麥景瑜 蔡曉峰 席紅安 盧慶賢

摘 要：本文利用瓊脂糖做凝膠劑，對凝膠注模成型所需的水性無毒氧化鋁陶瓷漿料進行了正交實驗，分析了各因素對凝膠注模成型漿料制備的影響，經(jīng)實驗確定了形成較好瓊脂糖凝膠注模成型的技術(shù)條件，所得陶瓷坯體具有較高的強度和較好的表面質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：瓊脂糖；凝膠；氧化鋁陶瓷；注模成型

1 引言

凝膠注模成型能將化學聚合物與傳統(tǒng)的陶瓷巧妙地結(jié)合起來，是一門制備高品質(zhì)復雜陶瓷部件的新穎技術(shù)。其物料的基本組分為粉體、溶劑、分散劑、引發(fā)劑、有機單體和催化劑，根據(jù)所用的溶劑又可分為水基體系與非水基體系。該技術(shù)的基本原理是：在低粘度、高固相體積分數(shù)且高度分散的漿料中，加入有機單體，然后通過催化劑和引發(fā)劑作用或加熱、冷卻等方式使?jié){料中的有機單體化學交聯(lián)聚合或物理交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使?jié){料中的粉體原位固化，形成坯體。

凝膠注模成型作為新穎的成型工藝，受到了陶瓷行業(yè)的關(guān)注。該工藝具有以下特點：工藝過程簡單、易控制、適用性好、對粉體無苛刻要求、所得坯體密度分布均勻、可實現(xiàn)近凈尺寸成型、適用于復雜陶瓷部件的制作、成坯強度高且韌性好、成本低廉，可用于大規(guī)模生產(chǎn)。

目前，對無毒的水性凝膠注模成形體系的研究是行業(yè)關(guān)注的焦點之一。本課題的研究目的是通過利用天然大分子瓊脂糖凝膠代替有毒的丙烯酰胺（AM）進行凝膠注模成型，實現(xiàn)無毒環(huán)保制備，并且得到性質(zhì)優(yōu)良的陶瓷坯體和燒結(jié)體，為陶瓷成型工藝進行新的探索。

2 實驗過程

2.1 實驗工藝流程

瓊脂糖凝膠注模成型工藝流程見圖1。

2.2 原材料

實驗所用主要原材料見表1

實驗采用的瓊脂糖凝膠大分子有別于其他凝膠體系。瓊脂糖是天然水溶性大分子，無毒，實現(xiàn)了綠色環(huán)保的工業(yè)生產(chǎn)，而且減少了各種有機單體、引發(fā)劑和交聯(lián)劑的引入，大大減少了原料的成本，并且瓊脂糖分子加熱溶解的過程完全能通過陶瓷燒結(jié)的余熱來實現(xiàn)，所以利用瓊脂糖凝膠注模工藝制備陶瓷，具有良好的應用前景。

2.3 性能檢測

漿料的粘度采用旋轉(zhuǎn)粘度計測量。漿料的流動性通過測量從漏斗流出的漿料的質(zhì)量和時間，計算出漿料的流動速度來判斷。陶瓷坯體及燒結(jié)體的強度采用PSK-500型坯料抗折儀測量。收縮率采用游標卡尺測量坯體與燒結(jié)品的長度（精確度為0.01 mm），分別按下式計算其收縮率：η1=（D0-D1）/D0×100% ，其中，D0為模具對角線長，D1為干坯對角線長。

體積密度與吸水率采用電子天平測量陶瓷樣品的質(zhì)量M1，然后水煮樣品30 min后，冷卻，取出樣品用擰干的濕毛巾抹干表面水分稱取質(zhì)量M2，用排水法測量樣品的體積V，按下式計算燒成品的體積密度與吸水率：

體積密度ρ：ρ= M1/V

吸水率W：W=（M2-M1）/M1×100%

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 正交實驗設計

前期實驗結(jié)果表明，注凝成形工藝中陶瓷粉體含量、pH和糖含量是影響瓊脂糖凝膠注模成型的三大主要因素。本文為探究陶瓷粉體含量、pH和糖含量對氧化鋁凝膠注模成型的綜合影響，設計了三因素三水平的正交實驗，見表2、表3。

對于正交實驗，本文采用綜合平衡分析法。其過程是先探討該三因素分別對漿料粘度、漿料流動性、坯體外觀和坯體強度的影響，得出影響各指標的因素的最好的水平，綜合分析得到最優(yōu)方案。最優(yōu)方案是指在所作的實驗范圍內(nèi)，各因素較優(yōu)的水平組合，它是通過統(tǒng)計分析得出的，還需要進行實驗驗證，以保證最優(yōu)方案與實際一致，否則還需要進行新的正交實驗[20]。

3.2 固含量、pH和糖含量對漿料粘度的影響

正交實驗結(jié)果見表4。結(jié)果表明，各因素對陶瓷漿料粘度影響的大小為：固含量> pH > 糖含量，要想粘度降低，固含量該選擇a到b；pH該選擇b到c；糖含量該選擇a到b。本次實驗最優(yōu)方案為：固含量66%，pH 8，糖含量0.3%。

3.3 固含量、pH和糖含量對漿料流動性的影響

陶瓷漿料流動性的正交實驗結(jié)果見表5。結(jié)果表明，各因素對陶瓷漿料流動性的影響大小為：固含量>糖含量> pH，漿料的流動性關(guān)系著漿料的注模成型，要滿足成型流動性要求，固含量該選擇a到b；pH該選擇b到c；糖含量該選擇a到b。本次實驗的最優(yōu)方案為固含量66%，pH為8，糖含量0.3%。

3.4 固含量、pH和糖含量對坯體強度的影響

陶瓷坯體強度的正交實驗結(jié)果見表6，結(jié)果表明，各因素對陶瓷坯體強度影響的大小為：固含量> pH > 糖含量，對于強度的要求是越高越好，固含量該選擇b到c；pH該選擇b到c；糖含量也該選擇b到c。本次實驗最優(yōu)方案為：固含量74%，pH 9，糖含量0.7%。

3.5 固含量、pH和糖含量對坯體外觀的影響

陶瓷坯體外觀的正交實驗結(jié)果見表7。在表7中，坯體的外觀平整性分三個等級：1代表好；2代表一般；3代表差。數(shù)值越低代表坯體平整程度越好。

實驗結(jié)果表明，各因素對坯體外觀的影響大小為：固含量>糖含量> pH，所以固含量該選擇a到b；pH該選擇b到c；糖含量該選擇a。本次實驗的最優(yōu)方案為：固含量66%，pH8或9，糖含量0.3%。

3.6 最優(yōu)方案的確定

綜合固含量、pH和糖含量對漿料粘度、漿料流動性、坯體強度以及坯體外觀的影響得表8。

實驗的目的是為了尋找適合的固含量、pH、糖含量的漿料，該漿料滿足注模成型流動性要求，漿料粘度達到脫模要求，成型坯體具有較高強度和可觀的平整性。

所做的9組實驗中（1）漿料的粘度最低160 mPa·s，最高16520 mPa·s，漿料粘度基本不影響坯體脫模；（2）要滿足成型流動性要求，固含量該選擇66～70%，pH應選擇8～9，糖含量應選擇0.3～0.5%；（3）固含量與糖含量主要影響著坯體中粉體的間隙和排列骨架，要想坯體獲得較高強度，固含量應選擇70～74%，pH應選擇8～9，糖含量應選擇0.5～0.7%；（4）坯體的平整程度主要受固含量和糖含量制約，其中糖含量的影響尤為明顯。瓊脂糖的量越多，漿料越難充分混合，氣泡也越多，漿料更容易起皮變皺，從而影響坯體外觀。為達到較好的外觀，固含量應選擇66～70%，pH應選擇8～9，糖含量應選擇0.3～0.5%。

正交實驗表明，極差出現(xiàn)最大的那一列屬于固含量，證明固含量的改變對整個體系的影響最大，糖含量次之，pH最小。因此，在不影響成型和脫模的情況下，要想得到外觀較好和強度較高的坯體，最好的固含量為70%，最好的糖含量為0.5%，pH越高，漿料表現(xiàn)出來的流動性就越好。綜合整體分析，最優(yōu)的方案為固含量70%，pH 9，糖含量0.5%。

3.7 最優(yōu)方案制備氧化鋁試樣

根據(jù)正交所得的最優(yōu)方案來設計實驗，制備漿料并測量其粘度和流動性。利用凝膠注模成型工藝獲得6條坯體，其中3條用于測量坯體強度，另外3條經(jīng)1430℃高溫燒結(jié)后，測量其燒結(jié)強度，結(jié)果取平均值。

實驗得到漿料粘度為750 mPa·s，小于1 Pa·s；流速5.32 g/s，流動性一般，但已滿足注模要求；得到坯體外觀較好，如圖2和圖3所示。

圖3中，無標記的3條生坯是最優(yōu)實驗所得，生坯外觀平整，無坑洼，對角線長12.130 cm，經(jīng)烘箱干燥至質(zhì)量不變，得到干坯對角線長11.321 cm，干燥收縮率為6.68%，用坯料抗折儀測量，得到坯體抗折強度為1.57 MPa，強度達到瓊脂糖凝膠注模成型1.5 MPa的要求。綜合來看，最優(yōu)方案制備的漿料粘度較低，流動性較好，坯體外觀平整，強度較高，證明正交實驗分析的結(jié)果是合理的。

干坯置于快速升溫箱式電爐中經(jīng)1430℃燒結(jié)，獲得對角線長9.502 cm的燒成樣，燒成收縮率為21.68%，經(jīng)測量其抗折強度大于94.05 MPa，體積密度為3.42 g/ml，吸水率為0.97%。

相同條件制備注漿漿料，把漿料注入石膏模具中，制取3條干坯，測量其強度，取平均值。得到干坯抗折強度為0.43 MPa，均遠低于瓊脂糖凝膠注模成型所得樣品。

3.8 瓊脂糖凝膠注模成型制備復雜氧化鋁陶瓷

由于瓊脂糖凝膠注模成型所制漿料具有較好的流動性，能實現(xiàn)較短時間的成型，并且得到的生坯具有一定強度和韌性，因此它適用于各種復雜陶瓷部件的成型制備。如圖4和圖5所示為用瓊脂糖凝膠注模成型所制備的形狀復雜的90瓷氧化鋁陶瓷的坯體。

4 結(jié)論

1、所得瓊脂糖凝膠注模成型工藝條件：90瓷氧化鋁陶瓷粉體含量70%，漿料的pH為9，瓊脂糖含量0.5%。所得漿料粘度750 mPa·s，流動性5.32 g/s，干坯抗折強度1.57 MPa，外觀平整，干燥線收縮率為6.68%，燒結(jié)后抗折強度達94.05 MPa以上，燒成線收縮率為21.68%，燒結(jié)體吸水率為0.97%，體積密度為3.42 g/ml。

2、凝膠注模成型工藝所得坯體強度遠高于傳統(tǒng)注漿成型工藝。

3、瓊脂糖凝膠注模成型工藝能達到近凈尺寸的成型，可適用于復雜陶瓷部件的成型制備。

參考文獻

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