琼脂糖凝胶注模成型制备氧化铝陶瓷的研究

2016-05-14麦景瑜蔡晓峰席红安卢庆贤

佛山陶瓷 2016年9期

麦景瑜蔡晓峰席红安卢庆贤

摘要：本文利用琼脂糖做凝胶剂，对凝胶注模成型所需的水性无毒氧化铝陶瓷浆料进行了正交实验，分析了各因素对凝胶注模成型浆料制备的影响，经实验确定了形成较好琼脂糖凝胶注模成型的技术条件，所得陶瓷坯体具有较高的强度和较好的表面质量。

关键词：琼脂糖；凝胶；氧化铝陶瓷；注模成型

1 引言

凝胶注模成型能将化学聚合物与传统的陶瓷巧妙地结合起来，是一门制备高品质复杂陶瓷部件的新颖技术。其物料的基本组分为粉体、溶剂、分散剂、引发剂、有机单体和催化剂，根据所用的溶剂又可分为水基体系与非水基体系。该技术的基本原理是：在低粘度、高固相体积分数且高度分散的浆料中，加入有机单体，然后通过催化剂和引发剂作用或加热、冷却等方式使浆料中的有机单体化学交联聚合或物理交联成三维网状结构，从而使浆料中的粉体原位固化，形成坯体。

凝胶注模成型作为新颖的成型工艺，受到了陶瓷行业的关注。该工艺具有以下特点：工艺过程简单、易控制、适用性好、对粉体无苛刻要求、所得坯体密度分布均匀、可实现近净尺寸成型、适用于复杂陶瓷部件的制作、成坯强度高且韧性好、成本低廉，可用于大规模生产。

目前，对无毒的水性凝胶注模成形体系的研究是行业关注的焦点之一。本课题的研究目的是通过利用天然大分子琼脂糖凝胶代替有毒的丙烯酰胺（AM）进行凝胶注模成型，实现无毒环保制备，并且得到性质优良的陶瓷坯体和烧结体，为陶瓷成型工艺进行新的探索。

2 实验过程

2.1 实验工艺流程

琼脂糖凝胶注模成型工艺流程见图1。

2.2 原材料

实验所用主要原材料见表1

实验采用的琼脂糖凝胶大分子有别于其他凝胶体系。琼脂糖是天然水溶性大分子，无毒，实现了绿色环保的工业生产，而且减少了各种有机单体、引发剂和交联剂的引入，大大减少了原料的成本，并且琼脂糖分子加热溶解的过程完全能通过陶瓷烧结的余热来实现，所以利用琼脂糖凝胶注模工艺制备陶瓷，具有良好的应用前景。

2.3 性能检测

浆料的粘度采用旋转粘度计测量。浆料的流动性通过测量从漏斗流出的浆料的质量和时间，计算出浆料的流动速度来判断。陶瓷坯体及烧结体的强度采用PSK-500型坯料抗折仪测量。收缩率采用游标卡尺测量坯体与烧结品的长度（精确度为0.01 mm），分别按下式计算其收缩率：η1=（D0-D1）/D0×100% ，其中，D0为模具对角线长，D1为干坯对角线长。

体积密度与吸水率采用电子天平测量陶瓷样品的质量M1，然后水煮样品30 min后，冷却，取出样品用拧干的湿毛巾抹干表面水分称取质量M2，用排水法测量样品的体积V，按下式计算烧成品的体积密度与吸水率：

体积密度ρ：ρ= M1/V

吸水率W：W=（M2-M1）/M1×100%

3 实验结果及讨论

3.1 正交实验设计

前期实验结果表明，注凝成形工艺中陶瓷粉体含量、pH和糖含量是影响琼脂糖凝胶注模成型的三大主要因素。本文为探究陶瓷粉体含量、pH和糖含量对氧化铝凝胶注模成型的综合影响，设计了三因素三水平的正交实验，见表2、表3。

对于正交实验，本文采用综合平衡分析法。其过程是先探讨该三因素分别对浆料粘度、浆料流动性、坯体外观和坯体强度的影响，得出影响各指标的因素的最好的水平，综合分析得到最优方案。最优方案是指在所作的实验范围内，各因素较优的水平组合，它是通过统计分析得出的，还需要进行实验验证，以保证最优方案与实际一致，否则还需要进行新的正交实验[20]。

3.2 固含量、pH和糖含量对浆料粘度的影响

正交实验结果见表4。结果表明，各因素对陶瓷浆料粘度影响的大小为：固含量> pH > 糖含量，要想粘度降低，固含量该选择a到b；pH该选择b到c；糖含量该选择a到b。本次实验最优方案为：固含量66%，pH 8，糖含量0.3%。

3.3 固含量、pH和糖含量对浆料流动性的影响

陶瓷浆料流动性的正交实验结果见表5。结果表明，各因素对陶瓷浆料流动性的影响大小为：固含量>糖含量> pH，浆料的流动性关系着浆料的注模成型，要满足成型流动性要求，固含量该选择a到b；pH该选择b到c；糖含量该选择a到b。本次实验的最优方案为固含量66%，pH为8，糖含量0.3%。

3.4 固含量、pH和糖含量对坯体强度的影响

陶瓷坯体强度的正交实验结果见表6，结果表明，各因素对陶瓷坯体强度影响的大小为：固含量> pH > 糖含量，对于强度的要求是越高越好，固含量该选择b到c；pH该选择b到c；糖含量也该选择b到c。本次实验最优方案为：固含量74%，pH 9，糖含量0.7%。

3.5 固含量、pH和糖含量对坯体外观的影响

陶瓷坯体外观的正交实验结果见表7。在表7中，坯体的外观平整性分三个等级：1代表好；2代表一般；3代表差。数值越低代表坯体平整程度越好。

实验结果表明，各因素对坯体外观的影响大小为：固含量>糖含量> pH，所以固含量该选择a到b；pH该选择b到c；糖含量该选择a。本次实验的最优方案为：固含量66%，pH8或9，糖含量0.3%。

3.6 最优方案的确定

综合固含量、pH和糖含量对浆料粘度、浆料流动性、坯体强度以及坯体外观的影响得表8。

实验的目的是为了寻找适合的固含量、pH、糖含量的浆料，该浆料满足注模成型流动性要求，浆料粘度达到脱模要求，成型坯体具有较高强度和可观的平整性。

所做的9组实验中（1）浆料的粘度最低160 mPa·s，最高16520 mPa·s，浆料粘度基本不影响坯体脱模；（2）要满足成型流动性要求，固含量该选择66～70%，pH应选择8～9，糖含量应选择0.3～0.5%；（3）固含量与糖含量主要影响着坯体中粉体的间隙和排列骨架，要想坯体获得较高强度，固含量应选择70～74%，pH应选择8～9，糖含量应选择0.5～0.7%；（4）坯体的平整程度主要受固含量和糖含量制约，其中糖含量的影响尤为明显。琼脂糖的量越多，浆料越难充分混合，气泡也越多，浆料更容易起皮变皱，从而影响坯体外观。为达到较好的外观，固含量应选择66～70%，pH应选择8～9，糖含量应选择0.3～0.5%。

正交实验表明，极差出现最大的那一列属于固含量，证明固含量的改变对整个体系的影响最大，糖含量次之，pH最小。因此，在不影响成型和脱模的情况下，要想得到外观较好和强度较高的坯体，最好的固含量为70%，最好的糖含量为0.5%，pH越高，浆料表现出来的流动性就越好。综合整体分析，最优的方案为固含量70%，pH 9，糖含量0.5%。

3.7 最优方案制备氧化铝试样

根据正交所得的最优方案来设计实验，制备浆料并测量其粘度和流动性。利用凝胶注模成型工艺获得6条坯体，其中3条用于测量坯体强度，另外3条经1430℃高温烧结后，测量其烧结强度，结果取平均值。

实验得到浆料粘度为750 mPa·s，小于1 Pa·s；流速5.32 g/s，流动性一般，但已满足注模要求；得到坯体外观较好，如图2和图3所示。

图3中，无标记的3条生坯是最优实验所得，生坯外观平整，无坑洼，对角线长12.130 cm，经烘箱干燥至质量不变，得到干坯对角线长11.321 cm，干燥收缩率为6.68%，用坯料抗折仪测量，得到坯体抗折强度为1.57 MPa，强度达到琼脂糖凝胶注模成型1.5 MPa的要求。综合来看，最优方案制备的浆料粘度较低，流动性较好，坯体外观平整，强度较高，证明正交实验分析的结果是合理的。

干坯置于快速升温箱式电炉中经1430℃烧结，获得对角线长9.502 cm的烧成样，烧成收缩率为21.68%，经测量其抗折强度大于94.05 MPa，体积密度为3.42 g/ml，吸水率为0.97%。

相同条件制备注浆浆料，把浆料注入石膏模具中，制取3条干坯，测量其强度，取平均值。得到干坯抗折强度为0.43 MPa，均远低于琼脂糖凝胶注模成型所得样品。

3.8 琼脂糖凝胶注模成型制备复杂氧化铝陶瓷

由于琼脂糖凝胶注模成型所制浆料具有较好的流动性，能实现较短时间的成型，并且得到的生坯具有一定强度和韧性，因此它适用于各种复杂陶瓷部件的成型制备。如图4和图5所示为用琼脂糖凝胶注模成型所制备的形状复杂的90瓷氧化铝陶瓷的坯体。

4 结论

1、所得琼脂糖凝胶注模成型工艺条件：90瓷氧化铝陶瓷粉体含量70%，浆料的pH为9，琼脂糖含量0.5%。所得浆料粘度750 mPa·s，流动性5.32 g/s，干坯抗折强度1.57 MPa，外观平整，干燥线收缩率为6.68%，烧结后抗折强度达94.05 MPa以上，烧成线收缩率为21.68%，烧结体吸水率为0.97%，体积密度为3.42 g/ml。

2、凝胶注模成型工艺所得坯体强度远高于传统注浆成型工艺。

3、琼脂糖凝胶注模成型工艺能达到近净尺寸的成型，可适用于复杂陶瓷部件的成型制备。

参考文献

[1] 杨金龙，谢志鹏，汤强，等.α-Al2O3悬浮体的流变性及凝胶注模

成型工艺的研究[J].硅酸盐学报.1998，26（1）：41～45.

[2] 于洪浩. 陶瓷凝胶注模成型技术及其应用研究[J].辽宁化工.

2007，36（4）：260～265.

[3] 彭俊.醇水基料浆凝胶注模成型氧化铝多孔陶瓷[D].长沙：中南

大学.2013.

[4] 高友谊.氧化铝陶瓷凝胶注模成型工艺研究[D].哈尔滨：哈尔滨

工程大学.2003.

[5] 谢志鹏，杨金龙，陈亚丽，等.琼脂糖凝胶大分子在陶瓷原位凝固