CN108276004A - 一种基于瓜尔胶凝胶注模成型氮化硼素坯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瓜尔胶凝胶注模成型氮化硼素坯的制备方法，其特征在于，采用异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯对氮化硼粉体进行预处理，得到预处理氮化硼粉体；采用去离子水、瓜尔胶、正丁醇和马来酸配制凝胶溶液；然后，在球磨机中，按体积百分比加入，预处理氮化硼粉体：50%~55%，凝胶溶液：40%~44%，氟硼酸铵：2%~5%，研磨8~10h，再加入质量分数为25%戊二醛：2%~5%，各组分之和为百分之百，研磨20min，超声除泡处理，得到氮化硼浆料；将氮化硼浆料注入模具中，缓慢加热，温度至30±2℃恒温36~40 h，自然冷却后，经干燥，脱模，得到氮化硼素坯。该方法制备的氮化硼素坯具有固含量高，有机物含量低，环保，烧结后所得的氮化硼陶瓷致密度高。

Description

一种基于瓜尔胶凝胶注模成型氮化硼素坯的制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料成型与制备领域，具体涉及一种基于瓜尔胶凝胶注模成型氮化硼素坯的制备方法，是一种操作简单、环保、高固含量，可成型复杂形状部件及大尺寸部件，所制备的氮化硼陶瓷制品致密度。

背景技术

在20世纪90年代初，美国橡树岭国家重点实验室Janney等提出了凝胶注模成型技术（gelcasting），首次将传统制备工艺和聚合物化学有机结合起来，开创了在陶瓷成型工艺中利用高分子单体聚合进行成型的技术。该技术可制备密度均匀、大尺寸、精度高的复杂形状的陶瓷部件，该方法具有工艺简单、成本低等优点。至今，国内外有关凝胶注模成型的研究中，以氧化铝、碳化硅、氮化硅、氮化钛等陶瓷材料居多，传统的凝胶注模成型工艺采用毒性较强具有刺激味道的单体聚丙烯酰胺或N,N-二甲基丙烯酰胺，交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，引发剂为过硫酸铵，分散剂为聚丙烯酸。传统胶态成型工艺所制备的坯体在干燥过程中收缩通常比较大，从而造成坯体在干燥过程中发生变形、开裂等问题；并且由于成型坯体的强度较低，在脱模过程中坯体容易损坏，特别对于大尺寸、复杂形状的成型坯体有时甚至无法脱模。陶瓷材料在成型干燥、烧结过程中不可避免地存在坯体尺寸收缩现象。为了克服传统凝胶注模成型缺点，研究新的凝胶注模体系，寻找优良的胶粘剂单体、分散剂等，研究凝胶注模体系的条件制备陶瓷素坯受到关注。中国发明专利CN101698607 B 中公开了一种环保型凝胶注模制备氧化铝基陶瓷材料的方法。中国发明专利CN106079032 A 中公开了一种基于琼脂糖、陶瓷浆料混合溶液的凝胶注模成型方法。

氮化硼晶体属六方晶系，结构与石墨相似，性能也有很多相似之处，所以又叫“白石墨”

它有良好的耐热性、热稳定性、导热性、高温介电强度，是理想的散热材料和高温绝缘材料。氮化硼的化学稳定性好，能抵抗大部分熔融金属的浸蚀。它也有很好的自润滑性。氮化硼可用于制造熔炼半导体的坩埚及冶金用高温容器、半导体散热绝缘零件、高温轴承、热电偶套管及玻璃成形模具，还可以用于原子反应堆的结构材料、飞机、火箭发动机的喷口，高温固体润滑剂和多种精密铸造制品的脱膜剂等。氮化硼陶瓷是一种性能优异并有很大发展潜力的新型陶瓷材料，具有许多优良的物理和化学特性：低密度、耐高温、抗热振、抗氧化、高热导率、高电阻率、高电场击穿强度、优良的室温和高温介电性能、耐化学腐蚀、无毒色白、自润滑、加工性好、与多种金属不浸润等。这些优异的性质使氮化硼陶瓷材料在航空航天、冶金、机械和电子等高科技领域具有十分广阔的应用前景。采用凝胶注模成型可以成型结构复杂部件和大尺寸部件，而且成型精度高，素坯的强度大，所制备的陶瓷致密度高等优点。

瓜尔胶，英文名为“guargum”，是从广泛种植于印巴次大陆的一种豆科植物——瓜尔豆中提取的一种高纯化天然多糖。由于其独特的分子结构特点及天然性，使其迅速成为性能优越的新型环保造纸助剂；同时它还被广泛应用于食品、石油、医药等领域。瓜尔胶为大分子天然亲水胶体，属于天然半乳甘露聚糖，品质改良剂之一，一种天然的增稠剂。外观是从白色到微黄色的自由流动粉末，能溶于冷水或热水，遇水后及形成胶状物质，达到迅速增稠的功效。主要分为食品级和工业级两种。广泛用于石油压裂、钻井等增稠目的，以及食品添加剂，印染和建筑涂料等行业。瓜尔胶是已知的最有效和水溶性最好的天然聚合物。在低浓度下，可形成高粘稠溶液；表现出非牛顿流变特性，与硼砂形成酸可逆凝胶由于它的独特性能，应用于食品、制药、化妆品、个人保健、石油、粘蚊剂、造纸和纺织印染等行业。

本发明采用异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯、马来酸和氟硼酸铵具有协同分散作用，既能提高固体含量，又能降低浆料的粘度，改善表面洁度。采用瓜尔胶作为凝胶胶粘剂，采用氟硼酸铵调节体系的pH值，加入戊二醛为交联剂制备氮化硼素坯，然后经过高温烧结制备氮化硼陶瓷，本申请体系可以是固含量的体积比达到55%，成型精度高，素坯强度高，所制备的氮化硼陶瓷的致密度达到98%，结构均匀，无裂纹。制备工艺简单，环保，成本低。

发明内容

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于瓜尔胶凝胶注模成型氮化硼素坯的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：

（1）氮化硼粉体预处理：在球磨机中，按质量百分比加入，氮化硼粉体：92%~96%，异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯：0.5%~2.5%，醋酸乙酯：3%~6%，各组分之和为百分之百，开启球磨机研磨2-4h，干燥，得到预处理氮化硼粉体；

（2）凝胶溶液配制：在反应器中，按质量百分浓度加入，去离子水：68%~74%，瓜尔胶：2%~5%，正丁醇：20%~25%，马来酸：2%~5%，各组分之和为百分之百，搅拌溶解，得到凝胶溶液；

（3）氮化硼浆料配制：在球磨机中，按体积百分比加入，预处理氮化硼粉体：50%~55%，凝胶溶液：40%~44%，氟硼酸铵：2%~5%，研磨8~10h，再加入质量分数为25%戊二醛：2%~5%，各组分之和为百分之百，研磨20min，超声除泡处理，得到氮化硼浆料；

（4）氮化硼素坯的制备：将步骤（3）氮化硼浆料注入模具中，缓慢加热，温度至30±2℃恒温36~40 h，自然冷却后，经干燥，脱模，得到氮化硼素坯。

在步骤（1）中所述的氮化硼粉体的粒径在0.5~2.5μm范围内。

所述的马来酸与氟硼酸铵的质量比在1：2.0 ~2.5范围内。

在步骤（4）中所述的素坯经高温烧结后得到氮化硼陶瓷。

本发明与现有技术比较，具有如下优点及有益效果：

（1）本发明是通过氟硼酸铵调节体系的pH值，戊二醛为交联剂使瓜尔胶交联成为凝胶，是均相反应，可以很好的控制凝胶的均匀性，瓜尔胶在pH值低时粘度小的情况下可以提高固含量，本方法固含量体积比可达55%。

（2）混料时不需要加热，注模成型后通过马来酸和氟硼酸铵的作用下促进交联剂戊二醛的交联作用，同时还具有分散固体的作用。

（3）所制备的氮化硼素坯中有机物含量极少，干燥成型过程不会裂缝，所制备的素坯具有一定的强度，可以在烧结前进行加工，所制备陶瓷的致密性可达98%。

（4）该方法可以制备各种复杂形状部件，可以制备大尺寸的陶瓷部件，成型的精度高。

（5）本申请中采用异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯、马来酸和氟硼酸铵作为协同分散剂，既能提高固体含量，又能降低浆料的粘度，。

具体实施方式

实施例1

（1）氮化硼粉体预处理：在球磨机中，分别加入，氮化硼粉体：940g，异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯:10g，醋酸乙酯：55mL，开启球磨机研磨3h，干燥，得到预处理氮化硼粉体；

（2）凝胶溶液配制：在反应器中，分别加入，去离子水：700 mL，瓜尔胶：30，正丁醇：270mL，马来酸：50g，搅拌溶解，得到凝胶溶液；

（3）氮化硼浆料配制：在球磨机中，分别加入，预处理氮化硼粉体：520 mL，凝胶溶液：420 mL，氟硼酸铵：30g，研磨9h，再加入质量分数为25%戊二醛：32 mL，研磨20min，超声除泡处理，得到氮化硼浆料；

（4）氮化硼素坯的制备：将氮化硼浆料注入模具中，缓慢加热，温度至30±2℃恒温38h，自然冷却后，经干燥，脱模，得到氮化硼素坯。

实施例2

（1）氮化硼粉体预处理：在球磨机中，分别加入，氮化硼粉体：920g，异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯:25g，醋酸乙酯：60mL，开启球磨机研磨3h，干燥，得到预处理氮化硼粉体；

（2）凝胶溶液配制：在反应器中，分别加入，去离子水：740 mL，瓜尔胶：40，正丁醇： 250mL，马来酸：20g，搅拌溶解，得到凝胶溶液；

（3）氮化硼浆料配制：在球磨机中，分别加入，预处理氮化硼粉体：550 mL，凝胶溶液：400 mL，氟硼酸铵：20g，研磨8h，再加入质量分数为25%戊二醛：32 mL，研磨20min，超声除泡处理，得到氮化硼浆料；

（4）氮化硼素坯的制备：将氮化硼浆料注入模具中，缓慢加热，温度至30±2℃恒温37h，自然冷却后，经干燥，脱模，得到氮化硼素坯。

实施例3

（1）氮化硼粉体预处理：在球磨机中，分别加入，氮化硼粉体：960g，异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯:5g，醋酸乙酯：40mL，开启球磨机研磨4h，干燥，得到预处理氮化硼粉体；

（2）凝胶溶液配制：在反应器中，分别加入，去离子水：680 mL，瓜尔胶：50，正丁醇：280mL，马来酸：40g，搅拌溶解，得到凝胶溶液；

（3）氮化硼浆料配制：在球磨机中，分别加入，预处理氮化硼粉体：500 mL，凝胶溶液：410 mL，氟硼酸铵：50g，研磨10h，再加入质量分数为25%戊二醛：42 mL，研磨20min，超声除泡处理，得到氮化硼浆料；

（4）氮化硼素坯的制备：将氮化硼浆料注入模具中，缓慢加热，温度至30±2℃恒温36h，自然冷却后，经干燥，脱模，得到氮化硼素坯。

实施例4

（1）氮化硼粉体预处理：在球磨机中，分别加入，氮化硼粉体：950g，异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯:20g，醋酸乙酯：35mL，开启球磨机研磨3.5h，干燥，得到预处理氮化硼粉体；

（2）凝胶溶液配制：在反应器中，分别加入，去离子水：700 mL，瓜尔胶：20，正丁醇：300mL，马来酸：30g，搅拌溶解，得到凝胶溶液；

（3）氮化硼浆料配制：在球磨机中，分别加入，预处理氮化硼粉体：510 mL，凝胶溶液：440 mL，氟硼酸铵：30g，研磨9.5h，再加入质量分数为25%戊二醛：22 mL，研磨20min，超声除泡处理，得到氮化硼浆料；

（4）氮化硼素坯的制备：将氮化硼浆料注入模具中，缓慢加热，温度至30±2℃恒温39h，自然冷却后，经干燥，脱模，得到氮化硼素坯。

实施例5

（1）氮化硼粉体预处理：在球磨机中，分别加入，氮化硼粉体：930g，异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯:10g，醋酸乙酯：65mL，开启球磨机研磨2.5h，干燥，得到预处理氮化硼粉体；

（2）凝胶溶液配制：在反应器中，分别加入，去离子水：720 mL，瓜尔胶：30，正丁醇：260mL，马来酸：40g，搅拌溶解，得到凝胶溶液；

（3）氮化硼浆料配制：在球磨机中，分别加入，预处理氮化硼粉体：500 mL，凝胶溶液：430 mL，氟硼酸铵：20g，研磨8.5h，再加入质量分数为25%戊二醛：53 mL，研磨20min，超声除泡处理，得到氮化硼浆料；

（4）氮化硼素坯的制备：将氮化硼浆料注入模具中，缓慢加热，温度至30±2℃恒温40h，自然冷却后，经干燥，脱模，得到氮化硼素坯。

本申请所制备的氮化硼素坯经过简单加工，可以成型结构复杂部件和大尺寸部件，成型的精度高，素坯的强度高，进行高温烧结即可得到氮化硼陶瓷。所制备氮化硼陶瓷的致密性可达98%。

Claims (3)

1.一种基于瓜尔胶凝胶注模成型氮化硼素坯的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：

（1）氮化硼粉体预处理：在球磨机中，按质量百分比加入，氮化硼粉体：92%~96%，异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯：0.5%~2.5%，醋酸乙酯：3%~6%，各组分之和为百分之百，开启球磨机研磨2-4h，干燥，得到预处理氮化硼粉体；

（2）凝胶溶液配制：在反应器中，按质量百分浓度加入，去离子水：68%~74%，瓜尔胶：2%~5%，正丁醇：20%~25%，马来酸：2%~5%，各组分之和为百分之百，搅拌溶解，得到凝胶溶液；

（3）氮化硼浆料配制：在球磨机中，按体积百分比加入，预处理氮化硼粉体：50%~55%，凝胶溶液：40%~44%，氟硼酸铵：2%~5%，研磨8~10h，再加入质量分数为25%戊二醛：2%~5%，各组分之和为百分之百，研磨20min，超声除泡处理，得到氮化硼浆料；

（4）氮化硼素坯的制备：将步骤（3）氮化硼浆料注入模具中，缓慢加热，温度至30±2℃恒温36~40 h，自然冷却后，经干燥，脱模，得到氮化硼素坯。

2.根据权利要求1所述的一种基于瓜尔胶凝胶注模成型氮化硼素坯的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的氮化硼粉体的粒径在0.5~2.5μm范围内。

3.根据权利要求1所述的一种基于瓜尔胶凝胶注模成型氮化硼素坯的制备方法，其特征在于，所述的马来酸与氟硼酸铵的质量比在1：2.0 ~2.5范围内。