CN109227886A - 一种带内腔结构的陶瓷构件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带内腔结构的陶瓷构件的制备方法，包括按照内腔结构制作可溶性型芯；制备注射喂料；将所述可溶性型芯放入模具中，注射成型；浸入溶解液中，溶解液与可溶性型芯发生反应，脱除可溶性型芯，得到坯体；干燥和烧成；相应的，本发明还公开了一种带内腔结构的陶瓷构件，其采用上述制备方法制成。本发明方法简单、效率高、可大批量化生产，制得的陶瓷构件的精度高、强度高、外观美观。

Description

一种带内腔结构的陶瓷构件及其制备方法

技术领域

本发明属于精细陶瓷制备领域，尤其涉及一种带内腔结构的陶瓷构件及其制备方法。

背景技术

随着工业的进步，在特定领域，带有内腔的陶瓷结构件需求越来越广。成型带内腔结构的陶瓷零件，普遍方法是先制备几个单独陶瓷件，再通过焊接的方法进行组装，但这种成型的方法会有明显的焊缝，陶瓷强度低；不能满足一些场合的生产需求。

另外一种方法是采用3D打印，即将陶瓷粉末与光固化树脂混合配制成稳定的浆料，然后通过激光3D打印机，利用激光逐层扫描，使浆料逐层固化，从而达到成型的目的。3D打印技术虽可解决内腔成型问题，但受限于现有打印技术及成本昂贵的原因，暂无法实现工业化生产。

一种改进方法是使用热塑性材料作为型芯，并采用凝胶铸造方法，在这种方法中，将陶瓷粉末悬浮液加入到外模和型芯间的空隙。此悬浮液含有交联化学试剂，在注模前将引发剂和催化剂加入悬浮液中以引发交联过程并完成固化。从外模中移走成型的陶瓷坯体，加热去除型芯或者直接通过高温熔融法除去型芯。但凝胶铸造的方法成型时间较长，根据交联剂的选择从几分钟到几个小时不等，不适合大批量生产。

陶瓷注射成型法是20世纪80年代提出的精密陶瓷成型方法，其生产效率高，易于实现规模化生产，且成型精度高，因此应用范围较广。陶瓷注射成型方法的工艺流程包括：制备注射喂料，注射成型，脱脂和烧成。注射喂料常采用一定量的有机物与陶瓷粉体混合而成。注射成型是用一定的压力和温度降注射喂料注入模具，进行成型的技术，由于其压力较高，常需要较高强度的模具，常采用金属模具。另外，脱脂常采用加热的方法进行，需要的时间较长。

但采用注射成型法制备具有内腔结构的陶瓷制品时，存在显著的工艺局限性：主要表现在内芯模具需要被约束在模具中，所以排出零件之前需要通过撤回步骤从制品中抽出内芯模，这对设计灵活性有非常大的局限。目前一种解决方式开发可丢弃的型芯。专利申请CN201080061261.4制备了一种可丢弃的陶瓷芯，其采用石英、黏土和高岭土烧制了一次性使用的陶瓷芯，在完成注射成型工艺后，将陶瓷芯采用高压喷水或者酸浸渍除去。但这种陶瓷芯一次使用不可回收，生产成本高。且采用酸浸渍会产生环境污染。

另一种可行的方法是可溶解性的粉末制备芯，成型后，将芯用水溶解掉：专利申请CN200610079372.3公开了一种陶瓷放电容器的成型方法和芯，其采用水溶性粉末如聚乙二醇蜡制备芯，在成型后，直接用水将芯溶解掉。但是其制备得到的芯强度仅为1-6MPa，无法适用于高强度的注射成型。同时，这种溶解的方式容易造成原料中有机溶解液的溶解，进而造成溶胀、开裂等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种带内腔结构的陶瓷构件及其制备方法，方法简单、效率高、可大批量化生产，制得的陶瓷构件的精度高、强度高、外观美观。

本发明要解决的技术问题还在于，提供一种带内腔结构的陶瓷构件及其制备方法，能有效解决型芯在溶解过程中的溶胀问题。

本发明要解决的技术问题还在于，提供一种带内腔结构的陶瓷构件及其制备方法，所述制备方法绿色环保，采用的溶液不具有毒性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种带内腔结构的陶瓷构件的制备方法，包括：

(1)按照内腔结构制作可溶性型芯；

(2)制备注射喂料；

(3)将所述可溶性型芯放入模具中，并向模具中注入所述注射喂料，成型得到陶瓷毛坯；

(4)将所述陶瓷毛坯浸入溶解液中，所述溶解液与可溶性型芯发生反应，进而脱除可溶性型芯，得到坯体；

(5)将坯体进行干燥处理；

(6)将坯体进行烧成，得到成品。

作为上述技术方案的改进，所述可溶性型芯的材料选用极性的热塑性塑料。

作为上述技术方案的改进，所述可溶性型芯的材料选用聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或组合。

作为上述方案的改进，所述可溶性型芯的材料选用聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或组合。

作为上述方案的改进，所述型芯的材料选用聚苯乙烯。

作为上述方案的改进，所述溶解液为二氯甲烷、苯、二甲苯、乙二醇、桔子油中的一种或组合。

作为上述方案的改进，所述溶解液为桔子油，以使溶解液与注射喂料不发生溶胀。

作为上述方案的改进，所述可溶性型芯在溶解液中的溶解时间为12-60h。

作为上述方案的改进，向模具中注入注射喂料时，注射温度为110-180℃，压力为80-120MPa。

相应的，本发明还公开了一种带内腔结构的陶瓷构件，其采用上述的制备方法制得。

作为上述方案的改进，所述陶瓷构件的内腔的抗压强度为60-100MPa，精度控制在±0.03mm。

本发明提供一种带内腔结构的陶瓷构件的制备方法，其采用可溶解的型芯，同时采用注射成型法生产带内腔结构的陶瓷，具体如下：

1.本发明采用了注射成型的方法制备带有内腔结构的陶瓷，其工序周期短，方法简单，效率高，可以更好的进行批量化、标准化、精确化、自动化的生产；设备利用率高，产品基本不需要后续加工。

2.本发明采用可溶性型芯来完成内腔结构的成型，型芯随后通过溶液浸渍法去除，成型后的坯体内腔结构完整，尺寸精确，强度高，无需后期再加工，美观性强。

3.本发明采用可溶解的型芯，消除了传统注射成型方法中去除型芯的步骤，为各种内腔陶瓷的设计提供了极大的方便。

4.本发明采用了高强度的热塑性塑料作为型芯的材料，其性质稳定，具有强度高、耐高温的特点，可耐注射成型过程中的高温和高压，保障注射成型工艺顺利进行；而且，所述热塑性塑料可以加工为各种形状的型芯，满足复杂内腔的制作要求。

5.本发明采用合理的溶解液，在溶解型芯的同时又不与原料中的有机粘结剂发生反应或溶胀，保证陶瓷构件的内腔的尺寸和形状精准，避免发生裂纹。

6.本发明采用合理的溶解液，可在常温下很好的溶解型芯，实现型芯的完整脱除。

7.本发明中的溶解液无毒性，能够采用乙醇回收利用，符合绿色生产的理念。

附图说明

图1为本发明一种带内腔结构的陶瓷构件的制备方法的流程图。

图2为本发明陶瓷构件的剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种带内腔结构的陶瓷构件的制备方法，包括：

S101：按照内腔结构制作可溶性型芯；

根据所要制备的陶瓷构件的内腔结构，用极性热塑性塑料制备型芯。所述型芯的成型方法可以选用3D打印成型、注塑成型和等静压成型，但不限于此。其中，较为经济适用的方法是采用注塑法成型型芯，主要包括：将极性热塑性塑料加热到熔化温度后注射到模具，冷却后得到需要采用的型芯。型芯材料需要保证较高的光洁度，表面无披锋毛刺等缺陷，必要时可对型芯进行抛光处理。此外，部分型芯的形状可以非常复杂，这时可考虑采用3D打印的方法成型型芯。

本发明采用注射成型方式，陶瓷注塑的注射压力和注射温度都较高，因此对型芯具有较高的强度要求，同时也对型芯的耐热性有一定的要求，避免注射成型陶瓷构件时，型芯融化，影响陶瓷件。在本发明中，所述可溶性型芯材料选用极性的热塑性材料。优选的，可溶性的型芯材料选用聚氯乙烯，聚苯乙烯，丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物，聚四氟乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯。其统一的特点是具有较高的强度和玻璃化温度，可以保证产品的尺寸精度，且无溶解现象。优选的，本发明中热塑性材料为聚苯乙烯。聚苯乙烯材料具有很好的加工性，加工所得的型芯光滑无毛刺；且聚苯乙烯质地刚硬，力学性能优良，玻璃化温度较高，因此耐注射成型过程中温度和压力。进一步的，聚苯乙烯材料在本发明选择的溶解液具有较高的溶解度，能够快速实现脱除。充分考虑以上因素，聚苯乙烯是本发明型芯的较佳材料。

而且，在溶解型芯的过程中，为保证陶瓷毛坯的尺寸及质量，需避免原料中的有机粘结剂溶解或溶胀。一般来说，陶瓷注塑原料中通常选择非极性有机物作为粘结剂，因此本发明型芯的材质要选择极性有机物。

S102：制备注射喂料；

根据所需具有内腔结构陶瓷的用途以及性能要求选择适当的原料粉体，加入一定量的有机粘接剂后制备得到注射喂料。本发明不对注射喂料的具体组成成分做限制，本领域技术人员可根据所制备的带内腔结构的陶瓷构件的性能需求选定所需要的陶瓷原料；一种常见的粉体是混合有石蜡粘接剂或/和其他热塑性材料的氧化铝、氧化锆粉末。陶瓷粉体中的添加的有机物，一者需要良好的分布在陶瓷粉体之中，二者特别不能溶解型芯或者引起型芯表面凹痕以及粗糙。

S103：将所述可溶性型芯放入模具中，并向模具中注入所述注射喂料，成型得到陶瓷毛坯；

具体而言，此步骤包括：

3.1将所述可溶性型芯固定在模具中；

3.2将注射喂料在注射机中加热转变为粘稠性熔体；

3.3将熔体注入模具内；

3.4冷却，去除外模得到陶瓷毛坯；

本发明不对型芯的固定方式做具体限定，本领域技术人员可根据具体的陶瓷器件的形状、成型工艺等因素选择固定方式。优选的，可采用顶针帮助固定型芯。

其中，优选的，步骤3.2中注射温度为110-180℃；压力为80-120MPa。高速地将熔体注入到模具内，有助于保证坯体的致密度和成型的精度。

S104：将所述陶瓷毛坯浸入溶解液中，所述溶解液与可溶性型芯发生反应，进而脱除可溶性型芯，得到坯体；

优选的，所述溶解液选自：二氯甲烷、苯、二甲苯、乙二醇和桔子油中的一种或组合。由于在制备注射喂料时，采用了非极性的有机物，为了防止在溶解可溶性型芯过程中，坯体中的有机物发生溶解，故选择极性溶液如二氯甲烷、氯仿、甲苯、二甲苯或乙二醇等，其中，聚氯乙烯与丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物可溶解于二氯甲烷；聚苯乙烯可溶解于氯仿、甲苯和二甲苯中；聚对苯二甲酸乙二醇酯可溶解于乙二醇。采用上述溶解液，可以有效地溶解型芯，制得的陶瓷构件具有内腔结构，且所述内腔结构与目标形状结构的一致性达99％，精度高，强度高。

然而，这些溶解液仍存在以下的不足：一是溶液具有较高的毒性，不符合绿色工艺要求；二是上述溶液中对相应热塑性塑料的溶解度较低，溶解常需要较高的温度，和较长的时间；三是上述溶液在较长时间浸渍后，有可能会与原料中的有机物发生溶胀，导致坯体在排胶烧结过程产生裂纹。

进一步优选的，所述溶解液为桔子油，以使溶解液与注射喂料不发生溶胀。桔子油是桔子皮中的提取物，本身可用于香料、化妆品等产品中，无毒性。聚苯乙烯在桔子油中的溶解度非常高，可有效地去除聚苯乙烯型芯，更重要的是，桔子油不会与坯体中其他有机物发生反应，产生溶胀，可有效保证坯体的完整性。同时，桔子油可溶解于乙醇中，可实现回收；且桔子油可溶解石蜡，当注射喂料采用石蜡作为粘接剂时，桔子油可在溶解型芯的过程中同时脱除石蜡，节省后续工序。

所述溶解液与可溶性型芯发生反应，溶解时间为12-60h，缩短了工序周期，提高了生产效率。

S105：将坯体进行干燥处理；

具体的，采用加热或晾晒的方法进行干燥处理，但不限于此。

S106：将坯体进行排胶处理；

具体的，所述排胶处理可以采用萃取或者加热的方法进行，但不限于此。优选的，采用加热的方法进行排胶，具体是将干燥后的坯体放入排胶炉中按照特定的排胶曲线进行排胶，排胶方法采用现有技术即可。

当注射喂料中采用石蜡作为粘接剂时，石蜡可溶解于桔子油中，不需要再进行专门的排胶处理，减少工序，有利于生产。也就是说，本发明可以不设有步骤S106，其并非本发明必要步骤。

S107：将坯体进行烧成，得到成品；

相应的，本发明还公开了一种采用上述制备方法制得的带内腔结构的陶瓷构件，所述陶瓷构件的内腔抗压强度为60-100MPa，精度控制在±0.03mm。

一方面，注射喂料的工艺保障了陶瓷构件的高精度与高抗压强度，另一方面，由于合理的溶解液的选择，使得去除型芯的过程中不发生溶胀，坯体尺寸不发生变化，保障了较高的精度。

下面以一具体的陶瓷阀芯的制作过程说明本发明的带内腔结构的陶瓷构件的制备方法。图2示出了采用本发明方法生产的陶瓷构件的剖面图，所述陶瓷构件包括内腔结构1，与内腔结构相连通的注射通道2，与内腔结构相连通的固定通道3，所述注射通道2与固定通道3均与外界连通。其中，注射通道2可以设有一个或多个，用于注射喂料；而固定通道3可以设有一个或多个，用于利用顶针来固定型芯。

下面以具体实施例来进一步阐述本发明

实施例1

(1)根据内腔结构1的形状采用聚氯乙烯用注塑成型法制备型芯；成型后根据其表面情况可选择进行适当的抛光，得到具有较高光洁度和无披锋毛刺的型芯；

(2)将氧化铝粉末与石蜡混合，造粒得到注射粉料；

(3)将型芯放入到模具中并通过顶针将型芯固定；将注射粉料在注射机中加热转变为粘稠性熔体；并在110℃、80MPa压力的工况下注入模具；冷却，去除外模得到陶瓷毛坯；

(4)在陶瓷毛坯冷却后浸入到二氯甲烷中，溶解脱除聚氯乙烯型芯，40h后从溶液中取出得到坯体；

(5)将坯体放置在通风位置风干；

(6)将干燥后坯体转移至排胶炉中进行排胶；

(7)将排胶后的坯体转移至烧结炉中进行烧结；得到成品。

实施例2

(1)根据内腔结构1的形状采用聚苯乙烯用注塑成型法制备型芯；成型后根据其表面情况可选择进行适当的抛光，得到具有较高光洁度和无披锋毛刺的型芯；

(2)将氧化铝粉末与石蜡混合，造粒得到注射粉料；

(3)将型芯放入到模具中并通过顶针将型芯固定；将注射粉料在注射机中加热转变为粘稠性熔体；并在150℃、100MPa压力的工况下注入模具；冷却，去除外模得到陶瓷毛坯；

(4)在陶瓷毛坯冷却后浸入到甲苯中，溶解脱除聚苯乙烯型芯，55h后从溶液中取出得到坯体；

(5)将坯体放置在置入烘箱在50℃下烘干；

(6)将烘干后坯体转移至排胶炉中进行排胶；

(7)将排胶后的坯体转移至烧结炉中进行烧结；得到成品。

实施例3

(1)根据内腔结构1的形状采用聚苯乙烯用注塑成型法制备型芯；成型后根据其表面情况可选择进行适当的抛光，得到具有较高光洁度和无披锋毛刺的型芯；

(2)将氧化铝粉末与石蜡混合，造粒得到注射粉料；

(3)将型芯放入到模具中并通过顶针将型芯固定；将注射粉料在注射机中加热转变为粘稠性熔体；并在150℃、110MPa压力的工况下注入模具；冷却，去除外模得到陶瓷毛坯；

(4)在陶瓷毛坯冷却后浸入到桔子油中，溶解脱除聚苯乙烯型芯，同时将坯体中的石蜡溶解；48h后从溶液中取出得到坯体；

(5)将坯体放置在通风位置风干；

(6)将干燥后的毛坯转移至烧结炉中进行烧结；得到成品。

实施例4

(1)根据内腔结构1的形状采用聚对苯二甲酸乙二醇酯用注塑成型法制备型芯；成型后根据其表面情况可选择进行适当的抛光，得到具有较高光洁度和无披锋毛刺的型芯；

(2)将氧化铝粉末与石蜡以及邻苯二甲酸甲酯混合，造粒得到注射粉料；

(3)将型芯放入到模具中并通过顶针将型芯固定；将注射粉料在注射机中加热转变为粘稠性熔体；并在150℃、120MPa压力的工况下注入模具；冷却，去除外模得到陶瓷毛坯；

(4)在陶瓷毛坯冷却后浸入到乙二醇中，并加热至80℃5，溶解脱除型芯，,60h后从溶液中取出得到坯体；

(5)将坯体放置在通风位置风干；

(6)将干燥后坯体转移至排胶炉中进行排胶；

(7)将排胶后的坯体转移至烧结炉中进行烧结；得到成品。

实施例5

(1)根据内腔结构1的形状采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物用注塑成型法制备型芯；成型后根据其表面情况可选择进行适当的抛光，得到具有较高光洁度和无披锋毛刺的型芯；

(2)将氧化铝粉末与石蜡混合，造粒得到注射粉料；

(3)将型芯放入到模具中并通过顶针将型芯固定；将注射粉料在注射机中加热转变为粘稠性熔体；并在150℃、110MPa压力的工况下注入模具；冷却，去除外模得到陶瓷毛坯；

(4)在陶瓷毛坯冷却后浸入到二氯甲烷中，并加热至100℃，溶解脱除丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物型芯，60h后从溶液中取出得到坯体；

(5)将坯体放置在通风位置风干；

(6)将干燥后坯体转移至排胶炉中进行排胶；

(7)将排胶后的坯体转移至烧结炉中进行烧结；得到成品。

实施例6

(1)根据内腔结构1的形状采用聚苯乙烯用注塑成型法制备型芯；成型后根据其表面情况可选择进行适当的抛光，得到具有较高光洁度和无披锋毛刺的型芯；

(2)将氧化铝粉末与石蜡混合，造粒得到注射粉料；

(3)将型芯放入到模具中并通过顶针将型芯固定；将注射粉料在注射机中加热转变为粘稠性熔体；并在180℃、120MPa压力的工况下注入模具；冷却，去除外模得到陶瓷毛坯；

(4)在陶瓷毛坯冷却后浸入到桔子油中，溶解脱除聚苯乙烯型芯，同时将坯体中的石蜡溶解；24h后从溶液中取出得到坯体；

(5)将坯体放置在通风位置风干；

(6)将干燥后的毛坯转移至烧结炉中进行烧结；得到成品。

将实施例1-6中的带内腔结构的陶瓷构件做检测，其结果如下表：

综上，本发明制备的带内腔结构陶瓷构件，其精度可控制在±0.03mm内，不需要后期的精加工。成品的内腔耐压≥65MPa，与其它成型工艺相比，其性能提高了将近60％。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带内腔结构的陶瓷构件的制备方法，其特征在于，包括：

(1)按照内腔结构制作可溶性型芯；

(2)制备注射喂料；

(3)将所述可溶性型芯放入模具中，并向模具中注入所述注射喂料，成型得到陶瓷毛坯；

(4)将所述陶瓷毛坯浸入溶解液中，所述溶解液与可溶性型芯发生反应，进而脱除可溶性型芯，得到坯体；

(5)将坯体进行干燥处理；

(6)将坯体进行烧成，得到成品。

2.如权利要求1所述的带内腔结构的陶瓷构件的制备方法，其特征在于，所述可溶性型芯的材料选用极性的热塑性塑料。

3.如权利要求2所述的带内腔结构的陶瓷构件的制备方法，其特征在于，所述可溶性型芯的材料选用聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或组合。

4.如权利要求3所述的带内腔结构的陶瓷构件的制备方法，其特征在于，所述型芯的材料选用聚苯乙烯。

5.如权利要求1所述的带内腔结构的陶瓷构件的制备方法，其特征在于，所述溶解液为二氯甲烷、苯、二甲苯、乙二醇、桔子油中的一种或组合。

6.如权利要求5所述的带内腔结构的陶瓷构件的制备方法，其特征在于，所述溶解液为桔子油，以使溶解液与注射喂料不发生溶胀。

7.如权利要求5或6所述的带内腔结构的陶瓷构件的制备方法，其特征在于，所述可溶性型芯在溶解液中的溶解时间为12-60h。

8.如权利要求1所述的带内腔结构的陶瓷构件的制备方法，其特征在于，向模具中注入注射喂料时，注射温度为110-180℃，压力为80-120MPa。

9.一种带内腔结构的陶瓷构件，其特征在于，其采用如权利要求1-8任一项所述的制备方法制得。

10.如权利要求9所述的带内腔结构的陶瓷构件，其特征在于，所述陶瓷构件的内腔的抗压强度为60-100MPa，精度控制在±0.03mm。