一种响应凝胶注模成型方法技术

本发明专利技术涉及一种响应凝胶注模成型方法。即采用特殊的凝胶体系制备坯体，再施加外界条件(如温度、酸碱度和电场等)作用，使之受刺激而出现自主排水、收缩等响应，从而达到降低悬浮液高固相体积分数、快速干燥坯体和提高坯体密度等目的。本发明专利技术采用的是温度响应凝胶体系如N取代丙烯酰胺类和环氧乙烷等；酸碱度响应凝胶体系如丙烯酸类凝胶体系；电场响应凝胶体系如环氧乙烷等。采用本发明专利技术成型陶瓷坯体能够降低悬浮液高固相体积分数的要求，实现坯体快速干燥，解决传统的凝胶注模成型厚壁件干燥困难的难题。此外，本发明专利技术还具有操作简单、效率高、能耗小等特点，适合工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于陶瓷成型
，涉及一种改进的凝胶注模成型方法。
技术介绍
20世纪90年代初期美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge Naional Laboratory, 0RNL)的MarkA. Janney等提出凝胶注模成型技术US Patent, 5145908,1992，即一种制备高性能、复杂形状陶瓷部件的近净成型技术。该技术的典型工艺为首先，将采用陶瓷粉体和含有机单体水溶液制备的悬浮液注入模具，有机单体发生聚合反应将粉体颗粒原位包裹、固定；然后，将脱除模具后的凝胶体(固化后所得的坯体)进行干燥、烧结。由于具有坯体强度高、内部结构均勻和成本低廉等特点，凝胶注模成型技术已广泛用于制备各种陶瓷材料如A1203、SiC、Si3N4, ZrO2以及以ZTA为代表的复相陶瓷和粗颗粒耐火材料等中国有色金属学报，2010，20 (3) =496-509.。虽然凝胶注模成型技术具有很多显著的优点，但是它仍然很不完善，存在很多缺点。凝胶注模成型技术最明显的一个缺点是其生产效率较低。在坯体的干燥过程中，为了避免因干燥应力而产生的卷曲、开裂等缺陷，干燥环境通常必须控制为较低的温度和较高的湿度等条件，因此干燥工序耗时较长，特别是大尺寸厚壁的部件。可见，干燥是凝胶注模成型技术中效率最低的工序。它几乎已经成为制约凝胶注模成型技术发展的瓶颈，严重地限制其在工业生产中的大规模应用Journal of the European Ceramic Society, 1997,17 (2-3) :407-413.。为了解决这一问题，联合信号集团公司(Allied Signal Incorporated Co.)甚至还研发出一套能够实时控制干燥环境的干燥系统来干燥凝胶注模还体[Proceedings of the 1997IEEEinternational conference on control applications，1997,271-276，但干燥效率仍然难以提高。此外，凝胶注模成型技术的前提条件是要求获得高固相体积分数、低粘度的粉体悬浮液。但是采用某些粒度细小的粉体，特别是纳米粉体制备的悬浮液往往难以达到要求中国专利，CN1978385A，2007。因此，这一要求也限制了凝胶注模成型技术的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种改进的凝胶注模成型技术——响应凝胶注模成型，即采用特殊的凝胶体系制备坯体，再施加外界条件(如温度、酸碱度和电场等)作用，使之受刺激而出现自主排水、收缩等响应，从而达到降低悬浮液性能要求、快速干燥坯体和提高坯体密度等目的。本专利技术公布几种此类特殊的适用于凝胶注模的凝胶体系温度响应凝胶体系如N取代丙烯酰胺类(N-异丙基丙烯酰胺和N，N-二乙基丙烯酰胺等)和环氧乙烷等凝胶体系；酸碱度响应凝胶体系如丙烯酸类(丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸丙酯等) 凝胶体系；电场响应凝胶体系如环氧乙烷等凝胶体系。采用本专利技术成型陶瓷坯体能够降低悬浮液高固相体积分数的要求，实现坯体快速干燥，解决传统的凝胶注模成型厚壁件干燥困难的难题。此外，本专利技术还具有操作简单、效率高、能耗小等特点，适合工业化生产。本专利技术的技术方案是，包括以下步骤1)坯体的制备将一定量的单体、交联剂、分散剂和陶瓷粉体加入水中，制得浆料；再对浆料进行真空除气后加入引发剂和催化剂；然后注入模具中进行固化；所述的单体包括温度响应凝胶体系用单体、酸碱度响应凝胶体系用单体、电场响应凝胶体系用单体中的一种或几种的混合物；2)坯体的干燥对脱模后所得的湿坯分两步进行干燥第一步为在特定条件下排出坯体内的水分；所述的特定条件为温度响应凝胶体系的特定条件为10 100°C的温度场作用下处理 0. 1 IOh;酸碱度响应凝胶体系的特定条件为PH值为1 5或8 14的溶液中处理0. 1 IOh ；电场响应凝胶体系的特定条件为0. 1 1000V电场作用下处理0. 001 证；第二步为在10 100°C温度条件下将剩余的水分除去；3)坯体的排胶与烧结将干燥后的坯体进行排胶和烧结。步骤1)所述的温度响应凝胶体系用单体包括N取代丙烯酰胺类、环氧乙烷中的一种或几种；所述的酸碱度响应凝胶体系用单体包括丙烯酸类；所述的电场响应凝胶体系用单体包括环氧乙烷。所述的N取代丙烯酰胺类包括N-异丙基丙烯酰胺和N，N- 二乙基丙烯酰胺中的一种或两种；所述的丙烯酸类包括丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸丙酯中的一种或几种。步骤1)中所述的单体与交联剂的质量比例为1 1000 1000 1;所述的单体与交联剂的总质量为陶瓷粉体质量的0.01% 20%;所述的分散剂的加入量为陶瓷粉体质量的0. 01% 10%。步骤2)所述的第二步干燥方式为自然干燥、吹风干燥、空气加热干燥、水浴加热或油浴干燥。所述的交联剂为如下所述的一种或几种的混合物丙烯基丙烯酸甲酯、N，N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)、聚(乙烯基乙二醇)双甲基丙烯酸(PEGDMA)等。所述的分散剂视具体陶瓷粉体而定，如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸及其盐类、聚乙烯醇和聚乙烯亚胺等。所述的引发剂为如下所述的一种或几种的混合物过硫酸铵(APS)、过硫酸钠、过硫酸钾、双氧水、过氧化苯甲酸、偶氮双氰基戊酸钠、偶氮0-(2-咪哇琳)丙烷)盐酸钠 (AZIP)和偶氮(2-脒基丙烷)盐酸盐(AZAP)等。所述的催化剂为如下所述的一种或几种的混合物N，N，N' , N'-四甲基乙二胺 (TEMED)、亚硫酸铵、亚硫酸钠和亚硫酸钾等。对脱模后所得的湿坯分两步进行干燥。第一步为在特定条件下排出坯体内的水分。所谓的特定条件根据所选择的凝胶体系而确定。具体为温度响应凝胶体系的特定条件为温度场作用下；酸碱度响应凝胶体系的特定条件为具有一定酸碱度的溶液中；电场响应凝胶体系的特定条件为电场作用下。此步干燥过程完成后，坯体水分已基本低于10%。第二步为在100°c温度以下将剩余的水分除去。干燥方式为自然干燥、吹风干燥、空气加热干燥或水(油)浴加热干燥等。在两步的干燥过程中，具体干燥时间视坯体水分含量和部件壁厚决定。本专利技术的基本原理为采用特殊的凝胶体系制备坯体，再施加外界条件(如温度、 酸碱度和电场等)作用，使之受刺激而出现自主排水、收缩等响应，从而达到降低悬浮液性能要求、快速干燥坯体和提高坯体密度等目的，首次将该特殊的响应凝胶体系引入到陶瓷成型
本专利技术与现有的凝胶注模成型技术相比，具有很多优点。首先，该方法制备的坯体很容易干燥且效率高(特别是大尺寸厚壁件)，也不会产生卷曲、变形和开裂等情况。其次， 该方法降低了现有凝胶注模成型技术中浆料必须具有高固含量的要求，从而拓宽了应用范围(如难以获得高固含量浆料的纳米粉体的成型等)。再次，采用该方法制备的坯体的致密度还可以通过后续的干燥过程进一步的提高。此外，该方法的操作简单方便，易于控制。具体实施例方式下面举例对本专利技术进行进一步的说明，但不限于此。实施例1 6、采用温度响应凝胶体系制备AlN陶瓷将单体N-异丙基丙烯酰胺或N，N-二乙基丙烯酰胺、交联剂亚甲基双丙烯酰胺 (MBAM)、分散剂 PEI (20g)、AlN 粉体(500g)和烧结助剂 Y2O3 (4g)与 La2O3(6g)加入到 50mL 水中一起球磨制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种响应凝胶注模成型方法，其特征在于，包括以下步骤：１）坯体的制备将一定量的单体、交联剂、分散剂和陶瓷粉体加入水中，制得浆料；再对浆料进行真空除气后加入引发剂和催化剂；然后注入模具中进行固化；所述的单体包括温度响应凝胶体系用单体、酸碱度响应凝胶体系用单体、电场响应凝胶体系用单体中的一种或几种的混合物；２）坯体的干燥对脱模后所得的湿坯分两步进行干燥：第一步为在特定条件下排出坯体内的水分；所述的特定条件为：温度响应凝胶体系的特定条件为１０～１００℃的温度场作用下处理０．１～１０ｈ；酸碱度响应凝胶体系的特定条件为ｐＨ值为１～５或８～１４的溶液中处理０．１～１０ｈ；电场响应凝胶体系的特定条件为０．１～１０００Ｖ电场作用下处理０．００１～５ｈ；第二步为在１０～１００℃温度条件下将剩余的水分除去；３）坯体的排胶与烧结将干燥后的坯体进行排胶和烧结。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王日初，王小锋，彭超群，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：43