專利名稱：通過纖維素醚熱凝膠反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的陶瓷部件凝膠注模成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種通過纖維素醚熱凝膠反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的陶瓷部件凝膠注模成型方法。
背景技術(shù)：
先進(jìn)陶瓷材料如氧化鋁、氧化鋯、氮化硅、氮化鋁、碳化硅等因具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐磨損和抗腐蝕等一系列優(yōu)良的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域(如航天、信息、化工等)的應(yīng)用日漸廣泛。但陶瓷材料燒結(jié)后很難進(jìn)行機(jī)加工，因此復(fù)雜形狀陶瓷元件的近凈尺寸成型方法已成為精密陶瓷部件生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的成型制造工藝如壓制成型很難獲得復(fù)雜形狀的陶瓷部件，而普通注漿成型只限于薄壁陶瓷件，對于較大尺寸陶瓷成型坯體內(nèi)部存在密度梯度，燒結(jié)時(shí)容易產(chǎn)生缺陷和開裂，并且坯體強(qiáng)度低，易于損壞。熱壓鑄或注射成型有機(jī)物加入量高，需要專門的脫脂工序，并且脫脂后坯體強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室M.A.Janney教授等人于20世紀(jì)90年代初發(fā)明，是近年倍受關(guān)注的一種復(fù)雜形狀陶瓷部件近凈尺寸成型方法。其原理是將有機(jī)單體與溶劑配制成一定濃度的預(yù)混液，陶瓷粉末懸浮于其中制成低粘度、高固相含量的濃懸浮體，加入引發(fā)劑及催化劑之后，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(jī)聚合物單體交聯(lián)聚合成三維網(wǎng)絡(luò)狀聚合物凝膠，并使粉末顆粒原位粘結(jié)而固化形成坯體。凝膠注模成型工藝的優(yōu)點(diǎn)是易成型復(fù)雜形狀，成型坯體組份均勻、密度均勻、缺陷少。主要缺點(diǎn)是目前獲得廣泛應(yīng)用的有機(jī)單體均有一定毒性，如丙烯酰胺具有神經(jīng)毒性且具有致癌危險(xiǎn)；并且成型坯體中含有3～4wt％的有機(jī)物，燒結(jié)前需要專門的脫脂工序，難以生產(chǎn)大尺寸制品且增加生產(chǎn)周期和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種通過纖維素醚熱凝膠反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的陶瓷部件凝膠注模成型方法，克服傳統(tǒng)陶瓷部件成型工藝及現(xiàn)有凝膠注模成型方法的上述問題。
本發(fā)明利用價(jià)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(zhì)來實(shí)現(xiàn)凝膠注模成型。
纖維素醚是以天然纖維素為原料經(jīng)化學(xué)改性制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(fā)明所用纖維素醚參數(shù)見表1。
表1實(shí)驗(yàn)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(shí)，在特定的溫度下發(fā)生相分離，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠析出；冷卻時(shí)，當(dāng)達(dá)到凝膠形成的特定溫度以下，凝膠消失恢復(fù)原始溶液狀態(tài)。這種溶液-凝膠轉(zhuǎn)變是一種可逆過程，其特性是由于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(jié)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(tài)；當(dāng)溫度升高時(shí)分子水化作用減弱而鏈間水被逐漸逐出，當(dāng)去水化作用足夠充分時(shí)出現(xiàn)大分子聚集體，最終導(dǎo)致形成結(jié)構(gòu)膠體。
本發(fā)明的通過纖維素醚熱凝膠反應(yīng)實(shí)現(xiàn)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(dú)或以重量比1∶(1～5)∶(1～3)混合，制成1～6重量％均一穩(wěn)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、氮化硅、碳化硅中的一種；使用的分散劑為聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一種，分散劑用量占陶瓷粉料重量的0.2～2.0％；3、將第二步驟所得混合料球磨8～48小時(shí)；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；之后加熱模具至40～80℃，30～120分鐘后脫模，10～30℃真空干燥2～3天即可得到陶瓷坯體。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可獲得形狀復(fù)雜、密度均勻、有機(jī)物含量少、不需專門脫脂工序的大尺寸坯體，并且該法對多種陶瓷粉料的成型均有效。
具體實(shí)施例方式
實(shí)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(yè)粉，純度為99.7％；纖維素醚為西安惠安化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn)，為白色粉末。
將3克甲基纖維素溶入100毫升水中制成溶液，加入400克氧化鋁粉和5克聚丙烯酰胺分散劑，球磨24小時(shí)后真空除泡20分鐘，制得固相體積分?jǐn)?shù)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(nèi)漿料固化為坯體，脫模后真空干燥2天即可得到氧化鋁陶瓷坯體。
實(shí)施實(shí)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(yè)粉，平均粒度0.8μm；纖維素醚為西安惠安化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn)，為白色粉末。
將4克羥乙基甲基纖維素溶于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(shí)后真空除泡30分鐘，將所得漿料注入金屬模具后將模具移入80℃恒溫箱中保溫120分鐘，脫模后真空干燥3天即可得到凝膠注模成型氧化鋯陶瓷坯體。
實(shí)施實(shí)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(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn)，為白色粉末。
將5克羥丙基甲基纖維素溶入100毫升水中制成溶液，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(shí)后真空除泡20分鐘，制得固相體積分?jǐn)?shù)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(nèi)漿料固化為坯體，脫模后真空干燥2天即可得到氧化鈦陶瓷部件坯體。
實(shí)施實(shí)例4甲基纖維素、羥乙基甲基纖維素凝膠注模成型氮化硅部件氮化硅為市售工業(yè)粉，平均粒度0.8μm；纖維素醚為西安惠安化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn)，為白色粉末。
將3克甲基纖維素、3克羥乙基甲基纖維素溶于100毫升水中，加入350克氮化硅粉和10克聚丙烯酸分散劑，球磨48小時(shí)后真空除泡30分鐘，將所得漿料注入金屬模具后將模具移入80℃恒溫箱中保溫120分鐘，脫模后真空干燥3天即可得到凝膠注模成型氮化硅陶瓷坯體。
實(shí)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硅陶瓷部件碳化硅為市售工業(yè)粉，平均粒徑為1.5μm；纖維素醚為西安惠安化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn)，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毫升水中制成溶液，加入320克碳化硅粉和5克聚丙烯酰胺分散劑，球磨24小時(shí)后真空除泡20分鐘，制得固相體積分?jǐn)?shù)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(nèi)漿料固化為坯體，脫模后真空干燥2天即可得到碳化硅陶瓷坯體。
權(quán)利要求
1.一種通過纖維素醚熱凝膠反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的陶瓷部件凝膠注模成型方法，采用價(jià)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(zhì)來實(shí)現(xiàn)凝膠注模成型，其特征在于具體工藝步驟為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(dú)或以重量比1∶1～5∶1～3混合，制成1～6重量％均一穩(wěn)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、氮化硅、碳化硅中的一種；使用的分散劑為聚丙烯酰胺或聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一種，分散劑用量占陶瓷粉料重量的0.2～2.0％；c、將第b步驟所得混合料球磨8～48小時(shí)；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分鐘后脫模，10～30℃真空干燥2～3天得到陶瓷坯體。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于模具材料為非孔材料玻璃或金屬、橡膠、塑料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種通過纖維素醚熱凝膠反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的陶瓷部件凝膠注模成型方法，屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域。采用價(jià)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(zhì)來實(shí)現(xiàn)凝膠注模成型。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可獲得形狀復(fù)雜、密度均勻、有機(jī)物含量少、不需專門脫脂工序的大尺寸坯體，并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(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者郭志猛, 李艷, 郝俊杰 申請人:北京科技大學(xué)