CN108274604B - 一种水基浆料凝胶注模成型浇注系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水基浆料凝胶注模成型浇注系统，其特征在于，包括罐体、入浆口、出浆口，搅拌装置，负压系统、缓冲罐；所述罐体用以盛装浆料并实施脱泡，所述入浆口和出浆口设于罐体上，所述真空泵连接罐体并提供负压环境，所述搅拌装置位于罐体内，对处于负压中的浆料进行搅拌，将其中的气泡搅出，所述缓冲罐位于真空泵和罐体之间，本发明采用负压系统，提高了搅拌脱泡的效果，同时采用合理设计的缓冲罐结构，提高了负压环境的稳定性，并保护真空系统。

Description

一种水基浆料凝胶注模成型浇注系统

技术领域

本发明属于机械设计制造领域，应用于精细陶瓷成型行业，具体为一种水基浆料凝胶注模成型浇注系统。

背景技术

二十世纪九十年代，美国橡树岭国家实验室Oak Ridge National Laboratory)的M.A.Jenny和O.O.Omatete教授发明了一种全新的陶瓷材料湿法成型技术——凝胶注模成型技术(Gelcasting)，它是传统的注浆工艺与有机化学高聚合理论的完美结合，通过引入一种新的定型机制，发展了传统的注浆成型工艺。其基本原理是在高固相含量(体积分数不小于50％)、低粘度(在1Pa·s左右)的陶瓷浆料中，掺入低浓度的有机单体和交联剂，当加入引发剂和催化剂并浇注后，浆料中的有机单体在一定的条件下发生原位聚合反应，形成坚固的三维网状结构，从而使悬浮体原位固化成型，得到均匀、高强度、近净尺寸的陶瓷坯体。然后进行脱模、干燥、去除有机物、烧结，即可制得所需的陶瓷零件。

凝胶注模成型作为一种新型陶瓷成型技术，对于浇注系统的选择面较大，理论上密封良好的结构都可以用于成型浇注系统的制作，使用的材料包括金属，聚丙烯，特氟龙等材质，一般来说，由于料浆呈弱酸或弱碱性，不建议使用金属浇道，且重量较大，不易于连续生产；而高分子材质存在热导率小，传热不均匀的情况。

同时凝胶注模成型工艺为湿法浇注的特征，在制备浆料过程中会存有大量气泡，在后续加工过程中无法祛除，从而影响产品品质。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种水基浆料凝胶注模成型浇注系统以及浇注工艺。

本发明完整的技术方案包括：

一种凝胶注模成型浇注系统，其特征在于，包括罐体、入浆口、出浆口，搅拌装置，负压系统、缓冲罐；

所述罐体用以盛装浆料并实施脱泡，所述入浆口和出浆口设于罐体上，所述真空泵连接罐体并提供负压环境，所述搅拌装置位于罐体内，对处于负压中的浆料进行搅拌，将其中的气泡搅出，所述缓冲罐位于真空泵和罐体之间。

所述罐体内壁有涂层，具体组分为环氧树脂：特氟龙＝2:1，涂层的厚度为2mm。

搅拌装置包括搅拌电机和搅拌机。

搅拌机结构为锚式与搅龙叶片相结合。

缓冲罐采用多级缓冲设计，包括总体积略大于罐体体积的多个缓冲罐。

缓冲罐与罐体连接的入口处设有分流尖顶，所述分流尖顶为圆锥形，尖顶的圆锥面为分流壁，缓冲罐两侧设有储浆槽，分流壁的长度为500mm，储浆槽与分流壁的纵向高度差为150mm，分流壁下部的横向距离为530mm，分流壁的顶角为80°。

浇注的方法包括如下步骤：

(1)开启入浆口，使浆料进入罐体内，所述浆料的粘度为55-65mPa·s；

(2)关闭入浆口，使罐体处于封闭环境，开启真空泵，使罐体内形成负压环境，真空度为1*10^-2Pa。

(3)开启搅拌电机，带动搅拌机对罐体内的浆料进行搅拌，搅拌时间为15分钟，搅拌速度为30r/s。

(4)搅拌结束后，开启出浆口，将脱泡后的浆料浇入模具。

附图说明

图1为本发明的水基浆料凝胶注模成型浇注系统结构示意图。

图2为本发明的缓冲罐纵截面结构示意图。

图中：1：罐体，2：搅拌电机，3：搅拌机，4：缓冲罐，5：真空泵，6：吊装装置，7：电气控制装置，4-1：进气口，4-2：分流壁，4-3：支架，4-4：储浆槽，4-5：出气口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种水基浆料凝胶注模成型浇注系统，包括罐体1、入浆口、出浆口、搅拌装置、缓冲罐4、真空泵5、吊装装置6、电气控制装置7；

所述罐体用以盛装浆料并实施脱泡，所述入浆口和出浆口设于罐体上，搅拌装置包括搅拌电机2和搅拌机3，搅拌电机2与搅拌机3连接，并带动搅拌机3对罐体内的浆料进行旋转搅拌，缓冲罐4连通罐体，真空泵5连接缓冲罐4并与罐体连通，

吊装装置6为搅拌装置、罐体、缓冲罐等提供支撑，电气控制装置7控制搅拌装置。

本发明的上述部件中，罐体1用来承装料浆，并实施脱泡过程；罐体内壁有涂层，可以根据脱泡的浆料的特性，进行针对性的内壁涂层处理，如环氧树脂、特氟龙等涂层材料，或其组合；提供入浆口，方便料浆进入；提供出浆口，方便浇注，可支持最大6L/min的浇注速度；提供抽气口与放气口，可实施抽真空与放气。搅拌装置2设计成锚式与搅龙叶片相结合，既保证了搅动罐体最底层浆料又使底部浆料向浆料液面方向翻滚，更利于浆料内气体的排出。搅拌电机3为搅拌装置提供动力，内嵌程序控制系统，可以人工设计搅拌程序，实现脱泡过程中搅拌程序的智能化控制；电机采用变频电机，可根据程序的设定，满足不同转速(1～50转/s)与搅拌时间(1～120min)的搅拌需求。缓冲罐4隔绝罐体1和真空泵5，真空泵5可提供罐体内的负压状态，可使罐体内真空度达到1*10^-2Pa。吊装装置6配有电机可将罐体1的上盖吊起，方便罐体1的清洗与维护，通常1分钟内完成上盖的吊起与下盖操作。

电气控制装置7控制个浇注系统的电源开关，控制真空泵5的开关，控制搅拌电机3的开关与程序控制，控制吊装装置6的开关与控制。

尤其的，本发明的一个优选实施例中，缓冲罐采用多级缓冲设计，设计为总体体积略大于搅拌用罐体1体积的几个缓冲罐罐体，本缓冲罐4采用多级缓冲设计，进一步提高安全性，消除浆料倒吸损害系统的可能性。

尤其的，本发明的另一个优选实施例中，缓冲罐的结构为：与罐体连接的入口即进气口4-1处设有分流尖顶，所述分流尖顶为圆锥形，尖顶的圆锥面为分流壁4-2，分流尖顶通过支架4-3固定在缓冲罐两侧的储浆槽4-4上，下部有出气口4-5，分流壁的长度为500mm，储浆槽与分流壁下端的纵向高度差为150mm，分流壁下部的横向距离(即分流尖顶圆锥面分流壁的下部内径)为530mm，分流壁形成的顶角为80°。

上述设计针对搅拌过程中，当开启真空泵为罐体内提供负压环境时，防止浆料倒吸入真空泵对设备造成损害，因此在真空泵和罐体之间设置缓冲罐，当浆料倒吸时，首先进入缓冲罐，避免了其对真空泵造成损害。优选的设计中，缓冲罐采用多级缓冲设计，进一步提高了安全性。

在另一种实施方式中，当开启真空泵为罐体内提供负压环境时，即使有缓冲罐的存在，避免了浆料倒吸入真空泵，但在某些情况下，浆料进入缓冲罐后，有可能堵塞缓冲罐与真空泵之间的接口即真空通道，使得真空泵制造负压的能力下降，影响了罐体内的真空度，使罐体内的负压环境不稳定。因而更优化的设计是，为防止缓冲罐入口处的浆料堵塞，影响负压环境的形成，在入口处设有分流尖顶，当浆料倒吸时，进入缓冲罐的浆料被尖顶分流，并在负压和重力的合力作用下沿着分流壁向下流动，本发明结合罐体内真空度的要求、浆料的粘度、分流壁的锥度、长度等参数，使得倒吸的浆料在分流壁的末端形成一定的设计流速，分流壁末端与储浆槽的高度差、横向距离也经过设计，使该设计流速下的倒吸浆料完全进入储浆槽，防止其下落到缓冲罐底部堵塞真空泵与缓冲罐的接口，既防止浆料倒吸入真空泵，保证了安全性，又满足了防止缓冲罐口堵塞，以维持正常的罐体负压度的需求。该设计尤其适合本发明，罐体内1*10^-2Pa的真空度，以及粘度为50-70mPa·s的浆料。

优选的，所述罐体内壁涂层的具体组分为环氧树脂：特氟龙＝2:1，涂层的厚度为2mm，根据本发明的研究，上述涂层的组分和厚度尤其适合本发明的氧化锌陶瓷料浆的弱碱性特性，既保护了罐体不受料浆腐蚀，又兼顾了成本。

下面以一个具体的实施例来详细说明本发明浇注系统的使用方法。

实施例1

用数位电子天平称取相应质量的原料粉体，并混合得到复合粉体，该复合粉体中包括ZnO粉体和掺杂源，所述混合粉料中ZnO粉体的质量分数为72％，掺杂源质量分数为28％，所述的掺杂源组分按照摩尔比计为In₂O₃:Ga₂O₃:Mg_O:TiO₂:ZrO₂:Bi₂O₃＝1.2:1.5:0.8:1.2:0.3；

上述复合粉体纯度为99.99％以上，复合粉体平均粒径0.8μm，D50粒径为0.5μm；

将纯水、聚丙烯酸、N-N’二甲基双丙烯酰胺以100：3.5：1.2的重量比例充分溶解组成预混液。

将0.05wt％的烧结后无残留的JA-281做分散剂加入预混液。

将65wt％的复合粉体加入预混液中置于球磨机中球磨30分钟，再将剩余的35wt％复合粉体放入球磨机中继续球磨40小时，浆料在球磨机中用氧化锆球做球磨介质。球磨制备出粉体体积含量为50％的浆料，即浆料中原料粉体的固相含量50％，用纯氨水调节浆料的pH值到9.5，得到粘度为55-65mPa·s的高流动性料浆。

上述浇注系统的浇注方法，具体包括如下步骤：

(1)开启入浆口，使浆料进入罐体内，所述浆料的粘度为55-65mPa·s；

(2)关闭入浆口，使罐体处于封闭环境，开启真空泵，使罐体内形成负压环境，真空度为1*10^-2Pa。

(3)开启搅拌电机，带动搅拌机对罐体内的浆料进行搅拌，搅拌时间为15分钟，搅拌速度为30r/s。

(4)搅拌结束后，开启出浆口，将脱泡后的浆料浇入模具。

搅拌过程中，电气控制装置7智能控制入浆、搅拌、浇注过程，电气控制系统内嵌程序控制系统，可以人工设计搅拌程序，实现脱泡过程中搅拌程序的智能化控制；电机采用变频电机，可根据程序的设定，满足不同转速的搅拌需求(1～50转/s)。

在另一种优选的实施方式中，本发明的浇注系统还包括凝胶注模成型用模具，所述的模具包括内芯，外模，模具底盘，紧固外模螺栓，紧固内芯螺栓，外模密封圈，内芯密封圈，底部顶出撞锤，过滤网，过滤网提手。外模放置在模具底盘上，接触面上有外模密封圈，外模与底盘通过紧固螺栓固定，保证不漏液。内芯插在模具底盘中心，接触面上有内芯密封圈，内芯与底盘通过紧固螺栓固定，保证不漏液。外模的内壁、内芯的外壁以及模具底盘与其未重合部分形成的空间作为模腔，将水基料浆注入模腔内，形成陶瓷管生坯。一般还可在外模上设计提手，便于模具搬运。内芯设计为中空结构，内部设计提手，进一步降低重量，便于抽芯等操作。底部撞锤表面有螺纹，可旋转安装于模具底盘上，用于内芯的顶出。过滤网使用时，附于外模和内芯的外壁，浇注完成后手动或电机带动过滤网提手将过滤网提出浆料。尤其是，在将过滤网提拉出浆料的过程中，提拉的速度由下式确定：

式中，V为提拉速度，a为速度修正系数，取值范围为5-20，H为提拉过程中，过滤网所在高度与模具高度的比值，取值范围为0<H<1，X为固相率，取值范围为10<X<90，b为固相率修正指数，取值范围为0-2，ν为料浆的粘度，单位为mPa·s，c为粘度修正指数，取值范围为0-2。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种凝胶注模成型浇注系统，其特征在于，包括罐体、入浆口、出浆口，搅拌装置，负压系统、缓冲罐；

所述罐体用以盛装浆料并实施脱泡，所述入浆口和出浆口设于罐体上，真空泵连接罐体并提供负压环境，所述搅拌装置位于罐体内，对处于负压中的浆料进行搅拌，将其中的气泡搅出，所述缓冲罐位于真空泵和罐体之间；

缓冲罐采用多级缓冲设计，包括总体积略大于罐体体积的多个缓冲罐；缓冲罐与罐体连接的入口处设有分流尖顶，所述分流尖顶为圆锥形，尖顶的圆锥面为分流壁，缓冲罐两侧设有储浆槽，分流壁的长度为500mm，储浆槽与分流壁的纵向高度差为150mm，分流壁下部的横向距离为530mm，分流壁的顶角为80°。

2.权利要求1所述的一种凝胶注模成型浇注系统，其特征在于，所述罐体内壁有涂层，具体组分为环氧树脂：特氟龙=2:1，涂层的厚度为2mm。

3.权利要求1所述的一种凝胶注模成型浇注系统，其特征在于，搅拌装置包括搅拌电机和搅拌机。

4.权利要求3所述的一种凝胶注模成型浇注系统，其特征在于，搅拌机结构为锚式与搅龙叶片相结合。

5.根据权利要求1-4任一项所述浇注系统进行凝胶注模成型浇注的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

（1）.开启入浆口，使浆料进入罐体内，所述浆料的粘度为55-65mPa·s；

（2）.关闭入浆口，使罐体处于封闭环境，开启真空泵，使罐体内形成负压环境，真空度为1*10^-2 Pa；

（3）.开启搅拌电机，带动搅拌机对罐体内的浆料进行搅拌，搅拌时间为15分钟，搅拌速度为30r/s；

（4）.搅拌结束后，开启出浆口，将脱泡后的浆料浇入模具。

Images