通過纖維素醚熱凝膠反應實現的陶瓷部件凝膠注模成型方法
2023-05-19 13:56:36
專利名稱：通過纖維素醚熱凝膠反應實現的陶瓷部件凝膠注模成型方法
技術領域：
本發明屬於材料製備技術領域，特別是提供了一種通過纖維素醚熱凝膠反應實現的陶瓷部件凝膠注模成型方法。
背景技術：
先進陶瓷材料如氧化鋁、氧化鋯、氮化矽、氮化鋁、碳化矽等因具有高強度、高硬度、耐高溫、耐磨損和抗腐蝕等一系列優良的力學性能和化學穩定性，在現代科學技術與工業領域(如航天、信息、化工等)的應用日漸廣泛。但陶瓷材料燒結後很難進行機加工，因此複雜形狀陶瓷元件的近淨尺寸成型方法已成為精密陶瓷部件生產的關鍵技術。傳統的成型製造工藝如壓製成型很難獲得複雜形狀的陶瓷部件，而普通注漿成型只限於薄壁陶瓷件，對於較大尺寸陶瓷成型坯體內部存在密度梯度，燒結時容易產生缺陷和開裂，並且坯體強度低，易於損壞。熱壓鑄或注射成型有機物加入量高，需要專門的脫脂工序，並且脫脂後坯體強度降低，易形成缺陷甚至倒塌。
凝膠注模成型(gelcasting)由美國橡樹嶺國家實驗室M.A.Janney教授等人於20世紀90年代初發明，是近年倍受關注的一種複雜形狀陶瓷部件近淨尺寸成型方法。其原理是將有機單體與溶劑配製成一定濃度的預混液，陶瓷粉末懸浮於其中製成低粘度、高固相含量的濃懸浮體，加入引發劑及催化劑之後，將這種濃懸浮體漿料注入非多孔模具中，在一定的溫度條件下，有機聚合物單體交聯聚合成三維網絡狀聚合物凝膠，並使粉末顆粒原位粘結而固化形成坯體。凝膠注模成型工藝的優點是易成型複雜形狀，成型坯體組份均勻、密度均勻、缺陷少。主要缺點是目前獲得廣泛應用的有機單體均有一定毒性，如丙烯醯胺具有神經毒性且具有致癌危險；並且成型坯體中含有3～4wt％的有機物，燒結前需要專門的脫脂工序，難以生產大尺寸製品且增加生產周期和成本。
發明內容
本發明的目的是提出一種通過纖維素醚熱凝膠反應實現的陶瓷部件凝膠注模成型方法，克服傳統陶瓷部件成型工藝及現有凝膠注模成型方法的上述問題。
本發明利用價廉、無毒性的水溶性高分子聚合物烷基纖維素醚如甲基纖維素及其羥烷基改性衍生物如羥乙基甲基纖維素(HEMC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)水溶液的熱凝膠性質來實現凝膠注模成型。
纖維素醚是以天然纖維素為原料經化學改性製得的一類半合成型高分子聚合物。甲基纖維素(MC)及其衍生物分子式為[C6H7O4(OH)3-X(OR)X]m，式中R為取代基，X為取代度，m為聚合度。本發明所用纖維素醚參數見表1。
表1實驗用纖維素醚特性
水溶性非離子型烷基纖維素醚及其羥烷基改性衍生物的水溶液加熱時，在特定的溫度下發生相分離，形成三維網狀結構的凝膠析出；冷卻時，當達到凝膠形成的特定溫度以下，凝膠消失恢復原始溶液狀態。這種溶液-凝膠轉變是一種可逆過程，其特性是由於聚合物分子鏈含有大量憎水性取代基的特殊性和分子間相互作用的結果。在較低溫度下，聚合物大分子被水化分散而成為溶液狀態；當溫度升高時分子水化作用減弱而鏈間水被逐漸逐出，當去水化作用足夠充分時出現大分子聚集體，最終導致形成結構膠體。
本發明的通過纖維素醚熱凝膠反應實現的陶瓷部件凝膠注模成型方法包括以下各步驟1、將MC、HPMC、HEMC單獨或以重量比1∶(1～5)∶(1～3)混合，製成1～6重量％均一穩定的水溶液；2、將上述溶液與陶瓷粉料、分散劑混合；陶瓷粉料為氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、氮化鋁、氮化矽、碳化矽中的一種；使用的分散劑為聚丙烯醯胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一種，分散劑用量佔陶瓷粉料重量的0.2～2.0％；3、將第二步驟所得混合料球磨8～48小時；4、上述漿料室溫真空除泡10～30分鐘；5、將漿料注入模具中，模具材料為非孔材料玻璃、金屬、橡膠、塑料等；之後加熱模具至40～80℃，30～120分鐘後脫模，10～30℃真空乾燥2～3天即可得到陶瓷坯體。
本發明的優點在於可獲得形狀複雜、密度均勻、有機物含量少、不需專門脫脂工序的大尺寸坯體，並且該法對多種陶瓷粉料的成型均有效。
具體實施例方式
實施例1甲基纖維素凝膠注模成型氧化鋁陶瓷部件氧化鋁為市售工業粉，純度為99.7％；纖維素醚為西安惠安化學工業有限公司生產，為白色粉末。
將3克甲基纖維素溶入100毫升水中製成溶液，加入400克氧化鋁粉和5克聚丙烯醯胺分散劑，球磨24小時後真空除泡20分鐘，製得固相體積分數約為50％的陶瓷漿料。將所得漿料注入玻璃模具，在60℃保溫120分鐘，模具內漿料固化為坯體，脫模後真空乾燥2天即可得到氧化鋁陶瓷坯體。
實施實例2羥乙基甲基纖維素凝膠注模成型氧化鋯部件氧化鋯為市售工業粉，平均粒度0.8μm；纖維素醚為西安惠安化學工業有限公司生產，為白色粉末。
將4克羥乙基甲基纖維素溶於100毫升水中，加入500克氧化鋯粉和10克聚丙烯酸分散劑，球磨48小時後真空除泡30分鐘，將所得漿料注入金屬模具後將模具移入80℃恆溫箱中保溫120分鐘，脫模後真空乾燥3天即可得到凝膠注模成型氧化鋯陶瓷坯體。
實施實例3羥丙基甲基纖維素凝膠注模成型氧化鈦陶瓷部件市售氧化鈦粉，平均粒度0.4μm；纖維素醚為西安惠安化學工業有限公司生產，為白色粉末。
將5克羥丙基甲基纖維素溶入100毫升水中製成溶液，加入400克氧化鈦粉和5克聚甲基丙烯酸胺分散劑，球磨24小時後真空除泡20分鐘，製得固相體積分數約為50％的陶瓷漿料。將所得漿料注入橡膠模具，在60℃保溫120分鐘，模具內漿料固化為坯體，脫模後真空乾燥2天即可得到氧化鈦陶瓷部件坯體。
實施實例4甲基纖維素、羥乙基甲基纖維素凝膠注模成型氮化矽部件氮化矽為市售工業粉，平均粒度0.8μm；纖維素醚為西安惠安化學工業有限公司生產，為白色粉末。
將3克甲基纖維素、3克羥乙基甲基纖維素溶於100毫升水中，加入350克氮化矽粉和10克聚丙烯酸分散劑，球磨48小時後真空除泡30分鐘，將所得漿料注入金屬模具後將模具移入80℃恆溫箱中保溫120分鐘，脫模後真空乾燥3天即可得到凝膠注模成型氮化矽陶瓷坯體。
實施例5羥乙基甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素凝膠注模成型碳化矽陶瓷部件碳化矽為市售工業粉，平均粒徑為1.5μm；纖維素醚為西安惠安化學工業有限公司生產，為白色粉末。
將2克羥乙基甲基纖維素、2克羥丙基甲基纖維素溶入100毫升水中製成溶液，加入320克碳化矽粉和5克聚丙烯醯胺分散劑，球磨24小時後真空除泡20分鐘，製得固相體積分數約為50％的陶瓷漿料。將所得漿料注入玻璃模具，在60℃保溫120分鐘，模具內漿料固化為坯體，脫模後真空乾燥2天即可得到碳化矽陶瓷坯體。
權利要求
1.一種通過纖維素醚熱凝膠反應實現的陶瓷部件凝膠注模成型方法，採用價廉、無毒性的水溶性高分子聚合物烷基纖維素醚甲基纖維素及其羥烷基改性衍生物如羥乙基甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素水溶液的熱凝膠性質來實現凝膠注模成型，其特徵在於具體工藝步驟為a、將甲基纖維素MC、羥丙基甲基纖維素HPMC、羥乙基甲基纖維素HEMC單獨或以重量比1∶1～5∶1～3混合，製成1～6重量％均一穩定的水溶液；b、將上述溶液與陶瓷粉料、分散劑混合；陶瓷粉料為氧化鋁或氧化鋯、氧化鈦、氮化鋁、氮化矽、碳化矽中的一種；使用的分散劑為聚丙烯醯胺或聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一種，分散劑用量佔陶瓷粉料重量的0.2～2.0％；c、將第b步驟所得混合料球磨8～48小時；d、上述漿料室溫真空除泡10～30分鐘；e、將漿料注入模具中，加熱模具至40～80℃，30～120分鐘後脫模，10～30℃真空乾燥2～3天得到陶瓷坯體。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於模具材料為非孔材料玻璃或金屬、橡膠、塑料。
全文摘要
本發明提供了一種通過纖維素醚熱凝膠反應實現的陶瓷部件凝膠注模成型方法，屬於材料製備技術領域。採用價廉、無毒性的水溶性高分子聚合物烷基纖維素醚甲基纖維素及其羥烷基改性衍生物如羥乙基甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素水溶液的熱凝膠性質來實現凝膠注模成型。本發明的優點在於可獲得形狀複雜、密度均勻、有機物含量少、不需專門脫脂工序的大尺寸坯體，並且該法對多種陶瓷粉料的成型均有效。
文檔編號C04B35/636GK1781878SQ20051008672
公開日2006年6月7日 申請日期2005年10月26日 優先權日2005年10月26日
發明者郭志猛, 李豔, 郝俊傑 申請人:北京科技大學