陶瓷添加劑對Al2O3陶瓷成形工藝的影響研究

吳 彤

（清遠職業技術學院機電與汽車工程學院，清遠 511000）

引言

陶瓷添加劑按照化學組成通常分為無機添加劑、有機添加劑和高分子分散劑；按照功能可分為分散劑、膠黏劑、消泡劑、防腐劑等［1］。氧化鋁陶瓷作為一種高性能陶瓷材料，在制備過程中，往往需要較高的固相含量以達到強度等方面的要求，而高固相含量的漿體在制備過程中往往由于粘度過大無法進行有效的成形，因此在氧化鋁陶瓷制備中通過引入一定量的分散劑用于改善漿體的流動等性能［2，3］。與此同時，為了進一步增大氧化鋁陶瓷的強度，陶瓷黏合劑成為首選。本文主要從分散劑和黏合劑的添加對氧化鋁陶瓷致密性的影響等展開討論，通過研究發現，選用陰離子表面活性分散劑對氧化鋁陶瓷的致密性有積極的意義，選用的粘合劑改性淀粉可起到均勻分散和提高粘結力的作用，在作用過程中容易形成化學交聯和物理吸附網絡，從而提高了氧化鋁坯體強度。高溫時，改性淀粉會發生氧化分解，形成的小分子或結構片段幾乎全部逸出體系，不會對氧化鋁的組成產生任何影響。

1 實驗

1.1 原料

本實驗選用河南鄭州富煒新型材料有限公司生產的純度大于99.7%，粒徑為1.5μm的α-氧化鋁粉末為原料，分散劑選用陰離子型多元共聚物HC323，黏合劑采用華南理工大學輕化工研究所的改性淀粉，消泡劑選用中聯邦二甲基硅油。

1.2 制備

Al2O3懸浮漿料的制備是將去離子水、分散劑、氧化鋁粉體等原料計量后，混合球磨4h，制成分散均勻、懸浮穩定的氧化鋁漿料。漿體制備好后，加入一定量改性淀粉，繼續球磨2h后制成穩定的Al2O3懸浮漿料。均勻懸浮的漿料經過真空攪拌機抽真空除泡后注入到表面涂有脫模劑的無孔模具中，然后將模具帶料放入烘箱內進行干燥，使溫度緩慢上升至80℃，然后保溫9h，直到陶瓷漿料形成凝膠而固化。

1.3 表征

采用美國Nicolet（尼高力）公司生產的Nexus型光譜分析儀測定分散劑的基團類型。采用荷蘭Philips公司型號為30XL FEG的掃描電子顯微鏡觀察坯體形貌。采用德國ZEISS公司型號為AXIVOET-CA15光學顯微鏡觀察懸浮分散性。采用美國Brookfield公司生產的R/S-SST型流變儀測量Al2O3漿料表觀粘度。采用寧波自動化儀表廠型號為H.S.G-IS-6電熱恒溫水浴鍋對含有淀粉的漿體進行加熱。采用新棟力超聲電子設備有限公司型號為NP－B－28－400的超聲波發生器對物料進行分散。采用美國Quantachrome公司生產P33型的壓汞儀測量坯體的氣孔尺寸和分布。

圖1 分散劑HC323FT－IR分析圖譜（波數 1200～3500cm－1）

2 結果與討論

2.1 分散劑的基團及分散機理研究

圖1為所采用分散劑HC323的紅外光譜圖。從圖中可以看出該分散劑為多元共聚物，主要由磺酸鹽、丙烯酸、丙烯酸酯和磷酸組成。磺酸基帶有一定負電荷，是一種陰離子表面活性劑。丙烯酸及丙烯酸酯在分散劑聚合過程中，可使各種聚合反應加快，使分散劑具有穩定結構。所檢測分散劑基團中的磷酸根基團主要為磺酸基等基團提供鏈接，而這種基團間的鏈接可以很好保證分散劑本身結構的穩定性，同時由于磷酸根具有較高價位，離子交換能力較強。以上的共聚物組成為分散劑HC323在分散過程中靜電穩定機制和位阻穩定機制提供了理論保證，實現了聯合穩定機制，凸顯出該分散劑的優勢。

2.2 改性淀粉對Al2O3懸浮漿料分散性影響

圖2是在固相體積含量為50%的Al2O3漿料中加入1 wt.%改性淀粉所制備漿料中的顆粒分布情況的顯微觀察照片，漿料均經過10min超聲分散。從圖（A）中看出，Al2O3顆粒在漿料中分散良好，但是由于Al2O3顆粒較小，表面能及比表面積較大，活性較高，所以不能完全避免顆粒團聚；而當加入淀粉后，如圖（B）中顯示，漿料顆粒的分散性得到提高，同時改性淀粉在漿料中的分布也比較均勻，這是由于改性淀粉具有雙螺旋結構，在進入水－Al2O3膠體體系后，在機械力的作用下，水分子和淀粉分子游離羥基結合，使得改性淀粉顆粒在水中得到了較好的分散。而改性淀粉具有一定的粘附性，使得淀粉顆粒與Al2O3顆粒結合較為緊密，從而隨著改性淀粉顆粒的均勻分布，也會促進Al2O3顆粒的均勻分布。

圖2 固相含量為50%的Al2O3漿料分散情況觀察（A－不含淀粉；B－1wt.%淀粉）

2.3 含改性淀粉Al2O3漿料表觀粘度隨溫度的變化

圖3為Al2O3固相體積含量50%、0.8 wt.%分散劑HC323和1 wt.%改性淀粉條件下所制備漿料在升溫直至固化過程中的流變曲線。由圖可知，溫度范圍在30～55℃內，Al2O3漿料的粘度基本沒有變化；當溫度升至55℃時，漿料粘度開始快速上升，這是由于改性淀粉在該溫度下，開始大量吸收氧化鋁漿料中的自由水而膨脹，膨脹后的改性淀粉會逐漸變成一種具有粘彈性的膠體，所形成的膠體會粘附在Al2O3顆粒表面，使得顆粒間的排列更加緊密，宏觀上表現出漿料的表觀粘度逐漸增大。同時該溫度也是改性淀粉發生膠粘的起始溫度，隨著粘度的增大，改性淀粉開始發揮膠粘作用。

2.4 加入陶瓷添加劑的Al2O3陶瓷坯體顯微結構

圖3 50%Al2O3－淀粉漿料在不同溫度下的表觀粘度的變化曲線

圖4是用固相含量50%，改性淀粉1 wt.%、分散劑1.5 wt.%漿料所制備坯體微觀形貌。從圖中可以看出，Al2O3陶瓷坯體的斷面結構較平整，氣孔尺寸較小且分布也比較均勻，沒有看到明顯的顆粒團聚現象，這表明漿料已經得到良好的分散。在改性淀粉固化過程中，坯體也保持了較好的穩定性，即在改性淀粉固化后，顆粒仍保持了較緊密的堆積，即高固相Al2O3陶瓷在添加劑作用下能形成較好的微觀結構。

圖4 加入陶瓷添加劑Al2O3陶瓷坯體斷面的SEM圖像

2.5 應用消泡劑消除漿料氣泡和減少坯體缺陷

本實驗所采用的消泡劑是二甲基硅油，有機硅消泡劑有較好的消泡性能，其表面張力低，比水、表面活性劑水溶液及一般油類都要低，因而很適宜作為消泡劑；它在水及一般油中的溶解度低且活性高；聚硅氧烷分子結構特殊，主鏈為硅氧鍵，為非極性分子，與極性溶劑水不親和，與一般油品親和性也很小；揮發性低并具有化學惰性；無生理毒性。另一方面由于淀粉是一種天然高分子聚合物，在與Al2O3顆粒混合時，在介質水的作用下，會釋放出較多的氣泡，所以在制備漿料時加入適量的消泡劑，將有利于改善由于氣泡存在而使球磨罐中的氣壓過大所引起的密封問題，同時，消泡劑也能抑制漿料在注漿時形成氣泡，以保障制備的坯體在干燥后具有一定的強度［4，5］。

圖5是水∶消泡劑體積比例為100∶1混合液漿料制備坯體的氣孔分布與未加消泡劑對比曲線，兩者固相體積分數均為58%，分散劑HC323為1.5 wt.%，淀粉含量為1.0 wt.%條件下所制備的坯體。從圖中可以看出，添加消泡劑的坯體相對于未加消泡劑坯體，其氣孔率［6］和氣孔尺寸都有一定的下降。在未加入消泡劑時氣孔率為27.92%，加入消泡劑后氣孔率減小到24.16%，下降了13.47%。這說明有機硅消泡劑在陶瓷漿料中起到了一定的消泡作用。

圖5 添加消泡劑與未添加消泡劑的坯體中氣孔的分布曲線

3 結論

3.1 HC323作為一種四元共聚物，對坯體結構均勻性提供了理論保證。

3.2 改性淀粉在水-Al2O3體系中，當溫度升高至55℃時，漿體粘度發生急劇增加。這主要由于改性淀粉發生糊化形成了粘彈性膠體包裹在顆粒周圍所致，從顯微結構分析，改性淀粉提供粘結作用的同時也對坯體結構的均化具有正向作用。

3.3 消泡劑的加入可使坯體氣孔率從27.92%下降至24.16%。