泡沫凝膠注模成型工藝在多孔氧化鋁陶瓷制備中的應(yīng)用研究

王小芳

（泉州工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院，德化362500）

摘 要：本文介紹了泡沫凝膠注模成型工藝，研究了分散劑、固相含量等工藝參數(shù)對(duì)漿料粘度的影響，研究得出漿料中固相含量為55%時(shí)，以PMAANa為分散劑，可獲得100 mPa·S低粘度高固相的陶瓷濃懸浮液；同時(shí)還研究了引發(fā)劑對(duì)凝膠固化反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明引發(fā)劑在0.3 ～ 0.4%時(shí)聚合時(shí)間較適宜；重點(diǎn)探討了發(fā)泡劑、固相含量、引發(fā)劑等對(duì)多孔氧化鋁陶瓷性能的影響。

關(guān)健詞：泡沫凝膠注模；多孔陶瓷；工藝參數(shù)

1 引言

隨著陶瓷行業(yè)對(duì)陶瓷材料性能和制品形狀等要求的日益提高，傳統(tǒng)的成型方法，如注漿成型、干壓成型、熱壓鑄成型、注射成型等已不能滿足其要求[1]。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的成型技術(shù)或多或少存在一些問題，如熱壓鑄成型或注射成型中有機(jī)物含量大，脫脂較困難，干燥變形大；注漿成型所需時(shí)間長，坯體強(qiáng)度低，成品率低；等靜壓成型所需設(shè)備昂貴，成本高，無法普及；因此在很大程度上限制了陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用前景。泡沫凝膠注模成型技術(shù)的出現(xiàn)可在一定程度上克服傳統(tǒng)成型工藝的不足，可以制備高性能陶瓷材料及大尺寸結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異型零部件[2]。多孔氧化鋁陶瓷因具有滲透性、熱導(dǎo)率低、吸收能量、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、節(jié)能、化工、制藥、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[3]。鑒于凝膠注模成型的優(yōu)越性以及多孔陶瓷應(yīng)用的廣泛性，本論文研究了多孔氧化鋁陶瓷的泡沫凝膠注模成型工藝。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)用陶瓷粉體為Al2O3粉，有機(jī)單體N-羥甲基丙烯酰胺（NMA ），交聯(lián)劑N，N′— 亞甲基雙丙烯酰胺（MBAM），催化劑四甲基乙二胺（TEMED），引發(fā)劑過硫酸銨（APS），分散劑聚丙烯酸鈉（PMAANa）和檸檬酸銨（TAC），發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉。

2.2實(shí)驗(yàn)工藝流程

泡沫凝膠注模成型工藝流程圖如圖1所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 影響氧化鋁漿料性能的因素分析

3.1.1 分散劑對(duì)氧化鋁漿料粘度的影響

圖2為氧化鋁漿料的粘度與分散劑PMAANa用量的關(guān)系圖。由圖可得，當(dāng)PMAANa用量小于0.4%時(shí)，氧化鋁漿料的粘度隨著其用量的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；而當(dāng)PMAANa的加入量占0.4 ～ 0.5%時(shí)，粘度的變化不明顯，分析原因可能是陶瓷顆粒對(duì)PMAANa的吸附已經(jīng)逐漸趨于飽和；但當(dāng)分散劑PMAANa的加入量大于0.5%時(shí)，漿料的粘度不但沒有降低反而增加，分析原因可能是過多的分散劑的高分子被膠粒吸附，從而導(dǎo)致膠粒間距超過了它的最佳范圍，故過多的分散劑會(huì)使?jié){料粘度不增加反而降低。

3.1.2 固相含量對(duì)漿料粘度的影響

圖3為氧化鋁漿料的粘度與固相含量的關(guān)系圖。由圖可得，隨固相含量體積分?jǐn)?shù)從45%增加到60%時(shí)漿料粘度是逐漸增大的，尤其是當(dāng)固相含量體積分?jǐn)?shù)超過55%時(shí)，粘度快速上升。因此本實(shí)驗(yàn)中漿料的最佳固相含量控制在55%較適宜。具體分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是體系中的分散相隨著固相含量體積分?jǐn)?shù)的增加而減少，使得顆粒間距因顆粒之間的靠攏而變小，從而顆粒間的作用力增大；導(dǎo)致顆粒的運(yùn)動(dòng)變得較困難，直觀表現(xiàn)出來就是使得漿料的粘度快速增大。

3.2引發(fā)劑對(duì)聚合反應(yīng)時(shí)間的影響

從單體聚合反應(yīng)機(jī)理分析可得，引發(fā)劑的用量對(duì)聚合反應(yīng)有著重要影響。因?yàn)榫酆戏磻?yīng)的發(fā)生依賴于引發(fā)劑促進(jìn)單體分子形成的單體自由基，當(dāng)引發(fā)劑的用量較大時(shí)，漿料中的自由基濃度較大，引發(fā)速率也會(huì)較大，從而使得引發(fā)速率υo與鏈增長速率υp的比值即υo/υp值較大，得到的坯體強(qiáng)度較低[4]。但當(dāng)引發(fā)劑用量較少時(shí)，引發(fā)速率較小，引發(fā)聚合反應(yīng)所需的時(shí)間較長，從而會(huì)降低成型效率；此外攪拌、澆注等步驟操作的時(shí)間也會(huì)影響聚合速率，所以操作時(shí)間不宜太短，否則在澆注之前漿料已開始凝固，但操作時(shí)間也不宜太長，否則達(dá)不到快速成型的目的。圖4為引發(fā)劑用量對(duì)聚合反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系圖。從圖中可以看出，隨著引發(fā)劑用量的增加，聚合反應(yīng)的時(shí)間越來越短。

3.3 影響多孔氧化鋁陶瓷性能的因素分析

3.3.1 發(fā)泡劑對(duì)多孔陶瓷氣孔率及強(qiáng)度的影響

圖5為發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉對(duì)多孔陶瓷氣孔率及強(qiáng)度的影響曲線圖。當(dāng)氧化鋁漿料的固相含量一定時(shí)，發(fā)泡劑的加入量顯著影響了最終獲得的氣孔率，隨著發(fā)泡劑增多，氣孔率呈線性增加；同時(shí)發(fā)現(xiàn)材料的強(qiáng)度隨著發(fā)泡劑的增加而逐漸降低。

3.3.2 固相含量對(duì)多孔陶瓷氣孔率和強(qiáng)度的影響

圖6為四種不同固相含量的坯體與氣孔率的關(guān)系圖。從圖可以看出，固相含量較少時(shí)，氣孔率較低，隨著固相含量的增加，氣孔率會(huì)逐漸增大。但是，高固相含量又會(huì)使粘度增加，導(dǎo)致成型缺陷增加，再加上氣孔率的增大必然促使抗彎強(qiáng)度的下降。所以控制一定的固相含量對(duì)得到高氣孔率，高抗彎強(qiáng)度的多孔陶瓷材料來說是非常重要的。

3.3.3 引發(fā)劑對(duì)多孔陶瓷氣孔率的影響

圖7為引發(fā)劑與氣孔率的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，引發(fā)劑用量較少時(shí)氣孔率隨著引發(fā)劑用量的增加略有增加，但當(dāng)引發(fā)劑的用量達(dá)到一定量時(shí)，氣孔率的增加非常快，而坯體強(qiáng)度卻隨著引發(fā)劑用量的增加而略微降低。分析其原因：可能是引發(fā)劑加入量過少時(shí)，漿料會(huì)難于固化或固化時(shí)間延長，這樣不但降低了成型效率，而且會(huì)影響生坯結(jié)構(gòu)的均勻性；而當(dāng)引發(fā)劑的加入量過大時(shí)，漿料固化的時(shí)間越短，聚合反應(yīng)速度過快，也會(huì)影響到生坯的均勻性，從而顯著降低坯體的強(qiáng)度，影響材料的性能，所以必須嚴(yán)格控制引發(fā)劑的用量。

4 結(jié)論

（1）分散劑PMAANa的加入，對(duì)調(diào)節(jié)漿料性能有顯著作用，獲得了100 mPa·S左右的低粘度氧化鋁濃懸浮液。

（2）隨著固相含量體積分?jǐn)?shù)的增加，漿料粘度會(huì)逐漸增大；當(dāng)固相含量體積分?jǐn)?shù)超過55%時(shí)，粘度劇烈上升。所以認(rèn)為漿料組成中固相體積分?jǐn)?shù)為55%較為適宜。

（3）引發(fā)劑的用量對(duì)聚合反應(yīng)也有重要影響，引發(fā)劑加入量在0.3 ～ 0.4%時(shí)較適宜。

（4）固相含量一定時(shí)，隨發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉加入量的增加，氣孔率呈線性增加。

（5）發(fā)泡劑、固相含量、引發(fā)劑的加入量都會(huì)影響多孔氧化鋁陶瓷的性能。其中，固相含量和發(fā)泡劑的加入量是影響多孔氧化鋁陶瓷性能的主要因素。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙延亮， 王志義. 氧化鋁陶瓷原位注凝成形技術(shù)的研究[J]. 山東陶瓷， 2009， 32（6）：3-8.

[2] 彭珍珍， 蔡舒， 吳厚政. 陶瓷的凝膠注模成型及其研究現(xiàn)狀[J]. 硅酸鹽通報(bào)， 2004， 23（1）：67-71.

[3] 方春華， 陶文亮. 多孔陶瓷的研究現(xiàn)狀[J]. 廣東化工， 2012， 39（1）：49-50.

[4] 張立偉， 陳森鳳， 沈毅，等. 精細(xì)氧化鋁陶瓷水基凝膠注模成型工藝[J]. 電子元件與材料， 2005， 24（4）：44-47.

項(xiàng)目來源：2015年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（科技），編號(hào)JA15843。