yàn)榉肿恿啃　⒏男詮?qiáng)，能夠降低氧化鋁顆粒與粘結(jié)劑之間的界面能，改善兩者之間的潤(rùn)濕性，同時(shí)在粘結(jié)劑和氧化鋁顆粒之間起橋梁作用，使氧化鋁顆粒和粘結(jié)劑能夠很好地粘結(jié)起來(lái)。在硬脂酸含量相對(duì)較低時(shí)，氧化鋁顆粒對(duì)硬脂酸的吸附量隨硬脂酸加入量的增加而顯著增加，所以硬脂酸的含量增加，喂料的流動(dòng)性增加;而生坯強(qiáng)度隨硬脂酸含量的增加先快速增加，后變化不再明顯。因?yàn)殡S硬脂酸含量的增加，喂料的均勻性逐漸變好，且純硬脂酸的強(qiáng)度比純石蠟的強(qiáng)度高，石蠟-硬脂酸混溶體系樣品的強(qiáng)度隨硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加;當(dāng)硬脂酸的含量較高時(shí)，喂料已經(jīng)混合均勻，硬脂酸對(duì)強(qiáng)度的影響作用不再明顯，繼續(xù)增加硬脂酸對(duì)強(qiáng)度影響效果較小。

2.4蜂蠟含量對(duì)喂料流動(dòng)性和生坯強(qiáng)度的影響

圖5、圖6為蜂蠟含量對(duì)喂料的流動(dòng)性以及生坯強(qiáng)度的影響曲線。蜂蠟作為一種表面活性物質(zhì)，可以改善喂料的成型及脫模性能。與石蠟相比，蜂蠟的熔點(diǎn)較高、分子量較大，極易形成網(wǎng)絡(luò)，在喂料中添加一定量的蜂蠟?zāi)軌蛟谡辰Y(jié)劑中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)氧化鋁粉體進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)包覆。所以如圖6所示，隨著喂料中蜂蠟含量的增加，生坯的強(qiáng)度逐漸增大，實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)蜂蠟含量高于2%時(shí)，強(qiáng)度不再有明顯變化。由于蜂蠟的分子量較大，容易在喂料中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致喂料的粘度變大，流動(dòng)性變差，如圖5所示，隨著粘結(jié)劑中蜂蠟含量的增加，喂料的流動(dòng)性逐漸變差。

3 ?結(jié) ?論

（1）喂料的均勻性隨著粘結(jié)劑含量的增多而逐漸變好，當(dāng)粘結(jié)劑含量為14.16%時(shí)，喂料已經(jīng)混合均勻。

（2）粘結(jié)劑含量的適當(dāng)增加會(huì)提高坯體強(qiáng)度，增加到一定程度時(shí)，坯體強(qiáng)度增速減緩，粘結(jié)劑對(duì)強(qiáng)度的影響效果不再明顯，繼續(xù)增加粘結(jié)劑含量，生坯強(qiáng)度降低，喂料的流動(dòng)性隨著粘結(jié)劑含量的增加而提高。

（3）粘結(jié)劑中硬脂酸含量的增加會(huì)顯著提高坯體強(qiáng)度，到達(dá)拐點(diǎn)后坯體強(qiáng)度變化不明顯;喂料的流動(dòng)性隨硬脂酸含量的增加而提高。

（4）喂料中加入少量的蜂蠟?zāi)芴岣呱鲝?qiáng)度，超過(guò)一定量后對(duì)強(qiáng)度的影響效果不再明顯，喂料的流動(dòng)性隨蜂蠟含量的增加而降低。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]謝志鵬.結(jié)構(gòu)陶瓷[M].北京：清華大學(xué)出版社.2011.

[2]Xie Z P，Huang Y，Wu L G.Effect of powder characteristics and grinding process on fluidity of ceramic injection molding mixture[J].Journal of Materials Science Letters，1995（14）：1.165-1.167.

[3]謝志鵬，楊金龍，黃勇.陶瓷注射成型有機(jī)載體的選取及相容性研究[J].硅酸鹽通報(bào)，1998（3）：8-12.

[4]黃伯云，李益民.金屬注射成型黏結(jié)劑的選擇基礎(chǔ)[J].材料導(dǎo)報(bào)，1999，13（2）：8-10.

[5]王斌.注射成型工藝及流變特性研究[D].武漢：華中科技大學(xué)材料學(xué)院.2005.

[6]王秀，謝志鵬，李建保，等.工程陶瓷注射成型的研究與發(fā)展[J].稀有金屬材料與工程.2004，33（11）：1121-1125.

[7]王鶴錕.Al2O3陶瓷注射成型研究[D].天津城市建設(shè)學(xué)院.2009.

[8]Dean-Mo Liu，Wenjea J Tseng.Binder removal from injection moulded zirconia ceramics[J].Ceramics International，1999，6（9）：529-534.

[9]Liu Wei，Xie Zhipeng，Bo Tiezhu，et al.Injection molding of surface modified poeders with high solid loadings：a case of fabrication of translucent alumina ceramics[J].Journal of the European Ceramic Society，2011，9（31）：1611-1617.

[10]Wei W J. Inffuence of stearic acid on suspension structure and green microstructure of injection-molded zirconia ceramics，Ceramics International，1999（25）：191-195.

[11]汪靈，王一鳴，鄭夏，等.硬脂酸對(duì)石蠟熔點(diǎn)及力學(xué)性能的影響[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（4）：112-115.

[12]張琪，肖建中.粘結(jié)劑對(duì)熱壓鑄成型樣品生坯性能的影響[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（4）：590-592.

[13]李忠權(quán)，周朝陽(yáng).陶瓷注射成型粘結(jié)劑現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].陶瓷工程，2001（6）：39-41.