泡沫凝胶注模成型工艺在多孔氧化铝陶瓷制备中的应用研究

    王小芳

    

    

    

    （泉州工艺美术职业学院，德化362500）

    摘 要：本文介绍了泡沫凝胶注模成型工艺，研究了分散剂、固相含量等工艺参数对浆料粘度的影响，研究得出浆料中固相含量为55%时，以PMAANa为分散剂，可获得100 mPa·S低粘度高固相的陶瓷浓悬浮液；同时还研究了引发剂对凝胶固化反应的影响，实验结果表明引发剂在0.3 ～ 0.4%时聚合时间较适宜；重点探讨了发泡剂、固相含量、引发剂等对多孔氧化铝陶瓷性能的影响。

    关健词：泡沫凝胶注模；多孔陶瓷；工艺参数

    1 引言

    随着陶瓷行业对陶瓷材料性能和制品形状等要求的日益提高，传统的成型方法，如注浆成型、干压成型、热压铸成型、注射成型等已不能满足其要求[1]。这是因为传统的成型技术或多或少存在一些问题，如热压铸成型或注射成型中有机物含量大，脱脂较困难，干燥变形大；注浆成型所需时间长，坯体强度低，成品率低；等静压成型所需设备昂贵，成本高，无法普及；因此在很大程度上限制了陶瓷产业的发展和应用前景。泡沫凝胶注模成型技术的出现可在一定程度上克服传统成型工艺的不足，可以制备高性能陶瓷材料及大尺寸结构复杂的异型零部件[2]。多孔氧化铝陶瓷因具有渗透性、热导率低、吸收能量、抗腐蚀等优点，已经被广泛应用于环境保护、节能、化工、制药、生物医学等多个领域[3]。鉴于凝胶注模成型的优越性以及多孔陶瓷应用的广泛性，本论文研究了多孔氧化铝陶瓷的泡沫凝胶注模成型工艺。

    2 实验

    2.1实验原料

    实验用陶瓷粉体为Al2O3粉，有机单体N-羟甲基丙烯酰胺（NMA ），交联剂N，N′— 亚甲基双丙烯酰胺（MBAM），催化剂四甲基乙二胺（TEMED），引发剂过硫酸铵（APS），分散剂聚丙烯酸钠（PMAANa）和柠檬酸铵（TAC），发泡剂十二烷基硫酸钠。

    2.2实验工艺流程

    泡沫凝胶注模成型工艺流程图如图1所示。

    3 结果与讨论

    3.1 影响氧化铝浆料性能的因素分析

    3.1.1 分散剂对氧化铝浆料粘度的影响

    图2为氧化铝浆料的粘度与分散剂PMAANa用量的关系图。由图可得，当PMAANa用量小于0.4%时，氧化铝浆料的粘度随着其用量的增加呈现逐渐降低的趋势；而当PMAANa的加入量占0.4 ～ 0.5%时，粘度的变化不明显，分析原因可能是陶瓷颗粒对PMAANa的吸附已经逐渐趋于饱和；但当分散剂PMAANa的加入量大于0.5%时，浆料的粘度不但没有降低反而增加，分析原因可能是过多的分散剂的高分子被胶粒吸附，从而导致胶粒间距超过了它的最佳范围，故过多的分散剂会使浆料粘度不增加反而降低。

    3.1.2 固相含量对浆料粘度的影响

    图3为氧化铝浆料的粘度与固相含量的关系图。由图可得，随固相含量体积分数从45%增加到60%时浆料粘度是逐渐增大的，尤其是当固相含量体积分数超过55%时，粘度快速上升。因此本实验中浆料的最佳固相含量控制在55%较适宜。具体分析产生上述现象的原因可能是体系中的分散相随着固相含量体积分数的增加而减少，使得颗粒间距因颗粒之间的靠拢而变小，从而颗粒间的作用力增大；导致颗粒的运动变得较困难，直观表现出来就是使得浆料的粘度快速增大。

    3.2引发剂对聚合反应时间的影响

    从单体聚合反应机理分析可得，引发剂的用量对聚合反应有着重要影响。因为聚合反应的发生依赖于引发剂促进单体分子形成的单体自由基，当引发剂的用量较大时，浆料中的自由基浓度较大，引发速率也会较大，从而使得引发速率υo与链增长速率υp的比值即υo/υp值较大，得到的坯体强度较低[4]。但当引发剂用量较少时，引发速率较小，引发聚合反应所需的时间较长，从而会降低成型效率；此外搅拌、浇注等步骤操作的时间也会影响聚合速率，所以操作时间不宜太短，否则在浇注之前浆料已开始凝固，但操作时间也不宜太长，否则达不到快速成型的目的。图4为引发剂用量对聚合反应时间的关系图。从图中可以看出，随着引发剂用量的增加，聚合反应的时间越来越短。

    3.3 影响多孔氧化铝陶瓷性能的因素分析

    3.3.1 发泡剂对多孔陶瓷气孔率及强度的影响

    图5为发泡剂十二烷基硫酸钠对多孔陶瓷气孔率及强度的影响曲线图。当氧化铝浆料的固相含量一定时，发泡剂的加入量显著影响了最终获得的气孔率，随着发泡剂增多，气孔率呈线性增加；同时发现材料的强度随着发泡剂的增加而逐渐降低。

    3.3.2 固相含量对多孔陶瓷气孔率和强度的影响

    图6为四种不同固相含量的坯体与气孔率的关系图。从图可以看出，固相含量较少时，气孔率较低，随着固相含量的增加，气孔率会逐渐增大。但是，高固相含量又会使粘度增加，导致成型缺陷增加，再加上气孔率的增大必然促使抗弯强度的下降。所以控制一定的固相含量对得到高气孔率，高抗弯强度的多孔陶瓷材料来说是非常重要的。

    3.3.3 引发剂对多孔陶瓷气孔率的影响

    图7为引发剂与气孔率的关系曲线图。从图中可以看出，引发剂用量较少时气孔率随着引发剂用量的增加略有增加，但当引发剂的用量达到一定量时，气孔率的增加非常快，而坯体强度却随着引发剂用量的增加而略微降低。分析其原因：可能是引发剂加入量过少时，浆料会难于固化或固化时间延长，这样不但降低了成型效率，而且会影响生坯结构的均匀性；而当引发剂的加入量过大时，浆料固化的时间越短，聚合反应速度过快，也会影响到生坯的均匀性，从而显著降低坯体的强度，影响材料的性能，所以必须严格控制引发剂的用量。

    4 结论

    （1）分散剂PMAANa的加入，对调节浆料性能有显著作用，获得了100 mPa·S左右的低粘度氧化铝浓悬浮液。

    （2）随着固相含量体积分数的增加，浆料粘度会逐渐增大；当固相含量体积分数超过55%时，粘度剧烈上升。所以认为浆料组成中固相体积分数为55%较为适宜。

    （3）引发剂的用量对聚合反应也有重要影响，引发剂加入量在0.3 ～ 0.4%时较适宜。

    （4）固相含量一定时，随发泡剂十二烷基硫酸钠加入量的增加，气孔率呈线性增加。

    （5）发泡剂、固相含量、引发剂的加入量都会影响多孔氧化铝陶瓷的性能。其中，固相含量和发泡剂的加入量是影响多孔氧化铝陶瓷性能的主要因素。

    参考文献

    [1] 赵延亮， 王志义. 氧化铝陶瓷原位注凝成形技术的研究[J]. 山东陶瓷， 2009， 32（6）：3-8.

    [2] 彭珍珍， 蔡舒， 吳厚政. 陶瓷的凝胶注模成型及其研究现状[J]. 硅酸盐通报， 2004， 23（1）：67-71.

    [3] 方春华， 陶文亮. 多孔陶瓷的研究现状[J]. 广东化工， 2012， 39（1）：49-50.

    [4] 张立伟， 陈森凤， 沈毅，等. 精细氧化铝陶瓷水基凝胶注模成型工艺[J]. 电子元件与材料， 2005， 24（4）：44-47.

    项目来源：2015年福建省中青年教师教育科研项目（科技），编号JA15843。