泡沫凝膠注模成型工藝在多孔氧化鋁陶瓷制備中的應用研究

王小芳

（泉州工藝美術職業學院，德化362500）

摘 要：本文介紹了泡沫凝膠注模成型工藝，研究了分散劑、固相含量等工藝參數對漿料粘度的影響，研究得出漿料中固相含量為55%時，以PMAANa為分散劑，可獲得100 mPa·S低粘度高固相的陶瓷濃懸浮液；同時還研究了引發劑對凝膠固化反應的影響，實驗結果表明引發劑在0.3 ～ 0.4%時聚合時間較適宜；重點探討了發泡劑、固相含量、引發劑等對多孔氧化鋁陶瓷性能的影響。

關健詞：泡沫凝膠注模；多孔陶瓷；工藝參數

1 引言

隨著陶瓷行業對陶瓷材料性能和制品形狀等要求的日益提高，傳統的成型方法，如注漿成型、干壓成型、熱壓鑄成型、注射成型等已不能滿足其要求[1]。這是因為傳統的成型技術或多或少存在一些問題，如熱壓鑄成型或注射成型中有機物含量大，脫脂較困難，干燥變形大；注漿成型所需時間長，坯體強度低，成品率低；等靜壓成型所需設備昂貴，成本高，無法普及；因此在很大程度上限制了陶瓷產業的發展和應用前景。泡沫凝膠注模成型技術的出現可在一定程度上克服傳統成型工藝的不足，可以制備高性能陶瓷材料及大尺寸結構復雜的異型零部件[2]。多孔氧化鋁陶瓷因具有滲透性、熱導率低、吸收能量、抗腐蝕等優點，已經被廣泛應用于環境保護、節能、化工、制藥、生物醫學等多個領域[3]。鑒于凝膠注模成型的優越性以及多孔陶瓷應用的廣泛性，本論文研究了多孔氧化鋁陶瓷的泡沫凝膠注模成型工藝。

2 實驗

2.1實驗原料

實驗用陶瓷粉體為Al2O3粉，有機單體N-羥甲基丙烯酰胺（NMA ），交聯劑N，N′— 亞甲基雙丙烯酰胺（MBAM），催化劑四甲基乙二胺（TEMED），引發劑過硫酸銨（APS），分散劑聚丙烯酸鈉（PMAANa）和檸檬酸銨（TAC），發泡劑十二烷基硫酸鈉。

2.2實驗工藝流程

泡沫凝膠注模成型工藝流程圖如圖1所示。

3 結果與討論

3.1 影響氧化鋁漿料性能的因素分析

3.1.1 分散劑對氧化鋁漿料粘度的影響

圖2為氧化鋁漿料的粘度與分散劑PMAANa用量的關系圖。由圖可得，當PMAANa用量小于0.4%時，氧化鋁漿料的粘度隨著其用量的增加呈現逐漸降低的趨勢；而當PMAANa的加入量占0.4 ～ 0.5%時，粘度的變化不明顯，分析原因可能是陶瓷顆粒對PMAANa的吸附已經逐漸趨于飽和；但當分散劑PMAANa的加入量大于0.5%時，漿料的粘度不但沒有降低反而增加，分析原因可能是過多的分散劑的高分子被膠粒吸附，從而導致膠粒間距超過了它的最佳范圍，故過多的分散劑會使漿料粘度不增加反而降低。

3.1.2 固相含量對漿料粘度的影響

圖3為氧化鋁漿料的粘度與固相含量的關系圖。由圖可得，隨固相含量體積分數從45%增加到60%時漿料粘度是逐漸增大的，尤其是當固相含量體積分數超過55%時，粘度快速上升。因此本實驗中漿料的最佳固相含量控制在55%較適宜。具體分析產生上述現象的原因可能是體系中的分散相隨著固相含量體積分數的增加而減少，使得顆粒間距因顆粒之間的靠攏而變小，從而顆粒間的作用力增大；導致顆粒的運動變得較困難，直觀表現出來就是使得漿料的粘度快速增大。

3.2引發劑對聚合反應時間的影響

從單體聚合反應機理分析可得，引發劑的用量對聚合反應有著重要影響。因為聚合反應的發生依賴于引發劑促進單體分子形成的單體自由基，當引發劑的用量較大時，漿料中的自由基濃度較大，引發速率也會較大，從而使得引發速率υo與鏈增長速率υp的比值即υo/υp值較大，得到的坯體強度較低[4]。但當引發劑用量較少時，引發速率較小，引發聚合反應所需的時間較長，從而會降低成型效率；此外攪拌、澆注等步驟操作的時間也會影響聚合速率，所以操作時間不宜太短，否則在澆注之前漿料已開始凝固，但操作時間也不宜太長，否則達不到快速成型的目的。圖4為引發劑用量對聚合反應時間的關系圖。從圖中可以看出，隨著引發劑用量的增加，聚合反應的時間越來越短。

3.3 影響多孔氧化鋁陶瓷性能的因素分析

3.3.1 發泡劑對多孔陶瓷氣孔率及強度的影響

圖5為發泡劑十二烷基硫酸鈉對多孔陶瓷氣孔率及強度的影響曲線圖。當氧化鋁漿料的固相含量一定時，發泡劑的加入量顯著影響了最終獲得的氣孔率，隨著發泡劑增多，氣孔率呈線性增加；同時發現材料的強度隨著發泡劑的增加而逐漸降低。

3.3.2 固相含量對多孔陶瓷氣孔率和強度的影響

圖6為四種不同固相含量的坯體與氣孔率的關系圖。從圖可以看出，固相含量較少時，氣孔率較低，隨著固相含量的增加，氣孔率會逐漸增大。但是，高固相含量又會使粘度增加，導致成型缺陷增加，再加上氣孔率的增大必然促使抗彎強度的下降。所以控制一定的固相含量對得到高氣孔率，高抗彎強度的多孔陶瓷材料來說是非常重要的。

3.3.3 引發劑對多孔陶瓷氣孔率的影響

圖7為引發劑與氣孔率的關系曲線圖。從圖中可以看出，引發劑用量較少時氣孔率隨著引發劑用量的增加略有增加，但當引發劑的用量達到一定量時，氣孔率的增加非常快，而坯體強度卻隨著引發劑用量的增加而略微降低。分析其原因：可能是引發劑加入量過少時，漿料會難于固化或固化時間延長，這樣不但降低了成型效率，而且會影響生坯結構的均勻性；而當引發劑的加入量過大時，漿料固化的時間越短，聚合反應速度過快，也會影響到生坯的均勻性，從而顯著降低坯體的強度，影響材料的性能，所以必須嚴格控制引發劑的用量。

4 結論

（1）分散劑PMAANa的加入，對調節漿料性能有顯著作用，獲得了100 mPa·S左右的低粘度氧化鋁濃懸浮液。

（2）隨著固相含量體積分數的增加，漿料粘度會逐漸增大；當固相含量體積分數超過55%時，粘度劇烈上升。所以認為漿料組成中固相體積分數為55%較為適宜。

（3）引發劑的用量對聚合反應也有重要影響，引發劑加入量在0.3 ～ 0.4%時較適宜。

（4）固相含量一定時，隨發泡劑十二烷基硫酸鈉加入量的增加，氣孔率呈線性增加。

（5）發泡劑、固相含量、引發劑的加入量都會影響多孔氧化鋁陶瓷的性能。其中，固相含量和發泡劑的加入量是影響多孔氧化鋁陶瓷性能的主要因素。

參考文獻

[1] 趙延亮， 王志義. 氧化鋁陶瓷原位注凝成形技術的研究[J]. 山東陶瓷， 2009， 32（6）：3-8.

[2] 彭珍珍， 蔡舒， 吳厚政. 陶瓷的凝膠注模成型及其研究現狀[J]. 硅酸鹽通報， 2004， 23（1）：67-71.

[3] 方春華， 陶文亮. 多孔陶瓷的研究現狀[J]. 廣東化工， 2012， 39（1）：49-50.

[4] 張立偉， 陳森鳳， 沈毅，等. 精細氧化鋁陶瓷水基凝膠注模成型工藝[J]. 電子元件與材料， 2005， 24（4）：44-47.

項目來源：2015年福建省中青年教師教育科研項目（科技），編號JA15843。