化工填料、氧化鋁陶瓷、耐火材料等產品成型新技術
日期：2025-02-23 19:38
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摘要：
化工填料、氧化鋁陶瓷、耐火材料等產品成型新技術
近年來，發展起來的膠態原位成型技術就是這類陶瓷新技術之一。該技術工藝設備簡單，成本低廉，能淨尺寸成型複雜的陶瓷製品，而且製品組分均勻，缺陷少，強度大，易於機械加工，已在國內外得到廣泛應用。如國外利用注凝成型製造汽車零件；製造電磁材料，如PZT陶瓷和高能變速器中的圓形磁鐵。我國的科技工作者也成功地使用該技術生產出高質量的氧化鋁化工填料、碳化矽、以及耐火材料等。
膠態原位成型技術主要包括：注射成型、直接凝固注模成型和注凝成型。現在分別予以介紹。
１、陶瓷注射成型技術
注射成型技術是陶瓷粉料與熱塑性樹脂等有機物混練後得到混合料，裝入注射機於一定溫度注入模具，迅速冷凝後脫模而製成坯體。該技術適合製備濕坯強度大，尺寸精度高，機械加工量少，坯體均一的產品，適於大規模生產。對形狀複雜、厚度較薄產品的製備有著明顯的優越性。但由於成型中加入的有機添加劑量大，脫模時間長，不適合大尺寸部件的成型。
陶瓷注射成型使用的有機載體包括粘接劑、增塑劑、潤滑劑等。有機載體的選擇應重點考慮：體係內的相容性；注射懸浮體的流變特性；脫模特性與生坯強度。通常有機載體與陶瓷粉體混練後的結合強度主要取決於熱塑性樹脂高聚物；脫脂特性亦可由耐熱性好的高聚物調節；可塑劑和潤滑劑可改善體係流動性及脫模性能；表麵活性劑具有綜合調節作用。
在熔體注射充模冷凝形成坯體的過程中，坯體內產生的應力有兩種，即溫度應力和成型應力。對異型、大尺寸坯體的注射參數和充模過程的研究表明，過高的注射壓力和注射溫度使坯體內產生較大的成型應力和溫度應力，增大了坯體變形和開裂的危險性。
由於注射成型加入大量有機載體，燒結前必須將其排除，即進行脫脂。脫脂耗時較長，容易使坯體產生缺陷。因此，脫脂是注射成型工藝的關鍵。影響脫脂過程的因素主要有：氣氛、壓力和溫度製度。惰性氣氛可避免有機物的氧化分解。一定的氣氛壓力，可縮小有機物揮發及分解產生的有效體積，從而減少由於體積膨脹引起的坯體開裂。另外，脫脂速率也直接受溫度影響。在坯體軟化，內部尚未形成氣孔通道的溫度段150～300℃，升溫速率必須嚴格控製。否則，坯體易發生變形、產生鼓泡及開裂等缺陷。
２、陶瓷的直接凝固注模成型技術
陶瓷直接凝固注模成型技術是在陶瓷粉料中加入反絮凝劑和分散劑，利用膠體顆粒的靜電或位阻效應製備出高固相體積分數、分散均勻、流動性好的漿料，同時引入生物酶作為陶瓷漿料的催化劑。利用生物酶催化反應來控製陶瓷漿料的PH值和電解質濃度，使其在放電層排斥能*小時依靠範德華力而原位凝固。
該技術的優點是，漿料中隻加入少量生物酶外，不用或隻需微量有機添加劑。凝固的陶瓷坯體密度高而且均勻，有較高的強度，無須脫脂。陶瓷坯體在整個成型和燒結過程中，尺寸、形狀變化微小，燒結密度高。而且，模具選擇範圍廣，加工成本低。
在直接凝固注模成型過程中，陶瓷漿料的固相含量一般要達到50％以上，同時，漿料濃度不能太高。成型中，一般不加入有機表麵活性劑，它會導致酶催化劑失效，也會改變陶瓷微粒表麵的電荷狀態和等電點位置。在選擇好*佳微粒尺寸後，可采用造粒和過篩方法製備所需微粒尺寸的陶瓷粉體。酶催化劑反應不僅改變漿料的PH值，而且隨著反應的進行，漿料的離子強度也不斷加強，使漿料的放電層電位減小，促使漿料凝固。但過高的離子強度會增加漿料中的電解質含量，對製品的燒結及力學性能有不利影響。所以，對酶催化反應應進行嚴格控製，主要是控製加入量。一般酶催化劑含量越高，凝固時間越短。不同的酶催化反應都有不同的*佳溫度，低於或高於此溫度，都會延長凝固時間。
３、陶瓷的注凝成型技術
陶瓷的注凝成型因溶劑的不同分為：水基凝膠注模成型和有機基凝膠注模成型，但它們的原理基本相同。現僅就水基凝膠注模成型予以介紹。
水基凝膠注模成型技術的核心是使用低濃度的有機單體水溶液，加入較高體積分數的陶瓷粉末且具有良好的流動性，在催化劑和引發劑的作用下，澆注後漿料中的有機單體交聯聚合成三維網狀結構，從而使濃懸浮體原位固化成型。然後脫模、幹燥、燒除有機結合劑進行燒結，即獲得所需的陶瓷部件。
該工藝技術的優點是，對粉體沒有特殊要求，適合各類複雜形狀陶瓷製品的生產，注模操作與凝膠定型過程完全分離，漿料凝膠膠化時間完全可控，濕凝膠坯體堅韌且有彈性，容易脫模，給生產帶來便利。坯體定型靠有機單體原位聚合反應形成凝膠體，坯體各組分結構均勻、缺陷少、坯體密度大。因粉料中有機物含量低，坯體幹燥脫水及有機物燒除簡單，成型坯體內在質量的，成品率高。另外，幹燥後坯體非常堅固，可以采用各類機械進行加工，從而真正實現陶瓷部件的淨尺寸精密成型。
在水基凝膠注模成型中，通常選用丙烯酰胺作為有機單體，****丙烯酰胺作為交聯劑，過硫酸銨水溶液作為引發劑，四甲基乙二胺作為催化劑，同時使用JA—281作為分散劑。
水基凝膠注模成型技術的關鍵是配製出高陶瓷粉體含量還具有良好流動性的漿料，分散劑對顆粒的穩定分散作用下僅與分散劑性質有關，還與其用量，使用條件有關。對複相陶瓷來說，影響懸浮體流變性的還有各相的膠體特性。為製備分散均勻的低粘度、高固相混合懸浮體，需對各相進行表麵修飾改性，即調整各相的膠體特性，使懸浮體中的各固相均具有相似的膠體穩定性和近似的等電點。
引發劑、催化劑和溫度條件對不同陶瓷漿料凝膠化有著不同的影響。有效、準確地控製漿料的凝膠化時間，是水基凝膠注模成型的重要一環。凝膠的形成是通過氫鍵機理，高分子骨架上的親水基團與凝膠網中水分子強烈反應，從而把水分子固定。近年來，采用天然水溶性凝膠物質，如瓊脂糖、明膠等的熱熔膠特性，即加熱時溶解，冷卻時形成凝膠而產生固化，將其用於膠態成型，收到了良好的效果。
排膠是水基凝膠注模成型極為重要的環節，排膠速度過快會導致坯體開裂，形成在燒成後期難以消除的孔洞。排膠速度慢，則會影響生產效率。對於不同的有機結合劑，需對它的熱分解溫度、不同溫度下的分解速度及完全燒除的*高溫度進行認真觀測、研究，才能製定出合理的燒除工藝製度。
膠態原位成型技術主要包括：注射成型、直接凝固注模成型和注凝成型。現在分別予以介紹。
１、陶瓷注射成型技術
注射成型技術是陶瓷粉料與熱塑性樹脂等有機物混練後得到混合料，裝入注射機於一定溫度注入模具，迅速冷凝後脫模而製成坯體。該技術適合製備濕坯強度大，尺寸精度高，機械加工量少，坯體均一的產品，適於大規模生產。對形狀複雜、厚度較薄產品的製備有著明顯的優越性。但由於成型中加入的有機添加劑量大，脫模時間長，不適合大尺寸部件的成型。
陶瓷注射成型使用的有機載體包括粘接劑、增塑劑、潤滑劑等。有機載體的選擇應重點考慮：體係內的相容性；注射懸浮體的流變特性；脫模特性與生坯強度。通常有機載體與陶瓷粉體混練後的結合強度主要取決於熱塑性樹脂高聚物；脫脂特性亦可由耐熱性好的高聚物調節；可塑劑和潤滑劑可改善體係流動性及脫模性能；表麵活性劑具有綜合調節作用。
在熔體注射充模冷凝形成坯體的過程中，坯體內產生的應力有兩種，即溫度應力和成型應力。對異型、大尺寸坯體的注射參數和充模過程的研究表明，過高的注射壓力和注射溫度使坯體內產生較大的成型應力和溫度應力，增大了坯體變形和開裂的危險性。
由於注射成型加入大量有機載體，燒結前必須將其排除，即進行脫脂。脫脂耗時較長，容易使坯體產生缺陷。因此，脫脂是注射成型工藝的關鍵。影響脫脂過程的因素主要有：氣氛、壓力和溫度製度。惰性氣氛可避免有機物的氧化分解。一定的氣氛壓力，可縮小有機物揮發及分解產生的有效體積，從而減少由於體積膨脹引起的坯體開裂。另外，脫脂速率也直接受溫度影響。在坯體軟化，內部尚未形成氣孔通道的溫度段150～300℃，升溫速率必須嚴格控製。否則，坯體易發生變形、產生鼓泡及開裂等缺陷。
２、陶瓷的直接凝固注模成型技術
陶瓷直接凝固注模成型技術是在陶瓷粉料中加入反絮凝劑和分散劑，利用膠體顆粒的靜電或位阻效應製備出高固相體積分數、分散均勻、流動性好的漿料，同時引入生物酶作為陶瓷漿料的催化劑。利用生物酶催化反應來控製陶瓷漿料的PH值和電解質濃度，使其在放電層排斥能*小時依靠範德華力而原位凝固。
該技術的優點是，漿料中隻加入少量生物酶外，不用或隻需微量有機添加劑。凝固的陶瓷坯體密度高而且均勻，有較高的強度，無須脫脂。陶瓷坯體在整個成型和燒結過程中，尺寸、形狀變化微小，燒結密度高。而且，模具選擇範圍廣，加工成本低。
在直接凝固注模成型過程中，陶瓷漿料的固相含量一般要達到50％以上，同時，漿料濃度不能太高。成型中，一般不加入有機表麵活性劑，它會導致酶催化劑失效，也會改變陶瓷微粒表麵的電荷狀態和等電點位置。在選擇好*佳微粒尺寸後，可采用造粒和過篩方法製備所需微粒尺寸的陶瓷粉體。酶催化劑反應不僅改變漿料的PH值，而且隨著反應的進行，漿料的離子強度也不斷加強，使漿料的放電層電位減小，促使漿料凝固。但過高的離子強度會增加漿料中的電解質含量，對製品的燒結及力學性能有不利影響。所以，對酶催化反應應進行嚴格控製，主要是控製加入量。一般酶催化劑含量越高，凝固時間越短。不同的酶催化反應都有不同的*佳溫度，低於或高於此溫度，都會延長凝固時間。
３、陶瓷的注凝成型技術
陶瓷的注凝成型因溶劑的不同分為：水基凝膠注模成型和有機基凝膠注模成型，但它們的原理基本相同。現僅就水基凝膠注模成型予以介紹。
水基凝膠注模成型技術的核心是使用低濃度的有機單體水溶液，加入較高體積分數的陶瓷粉末且具有良好的流動性，在催化劑和引發劑的作用下，澆注後漿料中的有機單體交聯聚合成三維網狀結構，從而使濃懸浮體原位固化成型。然後脫模、幹燥、燒除有機結合劑進行燒結，即獲得所需的陶瓷部件。
該工藝技術的優點是，對粉體沒有特殊要求，適合各類複雜形狀陶瓷製品的生產，注模操作與凝膠定型過程完全分離，漿料凝膠膠化時間完全可控，濕凝膠坯體堅韌且有彈性，容易脫模，給生產帶來便利。坯體定型靠有機單體原位聚合反應形成凝膠體，坯體各組分結構均勻、缺陷少、坯體密度大。因粉料中有機物含量低，坯體幹燥脫水及有機物燒除簡單，成型坯體內在質量的，成品率高。另外，幹燥後坯體非常堅固，可以采用各類機械進行加工，從而真正實現陶瓷部件的淨尺寸精密成型。
在水基凝膠注模成型中，通常選用丙烯酰胺作為有機單體，****丙烯酰胺作為交聯劑，過硫酸銨水溶液作為引發劑，四甲基乙二胺作為催化劑，同時使用JA—281作為分散劑。
水基凝膠注模成型技術的關鍵是配製出高陶瓷粉體含量還具有良好流動性的漿料，分散劑對顆粒的穩定分散作用下僅與分散劑性質有關，還與其用量，使用條件有關。對複相陶瓷來說，影響懸浮體流變性的還有各相的膠體特性。為製備分散均勻的低粘度、高固相混合懸浮體，需對各相進行表麵修飾改性，即調整各相的膠體特性，使懸浮體中的各固相均具有相似的膠體穩定性和近似的等電點。
引發劑、催化劑和溫度條件對不同陶瓷漿料凝膠化有著不同的影響。有效、準確地控製漿料的凝膠化時間，是水基凝膠注模成型的重要一環。凝膠的形成是通過氫鍵機理，高分子骨架上的親水基團與凝膠網中水分子強烈反應，從而把水分子固定。近年來，采用天然水溶性凝膠物質，如瓊脂糖、明膠等的熱熔膠特性，即加熱時溶解，冷卻時形成凝膠而產生固化，將其用於膠態成型，收到了良好的效果。
排膠是水基凝膠注模成型極為重要的環節，排膠速度過快會導致坯體開裂，形成在燒成後期難以消除的孔洞。排膠速度慢，則會影響生產效率。對於不同的有機結合劑，需對它的熱分解溫度、不同溫度下的分解速度及完全燒除的*高溫度進行認真觀測、研究，才能製定出合理的燒除工藝製度。
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