CN101200373A

CN101200373A - 一种用于橡胶模具的碳化硅陶瓷坯体的制备方法

Info

Publication number: CN101200373A
Application number: CNA2007101720724A
Authority: CN
Inventors: 董满江; 毛小建; 张兆泉; 刘茜
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2008-06-18

Abstract

本发明涉及一种用于橡胶模具制备碳化锆陶瓷坯体的方法，属于陶瓷胶态成型领域。本发明的主要特征在于使用橡胶模具制备SiC陶瓷坯体。以水溶性环氧树脂为SiC凝胶浇注成型的凝胶体系，制备了适合于凝胶浇注成型的SiC浆料，使用橡胶模直接复制所需成型实物的精细、复杂结构。该方法的突出特点是：水溶性环氧树脂凝胶体系不会受到模具材料的阻聚；制备的坯体强度高，表面光滑，没有裂纹和表层脱落现象；使用较柔软且具有弹性的橡胶模具可制备出具有精细、复杂结构的SiC坯体，降低模具的生产成本和加工难度。

Description

一种用于橡胶模具的碳化硅陶瓷坯体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于橡胶模具的碳化硅陶瓷坯体制备方法，属于陶瓷胶态成型领域。

背景技术

凝胶浇注成型(Gelcasting)是制备SiC陶瓷的一种重要成型工艺。凝胶浇注成型可以获得坯体结构均匀、坯体强度高并可进行机械加工。作为聚合体系的单体一般为丙烯酰胺类或丙烯酸类，其优点是单体的加入可以降低浆料体系的粘度；价格低等。但是其缺点是：1，属于自由基聚合的反应过程很容易受到体系中溶解的物质的影响，产生氧阻聚、碳阻聚等。为了克服氧阻聚，浆料必须在密闭并有惰性气体的容器中固化。这导致工艺的复杂化；2，来自易加工、易脱模的模具材料(橡胶、塑料)的阻聚导致坯体表面不固化，表层容易脱落，坯体结构失真。为避免模具材料的阻聚导致部分浆料不能固化，一般采用不锈钢制备模具，这增加了工业生产的成本和模具制备的难度。Walls等人使用聚合物凝胶模具，虽然避免了模具本身对自由基聚合反应过程的阻聚，但是聚合物凝胶模具强度低，重复使用会导致模具破损。适合于浇注的模具对于制备复杂形状、精细结构的陶瓷部件极其重要。所以凝胶浇注成型制备SiC陶瓷的工业化生产仍然存在一定的难度。

发明内容

为解决SiC凝胶浇注成型工艺中上述问题，本发明提出了以水溶性环氧树脂作为聚合体系制备SiC陶瓷坯体，避免模具材料的阻聚，并且保证能够制备出适合凝胶浇注的SiC浆料。模具材料可采用具有弹性的橡胶等有机或无机高分子化合物及其复合材料，以橡胶等模具制备出SiC陶瓷坯体部件，并可以重复使用，如图1。这对凝胶浇注成型制备SiC陶瓷的工业化具有重要的意义。

本发明涉及以下两点：

1、具有弹性的橡胶等有机或无机高分子化合物及其复合材料制备SiC凝胶浇注成型的模具；

2、以水溶性环氧树脂作为聚合体系制备SiC陶瓷坯体。

根据以环氧树脂作为聚合体系制备SiC陶瓷坯体的工艺步骤，其特征在于如下：

1)将环氧树脂和分散剂溶于分散介质中，配制成预混液。

所述环氧树脂作为聚合体系，环氧树脂分子中具有2个以上环氧基，每100g溶剂中溶解量大于5.0g。与固化剂反应的温度在10℃～100℃之间。可以使SiC浆料固化，如图2。

所述分散介质包括：水、有机溶剂及其水溶液。以水为分散介质满足环保要求，为最佳分散介质。

所述环氧树脂还可为：水溶性环氧树脂、水化性改性环氧树脂和非水溶性环氧树脂。

环氧树脂溶液中可加入增韧剂、偶联剂和稀释剂等物质，以提高坯体性能。

所述增韧剂包括：非活性增韧剂、活性增韧剂。

所述偶联剂包括：铬络合物偶联剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸化合物。

所述稀释剂包括：惰性和活性稀释剂。

分散介质中可加入消泡剂、结合剂、湿润剂、润滑剂(也称滑动剂)、可塑剂、胶体保护剂、保水剂、防静电剂、杀菌剂、络合稳定剂、发泡剂、表面活性剂等试剂，提高浆料体系的稳定性和流动性。

所述分散剂为四甲基氢氧化铵、聚乙烯亚胺、聚甲基丙烯酸铵、醇铝、山梨醇脂肪酸脂、阿拉伯树胶、三聚磷酸钠、聚乙二醇、磺化丙酮一甲醛缩聚物。四甲基氢氧化铵分散SiC浆料具有最好的流动性。

2)根据制备的陶瓷的用途，浆料混合过程可加入造孔剂制备多孔SiC陶瓷。

所述造孔剂包括：碳粉、羧甲基纤维素、磷酸二氢铵、聚氯乙烯、碳酸钙、炭粉、锯木、淀粉、酵母粉、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚苯乙烯颗粒。

3)加入SiC粉体，通过搅拌、球磨及砂磨等方式使浆料混合均匀。如果有必要可以使用冷却装置对浆料进行冷却。

4)根据SiC烧结机制加入烧结助剂。所述烧结助剂包括以下体系：Al₂O₃、Al₂O₃-Y₂O₃、Al₂O₃-Y₂O₃-CaO、Al-B-C、Al₄C₃-B₄C-C、AlB₂-C、Al-B₄C-C和纳米SiC粉体。

5)如果有必要可将SiC浆料进行真空除气。

6)在浆料中加入固化剂，并使固化剂混合均匀。

所述固化剂包括：环氧树脂固化剂有脂肪胺、脂环胺、芳香胺、聚酰胺、酸酐、树脂类、叔胺、多胺类、改性胺固化剂、改性脂肪胺固化剂固化剂。作为水溶性和常温固化剂的二丙三胺和聚乙烯亚胺，为低毒性，满足环保要求，为最适合的固化剂。

7)如果有必要可将加入固化剂的浆料再次除气，并浇注到模具中。根据模具的复杂程度，浇注过程可在真空容器中进行。

所述模具其特征在于模具材料包括橡胶、硅橡胶、聚氨酯、有机玻璃、水晶胶、环氧树脂和塑料等有机和无机化合物及其复合材料。柔性或弹性的橡胶模具和聚氨酯模具是作为SiC凝胶浇注成型的较好模具。

所述的模具可以直接通过浇注、注射等工艺制备，也可以通过机械加工的方法获得。浇注及注射所得模具可进一步加工及修饰，使之满足所需几何精度。

8)浆料固化在20℃～60℃温度范围进行，最适宜温度为20℃～40℃。浆料固化后可脱模，也可不脱模。

9)干燥可在室温环境下进行，也可以控制温度和湿度下进行。

由于水溶性环氧树脂的聚合反应的稳定性，不会受到来自氧、碳、模具材料等的阻聚，橡胶等模具和水溶性环氧树脂还可以用于以下用途：

氧化铝、氧化钇、氮化硅、碳化硼、硼化锆、碳化钛、氮化钛和氧化锆等陶瓷及其复合材料的成型方法。并可以制备致密和多孔材料。

可用于生物陶瓷的成型方法。所述生物陶瓷包括氧化锆、羟基磷灰石、硅酸钙、碳酸羟基磷灰石、碳素陶瓷材料、磷酸钙等及其生物复合材料。可制备致密和多孔生物材料。

可用于压电陶瓷的成型方法。

可用于介电陶瓷的成型方法。

所述的成型方法还可为凝胶浇注成型、注射成型和流延成型。本发明的突出优点是：

1，橡胶等模具的使用，固化坯体可以完整复制所需部件的结构，模具可重复利用。制备工艺简单，便于工业生产及应用。

2，以水溶性环氧树脂作为聚合体系应用于SiC凝胶浇注成型时，SiC浆料的流动性满足凝胶浇注成型的需要，SiC浆料固化进程可控，固化坯体的强度高，可进行机械加工。

附图说明

图1为实例1.1、2.1和2.2中所制备的橡胶模具和SiC坯体的照片。

图2为实例2.1中SiC浆料固化过程的弹性模量曲线。

具体实施方式

下面结合实例进一步说明本发明的创新点而非限制本说明。

模具的制备实例：

实例1.1

将硅橡胶(106室温硫化硅橡胶)与催化剂(二月硅酸二丁基锡)、交朕剂(正硅酸乙酯)混合均匀，比例为100∶3∶3(质量)。除气后，浇注到放有预复制的实物的容器中固化，固化温度为室温，固化时间大于24小时。固化后对硅橡胶固化体进行适当加工，取出预复制的实物，并修饰或进一步加工硅橡胶模具，以满足浆料浇注的需要和几何精度。

实例1.2

将环氧树脂水晶胶(560)的A和B组分按2∶1均匀混合。并除后，浇注到放有预复制的实物的容器中固化，固化温度为室温，固化时间大于24小时。固化后对硅橡胶固化体进行适当加工，取出预复制的实物，并修饰或进一步加工硅橡胶模具，以满足浆料浇注的需要和几何精度。

实例1.3

将聚氨酯(QS-301)水晶胶的A和B两组份混合均匀，比例为2∶1(质量)。除气后，浇注到放有预复制的实物的容器中固化，固化温度为室温，固化时间大于24小时。固化后对聚氨酯水晶胶固化体进行适当加工，取出预复制的实物，并修饰或进一步加工聚氨酯水晶胶模具，以满足浆料浇注的需要和几何精度。

环氧树脂作为SiC凝胶浇注成型的凝胶体系制备SiC陶瓷坯体实例：

实例2.1

首先将水溶性环氧树脂配制成预混液22.5ml，环氧树脂(EX614)浓度为15wt％。加入0.15wt％的四甲基氢氧化铵作为SiC分散剂，并加入88g SiC(FCP10，Norton)粉体进行搅拌，搅拌时间为一小时，或球磨。搅拌过程中，称装浆料的容器需要冰水浴，以避免搅拌导致浆料的温度上升。制备好的SiC浆料经过真空除气后加入0.9ml固化剂(二丙三胺)，再搅拌两分钟，并再次进行真空除气，即可浇注到橡胶模具中。30℃固化一小时可脱模，进行干燥处理。得到与实物形貌一致的SiC坯体。

实例2.2

首先将水溶性环氧树脂配制成预混液22.5ml，环氧树脂(L-051)浓度为15wt％。加入0.15wt％的四甲基氢氧化铵作为SiC分散剂，并加入70g SiC(FCP10，Norton)粉体进行搅拌，搅拌时间为一小时，或球磨。搅拌过程中，称装浆料的容器需要冰水浴，以避免搅拌导致浆料的温度上升。制备好的SiC浆料经过真空除气后加入0.9ml固化剂(H-312)，再搅拌两分钟，并再次进行真空除气，即可浇注到橡胶模具中。30℃固化一小时可脱模，进行干燥处理。得到与实物形貌一致的SiC坯。

实例2.3

首先将水溶性环氧树脂配制成预混液22.5ml，环氧树脂(E-51)浓度为15wt％。加入0.15wt％的四甲基氢氧化铵作为SiC分散剂，并加入70g SiC(FCP10，Norton)粉体进行搅拌，搅拌时间为一小时，或球磨。搅拌过程中，称装浆料的容器需要冰水浴，以避免搅拌导致浆料的温度上升。制备好的SiC浆料经过真空除气后加入0.9ml固化剂(T31)，再搅拌两分钟，并再次进行真空除气，即可浇注到橡胶模具中。30℃固化一小时可脱模，进行干燥处理。得到与实物形貌一致的SiC坯体。

实例2.4

首先将水溶性环氧树脂配制成预混液22.5ml，环氧树脂(EX614)浓度为15wt％。加入适量四甲基氢氧化铵作为SiC分散剂，并加入88g SiC(FCP10，Norton)粉体和7wt％的氧化铝和氧化钇烧结助剂进行搅拌，搅拌时间为一小时，并球磨24小时。球磨后的SiC浆料经过真空除气后加入0.9ml固化剂(二丙三胺)，再搅拌两分钟，并再次进行真空除气，即可浇注到橡胶模具中。30℃固化一小时可脱模，进行干燥处理。得到与实物形貌一致的SiC坯体。

实例2.5

首先将水溶性环氧树脂配制成预混液22.5ml，环氧树脂(EX614)浓度为15wt％。加入适量四甲基氢氧化铵作为SiC分散剂，并加入88g SiC(FCP10，Norton)粉体和5wt％的B₄C-C烧结助剂进行搅拌均匀，并球磨24小时。球磨的SiC浆料经过真空除气后加入0.9ml固化剂(二丙三胺)，再搅拌两分钟，并再次进行真空除气，即可浇注到橡胶模具中。30℃固化一小时可脱模，进行干燥处理。得到与实物形貌一致的SiC坯体。

实例2.6

首先将环氧树脂与乙醇配制成预混液22.5ml，环氧树脂(EX614)浓度为15wt％。加入0.15wt％四甲基氢氧化铵作为SiC分散剂，并加入60g SiC(FCP10，Norton)粉体和7wt％的氧化铝和氧化钇烧结助剂搅拌一小时。搅拌均匀后加入二丙三胺固化剂，搅拌两分钟后浇注。固化后可得到多孔的SiC坯体。

Claims

1.一种用于橡胶模具的碳化硅陶瓷坯体的制备方法，包括下述步骤：

(1)将环氧树脂和分散剂溶于分散介质中，环氧树脂分子中具有2个以上环氧基，每100g溶剂中溶解量大于5.0g，配制成预混液；

(2)加入碳化硅粉体，通过搅拌、球磨或砂磨方式使浆料混合均匀；

(3)加入烧结助剂；

(4)进行真空除气，倒入橡胶模具；

(5)加入固化剂，并使固化剂混合均匀；

(6)在20℃～60℃温度范围进行浆料固化，浆料固化后可脱模，也可不脱模。

(7)室温环境下干燥。

2.按权利要求1所述的一种用于橡胶模具的碳化硅陶瓷坯体的制备方法，其特征在于所述分散介质包括水、有机溶剂或有机溶剂的水溶液。

3.按权利要求1所述的一种用于橡胶模具的碳化硅陶瓷坯体的制备方法，其特征在于所述的环氧树脂为水溶性环氧树脂、水化性改性环氧树脂和非水溶性环氧树脂。

4.按权利要求1所述的一种用于橡胶模具的碳化硅陶瓷坯体的制备方法，其特征在于所述的烧结助剂为Al₂O₃、Al₂O₃-Y₂O₃、Al₂O₃-Y₂O₃-CaO、Al-B-C、Al₄C₃-B₄C-C、AlB₂-C、Al-B₄C-C体系的纳米粉体或纳米SiC粉体。

5.按权利要求1所述的一种用于橡胶模具的碳化硅陶瓷坯体的制备方法，其特征在于所述的固化剂为环氧树脂固化剂。

6.按权利要求5所述的一种用于橡胶模具的碳化硅陶瓷坯体的制备方法，其特征在于所述的固化剂为的脂肪胺、脂环胺、芳香胺、聚酰胺、酸酐、树脂类、叔胺、多胺类、改性胺固化剂、改性脂肪胺固化剂固化剂，二丙三胺和聚乙烯亚胺。

7.按权利要求6所述的一种用于橡胶模具的碳化硅陶瓷坯体的制备方法，其特征在于所述的固化剂为二丙三胺和聚乙烯亚胺。

8.按权利要求1所述的一种用于橡胶模具的碳化硅陶瓷坯体的制备方法，其特征在于所述温度为20℃～40℃。