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    凝膠注射成型氧化鋁陶瓷坯體的力學性能研究

    發布日期:2013年11月28日

    在電力、礦山、煤炭等行業中,物料的輸送都是采用遠距離 管道壓力管道輸送,管道承受著相當大的壓力并經受很嚴重的磨損。近幾年陶瓷貼片復合管應用較廣,它是采用化學粘接方法 制作的,即在鋼管或PPR 管內用粘接劑粘結陶瓷片而成。這種 復合管的外管用于管道的連接,內層陶瓷貼片用于提高管道的 耐磨性,因此陶瓷片本身的質量和性能將影響到復合管的質量。 目前陶瓷片坯體是利用凝膠注射成型技術(Colloidal injection moulding of ceramic,簡稱CIMC),即先將陶瓷顆粒分散于有 機單體和交聯劑的水溶液中制備出低粘度、高固相體積分數的 漿料,再加入引發劑和催化劑,利用有機單體的交聯反應,將陶瓷顆粒顆粒原位均勻地凝固在高分子彈性體中,利用該成型工 藝能成型復雜形狀陶瓷部件,得到均勻性好、強度高的坯體。為 此,本文以95氧化鋁陶瓷為研究對象,采用凝膠注射成型技術, 研究固相含量、單體含量和分散劑比例對陶瓷坯體力學性能的影響,以期制備出性能優異的復合管道。

    實驗部分

    原材料

    氧化鋁采用河南鑫源鋁業公司生產的高溫氧化鋁顆粒;有 機單體丙烯酞胺(AM)、交聯劑N,N- 亞甲基丙烯酞胺、引發劑 過硫酸銨、催化劑四甲基乙二胺及pH 值調節劑氨水均為化學 純或分析純試劑;分散劑為30%- 40%聚甲基丙烯酸銨溶液。

    試樣制備

    將有機單體AM、交聯劑和分散劑混合得到預混液,和 Al2O3 陶瓷顆粒一起攪拌,球磨后得到低粘度、高固相的漿料, 再加入催化劑和引發劑,并快速攪拌均勻后注入模具,在60℃ 下懸浮體中的有機單體聚合交聯形成三維網絡結構,使液態漿 料固化變成凝膠,形成固態坯體。脫模后的坯體在80℃烘干 6h,烘干時為了保證表面質量,采用氮氣保護;試樣尺寸為 36mm×4mm×3mm。

    性能表征

    使用上海精密科學儀器有限公司生產的精密PHS- 25 型酸度計測定pH 值;在湘潭湘儀儀器有限公司生產的SWG 數 顯式工程陶瓷抗彎強度綜合試驗儀上,按照GB/T4741- 1999陶瓷材料抗彎強度試驗標準,采用三點彎曲法測定試樣的抗彎 強度,測試跨距為30mm,以平均20N/s 的速度等速加載。

    結果與討論

    固相含量對陶瓷坯體抗彎強度的影響

    為固相氧化鋁的質量分數與試樣坯體彎曲強度的關系圖。其中有機單體占氧化鋁質量比例為15%,交聯劑占單體 質量比例為10%,分散劑占氧化鋁質量比例為1%,漿料的pH 值控制在9.5左右,引發劑、催化劑占氧化鋁體積比例為1%。 從圖1 中可以看出,隨著氧化鋁質量分數增加,試樣抗彎 強度呈先增大而后下降趨勢。產生這種變化的原因是開始時隨 著固相含量的增多,自由水的量相應減少,漿料中連續相也隨 之減少,使陶瓷顆粒間距明顯降低,相互間作用力更強,大分子 吸附引起粒子的有效體積增大,坯體的致密度逐步提高[3],因此 坯體尺寸更穩定,抗彎強度增大;但是固相質量含量超過60% 后,有機單體聚合形成的三維網絡結構不足,無法將所有的陶 瓷顆粒很好地結合起來,坯體內部結構會出現局部結合不良, 反而導致坯體強度降低。

    提高料漿的固相含量,不僅能夠提高成型坯體和最終制品 的致密度,還可以減少干燥和燒成過程中的收縮變形、防止開 裂,在保證料漿流動性和強度的前提下,應盡可能提高料漿的 固相含量。

    有機單體含量對坯體彎曲強度的影響

    為有機單體含量與試樣坯體彎曲強度的關系圖。其中 氧化鋁質量分數為60%,漿料pH 值為9.5,分散劑、引發劑與 催化劑加入量不變,均占氧化鋁質量比例為1%,交聯劑占單體 質量比例為10%。 實驗結果表明:坯體彎曲強度隨有機單體含量的增加而增加,并穩定在一定數值。隨著有機單體用量的增加,在適量引發 劑的作用下,可使有機單體的長鏈增加,且增加了長鏈間的鉸 鏈和纏繞,氧化鋁顆粒能與高分子長鏈更緊密地結合,把氧化 鋁顆粒固化,從而提高了坯體強度。在單體含量為15%時彎曲 強度基本穩定,主要是因為隨著單體含量的提高,坯體固化時 間縮短[4];由于在凝膠固化過程中有機物的聚合反應會放出氣 體,若固化速度過快,氣體來不及排除就被包裹在坯體中,坯體 內部常常留有氣孔,從而限制了陶瓷坯體抗彎強度的進一步提 高。為獲得良好的成型坯體,在成型過程中固化速度應控制在 適當范圍內,氧化鋁凝膠注射成型較適宜的單體含量為15% - 20%質量分數。

    分散劑含量對坯體彎曲強度的影響

    由于陶瓷顆粒具有較高的表面能,在成型過程中容易發生 團聚或絮凝,降低坯體的力學性能,為提高陶瓷漿料的均勻性,加入適量的分散劑往往是十分有效的方法,同時分散劑也可提 高漿料的固相質量分數而不增大漿料的粘度。采用聚甲基丙烯酸銨分散劑,研究了固相含量為60%,有 機單體含量為15%,pH 值為9.5 時,分散劑加入量的變化對坯 體抗彎強度的影響。

    隨著分散劑含量的增大,坯體抗彎強度 呈現先增大后減小的趨勢。當分散劑含量為1%時,坯體抗彎強 度最大。產生這一現象的原因是: 陶瓷顆粒表面為極性表面,分 散劑在水溶液中電離出帶有負電的有機酸根離子,能吸附在陶 瓷顆粒表面,顆粒間的排斥力增大,使漿料更均勻穩定。在分散 劑加入量達到最佳值時,分散劑在陶瓷顆粒表面上呈單層排 列,能充分使陶瓷顆粒分散,且分散劑分子長鏈垂直于顆粒表 面排列[5]。當分散劑低于最佳值時,單層吸附濃度不夠,這時長 鏈分散劑分子排列不規則;反之,分散劑加入量過多,就可能產 生多層吸附,致使相鄰兩層極性相反,結果原來已改變的顆粒 表面極性再次改變,使漿料分布不均勻,穩定性變差,同時加入 量過多又易發生團聚現象而堆積,產生團聚體間孔隙及團聚體 內孔隙。

    結論

    (1)隨著固相質量分數和分散劑含量的增加,陶瓷坯體的抗彎強度均呈現出先增大而后減小的趨勢,當固相質量分數為 60%、分散劑含量為1%時達到最佳值。

    (2)隨有機單體含量的增加,陶瓷坯體的彎曲強度也增加并逐步穩定,氧化鋁凝膠注射成型較適宜的單體含量為15% - 20%質量分數。

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