成型凝胶制品和由其制备的烧结制品制造技术

本发明专利技术提出了在模具腔内形成并且在从所述模具腔取出时保持所述模具腔的尺寸和形状的成型凝胶制品、由所述成型凝胶制品制备的烧结制品以及制备所述烧结制品的方法。所述成型凝胶制品由浇注溶胶形成，所述浇注溶胶包含用表面改性组合物处理的胶态二氧化硅颗粒，所述表面改性组合物包含具有可自由基聚合基团的硅烷表面改性剂。所述烧结制品具有与模具腔(除了其中模具腔被过填充的区域之外)和成型凝胶制品相同的形状，但是与各向同性收缩量成比例地减小尺寸。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】成型凝胶制品和由其制备的烧结制品相关申请的交叉引用本申请要求2016年9月2日提交的美国临时专利申请62/382944的权益，该专利申请的公开内容以引用方式全文并入本文。
本专利技术提供了成型凝胶制品、由成型凝胶制品形成的烧结制品以及制备烧结制品的方法。
技术介绍
陶瓷材料的净成型加工是有利的，因为将陶瓷材料加工成复杂的形状可能是困难的和/或昂贵的。术语“净成型加工”是指产生非常接近于期望的最终(净)形状的初始物品的过程。这减少了对传统且昂贵的修整方法诸如机加工和磨削的需要。已将各种方法用于制备净成型陶瓷材料。这些包括工艺诸如凝胶浇注、灌浆成形、溶胶-凝胶浇注和注塑。这些技术中的每一种均具有缺陷。例如，凝胶浇注涉及将陶瓷粉末浆料浇注到模具中。陶瓷粉末通常具有在约0.5微米至5微米范围内的尺寸。为防止加工期间的不均匀收缩，用于凝胶浇注的浆料通常包含约50体积％固体。因为此类浆料通常具有高粘度，所以对其如何能够良好地复制模具表面上的小的复杂特征存在限制。灌浆成形通常产生具有不均匀密度的生坯，这是由浇注期间粉末填充所引起的。注塑方法通常使用大量热塑性材料，由于有机烧尽过程期间热塑性材料软化时的坍塌，所述热塑性材料可能难以在不导致变形的情况下从生坯去除。
技术实现思路
本专利技术提供了成型凝胶制品、气凝胶、由成型凝胶制品制备的烧结制品以及制备气凝胶和烧结制品的方法。成型凝胶制品由浇注溶胶在模具腔内形成，该浇注溶胶包含用表面改性组合物处理的胶态二氧化硅颗粒，该表面改性组合物包含具有可自由基聚合基团的硅烷表面改性剂。浇注溶胶的聚合产物成型凝胶制品在从模具腔取出时保持模具腔的尺寸和形状。气凝胶和烧结制品具有与模具腔(除了其中模具腔被过填充的区域之外)和成型凝胶制品相同的形状，但是与各向同性收缩量成比例地减小尺寸。在第一方面，本专利技术提供了一种成型凝胶制品，其包含浇注溶胶的聚合产物，其中在聚合期间浇注溶胶定位在模具腔内，并且其中成型凝胶制品在从模具腔取出时保持与模具腔(除了其中模具腔被过填充的区域之外)相同的尺寸和形状。浇注溶胶包含(a)2重量％至65重量％的表面改性的二氧化硅颗粒；(b)0重量％至40重量％的不包含甲硅烷基基团的可聚合材料；(c)0.01重量％至5重量％的自由基引发剂；以及(d)30重量％至90重量％的有机溶剂介质，其中每个重量百分比均基于浇注溶胶的总重量计。表面改性的二氧化硅颗粒包括平均粒度不大于100纳米的二氧化硅颗粒与表面改性组合物的反应产物，该表面改性组合物包含具有可自由基聚合基团的硅烷表面改性剂，其中表面改性的二氧化硅颗粒为50重量％至99重量％的二氧化硅，并且其中浇注溶胶包含不超过50重量％的二氧化硅。可聚合材料、自由基引发剂和表面改性组合物可溶于有机溶剂介质中。在第二方面，本专利技术提供了一种通过超临界提取从成型凝胶制品中去除有机溶剂介质所产生的产物。在第三方面，本专利技术提供了一种制备气凝胶的方法。该方法包括(a)提供具有模具腔的模具，(b)将与上述相同的浇注溶胶定位在模具腔内，(c)使浇注溶胶聚合以形成与模具腔接触的成型凝胶制品，(d)通过超临界提取从成型凝胶制品中去除有机溶剂介质以形成气凝胶，其中气凝胶具有与模具腔(除了其中模具腔被过填充的区域之外)和成型凝胶制品相同的形状，但是与各向同性收缩量成比例地减小尺寸，以及(e)从模具腔取出成型凝胶制品或气凝胶。在第四方面，提供了一种制备烧结制品的方法。该方法包括(a)提供具有模具腔的模具，(b)将与上述相同的浇注溶胶定位在模具腔内，(c)使浇注溶胶聚合以形成与模具腔接触的成型凝胶制品，(d)通过去除有机溶剂介质形成干燥的成型凝胶制品，(e)从模具腔取出成型凝胶制品或干燥的成型凝胶制品，以及(f)加热干燥的成型凝胶制品以形成烧结制品。所述烧结制品具有与模具腔(除了其中模具腔被过填充的区域之外)和成型凝胶制品相同的形状，但是与各向同性收缩量成比例地减小尺寸。在第五方面，提供了一种烧结制品，该烧结制品使用上述用于制备烧结制品的方法来制备。附图说明图1示出了用于在示例性制品(实施例1)中确定收缩量的对角线测量结果(H和I)。图2示出了指示制品的微特征结构的尺寸的测量位置的两个示意图。图3示出了示例性模具和使用模具形成的示例性烧结制品的照片。照片的比例不相同。图4A为与熔融石英相比示例性烧结制品(被称为“二氧化硅”，实施例2)的透射率百分比相对于波长(250nm至1650nm)的曲线图。图4B为与熔融石英相比示例性烧结制品(被称为“二氧化硅”，实施例2)的吸收率百分比相对于波长(250nm至1650nm)的曲线图。图4C为与熔融石英相比示例性烧结制品(被称为“二氧化硅”，实施例2)的反射率百分比相对于波长(250nm至1650nm)的曲线图。图4D为示例性烧结制品(实施例2)的X射线衍射扫描图。图5为由浇注溶胶制备的圆柱体(大约6mm高度和7.45mm直径)形状的烧结制品的照片(顶视图和侧视图)，该浇注溶胶具有10体积％的平均粒度为5纳米的二氧化硅(实施例3)。图6为浇注溶胶的透过率百分比相对于波长(300nm至700nm)的曲线图，该浇注溶胶包含平均粒度为5纳米、20纳米或75纳米的二氧化硅颗粒(实施例5)。图7为由浇注溶胶制备的圆柱体(大约7mm高度和13.51mm直径)形状的烧结制品的照片(顶视图和侧视图)，该浇注溶胶具有10体积％的平均粒度为20纳米的二氧化硅(实施例6)。图8示出了烧结制品(实施例7)的无定形区和结晶区的X射线衍射扫描图。图9A为由浇注溶胶制备的成型凝胶制品的图片，该浇注溶胶包含10体积％的平均粒度为5纳米(实施例3)、20纳米(实施例6)或75纳米(实施例7)的二氧化硅。图9B为由图9A中所示的成型凝胶制品制备的气凝胶的照片。图9C为由图9B的气凝胶在1020℃下形成的烧结制品的照片。图9D为由图9C的烧结制品在1105℃下形成的烧结制品的照片。图10为在1105℃下烧结之前被酸浸泡的烧结制品的照片；该烧结制品由包含20体积％的平均粒度为75纳米的二氧化硅(实施例8)的浇注溶胶制备。图11A为在1020℃下由浇注溶胶形成的烧结制品的照片，该浇注溶胶包含2.5体积％、5体积％、7.5体积％或10体积％的平均粒度为5纳米的二氧化硅(实施例9)。图11B为由图11A的烧结制品在1105℃下形成的烧结制品的照片。图12A为在存在(标记为“反应性”)和不存在(标记为“非反应性”)具有可自由基聚合基团的硅烷表面改性剂下形成的成型凝胶制品的照片。图12B为由图12A的成型凝胶制品形成的气凝胶的图片。图12C为由图12B的气凝胶在1020℃下形成的烧结制品的照片。图12D为由图12C的烧结制品在1105℃下形成的烧结制品的照片。图13为示例性干凝胶(实施例11)的照片。具体实施方式本专利技术提供了在模具腔内形成并且在从模具腔取出时保持模具腔的尺寸和形状的成型凝胶制品、由成型凝胶制品制备的烧结制品以及制备烧结制品的方法。成型凝胶制品由浇注溶胶形成，该浇注溶胶包含用表面改性组合物处理的胶态二氧化硅颗粒，该表面改性组合物包含具有可自由基聚合基团的硅烷表面改性剂。将成型凝胶制品干燥成气凝胶或干凝胶。烧结制品由气凝胶或干凝胶形成。该烧结制品具有与模具腔(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种成型凝胶制品，所述成型凝胶制品包含浇注溶胶的聚合产物，其中在聚合期间所述浇注溶胶定位在模具腔内，并且其中所述成型凝胶制品在从所述模具腔取出时保持与所述模具腔(除了其中所述模具腔被过填充的区域之外)相同的尺寸和形状，所述浇注溶胶包含：a)基于所述浇注溶胶的总重量计2重量％至65重量％的表面改性的二氧化硅颗粒，其中所述表面改性的二氧化硅颗粒包括平均粒度不大于100纳米的二氧化硅颗粒与表面改性剂组合物的反应产物，所述表面改性剂组合物包含具有可自由基聚合基团的硅烷改性剂，并且其中所述表面改性的二氧化硅颗粒为50重量％至99重量％的二氧化硅，并且其中所述浇注溶胶包含不超过50重量％的二氧化硅；b)基于所述浇注溶胶的总重量计0重量％至40重量％的可聚合材料，其中所述可聚合材料不包含甲硅烷基基团；c)基于所述浇注溶胶的总重量计0.01重量％至5重量％的自由基引发剂；以及d)基于所述浇注溶胶的总重量计30重量％至90重量％的有机溶剂介质，其中所述表面改性组合物、所述可聚合材料和所述自由基引发剂可溶于所述有机溶剂介质中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.02 US 62/382,9441.一种成型凝胶制品，所述成型凝胶制品包含浇注溶胶的聚合产物，其中在聚合期间所述浇注溶胶定位在模具腔内，并且其中所述成型凝胶制品在从所述模具腔取出时保持与所述模具腔(除了其中所述模具腔被过填充的区域之外)相同的尺寸和形状，所述浇注溶胶包含：a)基于所述浇注溶胶的总重量计2重量％至65重量％的表面改性的二氧化硅颗粒，其中所述表面改性的二氧化硅颗粒包括平均粒度不大于100纳米的二氧化硅颗粒与表面改性剂组合物的反应产物，所述表面改性剂组合物包含具有可自由基聚合基团的硅烷改性剂，并且其中所述表面改性的二氧化硅颗粒为50重量％至99重量％的二氧化硅，并且其中所述浇注溶胶包含不超过50重量％的二氧化硅；b)基于所述浇注溶胶的总重量计0重量％至40重量％的可聚合材料，其中所述可聚合材料不包含甲硅烷基基团；c)基于所述浇注溶胶的总重量计0.01重量％至5重量％的自由基引发剂；以及d)基于所述浇注溶胶的总重量计30重量％至90重量％的有机溶剂介质，其中所述表面改性组合物、所述可聚合材料和所述自由基引发剂可溶于所述有机溶剂介质中。2.根据权利要求1所述的成型凝胶制品，其中所述浇注溶胶包含：a)基于所述浇注溶胶的总重量计4重量％至45重量％的表面改性的二氧化硅颗粒，并且其中所述浇注溶胶包含不超过38重量％的二氧化硅；b)基于所述浇注溶胶的总重量计5重量％至35重量％的所述可聚合材料；c)基于所述浇注溶胶的总重量计0.01重量％至5重量％的自由基引发剂；以及d)基于所述浇注溶胶的总重量计40重量％至80重量％的有机溶剂介质。3.根据权利要求1所述的成型凝胶制品，其中所述浇注溶胶包含：a)基于所述浇注溶胶的总重量计10重量％至36重量％的表面改性的二氧化硅颗粒，并且其中所述浇注溶胶包含不超过28重量％的二氧化硅；b)基于所述浇注溶胶的总重量计10重量％至30重量％的所述可聚合材料；c)基于所述浇注溶胶的总重量计0.01重量％至5重量％的自由基引发剂；以及d)基于所述浇注溶胶的总重量计50重量％至70重量％的有机溶剂介质。4.根据权利要求1至3中任一项所述的成型凝胶制品，其中至少50重量％的所述有机溶剂介质包含沸点等于至少150℃的有机溶剂。5.根据权利要求1至4中任一项所述的成型凝胶制品，其中所述表面改性剂组合物还包含不含可自由基聚合基团的硅烷表面改性剂。6.根据权利要求1至5中任一项所述的成型凝胶制品，其中所述成型凝胶制品能够从所述模具腔取出而不破裂或断裂。7.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·M·汗帕尔，M·A·拉基，B·U·科尔布，P·D·彭宁顿，M·J·亨德里克森，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US