CN109626995A - 一种陶瓷注射喂料和陶瓷件加工方法 - Google Patents

一种陶瓷注射喂料和陶瓷件加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷注射喂料和陶瓷件加工方法。所述陶瓷注射喂料包括：陶瓷粉体，所述陶瓷粉体在加工喂料中的含量为80％‑93％；有机粘结剂，所述有机粘结剂在加工喂料中的含量为7％‑20％；所述有机粘结剂包括可碱溶液催化的聚合物；所述可碱溶液催化的聚合物包括聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸、聚碳酸亚丙酯、聚己内酯、聚乙烯醇中的一种或多种。本发明的一个技术效果在于减少陶瓷注射喂料在催化脱脂后产生的有害物质。

Description

一种陶瓷注射喂料和陶瓷件加工方法
技术领域
本发明属于陶瓷材料技术领域，具体地，本发明涉及一种陶瓷注射喂料和陶瓷件的加工方法。
背景技术
陶瓷注射成型(CIM)是一种从粉末注射成型技术(PIM)发展起来的新型陶瓷成型技术，其基本工艺过程是将陶瓷粉末制粒成陶瓷喂料，之后再将陶瓷喂料注入模腔后冷却成型，在经过脱脂处理将非陶瓷的辅助材料脱去后，最后经高温烧结得到最终的陶瓷产品。与陶瓷的其他成型方法相比，陶瓷注射成型具有一次性成型复杂形状的产品、产品尺寸精度高、易于实现批量化生产、生产成本低等优点。其中喂料的制备是陶瓷注射成型中关键的工艺过程，喂料的好坏将直接影响后续工艺的进行和最终产品的性能。
现在应用广泛的CIM喂料体系主要分为塑基和蜡基，塑基体系主要是以聚甲醛为主粘结剂，这种体系的喂料在催化脱脂过程中聚甲醛会分解释放出对人体和环境具有严重危害性的甲醛气体。而蜡基体系主要是以低熔点的蜡为主，但是这种体系的喂料因含有较多低熔点的蜡等有机物，混料时易出现分解挥发的现象。而且，喂料的保形性差，易产生相分离，喂料自身的性能不稳定。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种陶瓷注射喂料的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种陶瓷注射喂料，包括：
陶瓷粉体，所述陶瓷粉体在加工喂料中的含量为80％-93％；
有机粘结剂，所述有机粘结剂在加工喂料中的含量为7％-20％；
所述有机粘结剂包括可碱溶液催化的聚合物；
所述可碱溶液催化的聚合物包括聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸、聚碳酸亚丙酯、聚己内酯、聚乙烯醇中的一种或多种。
可选地，所述可碱溶液催化的聚合物包括高分子聚合物和低分子聚合物，所述高分子聚合物的相对分子量的范围为5万-50万；
所述低分子聚合物的分子量的范围为5000-5万。
可选地，所述高分子聚合物在所述有机粘结剂中的含量为30％-60％，所述低分子聚合物在所述有机粘结剂中的含量为20％-50％。
可选地，所述有机粘结剂中还包括高熔点聚合物，高熔点聚合物的熔点范围为140-200摄氏度，所述高熔点聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的至少一种。
可选地，所述有机粘结剂中还包括低熔点有机物，所述低熔点有机物的熔点范围为50-120摄氏度，所述低熔点有机物包括氧化聚乙烯蜡、石蜡、微晶蜡、蜂蜡中的至少一种。
可选地，所述高熔点聚合物在所述有机粘结剂中的含量为2％-10％。
可选地，所述低熔点有机物在所述有机粘结剂中的含量为5％-15％。
可选地，所述有机粘结剂还包括增塑剂，所述增塑剂在所述有机粘结剂中的含量为5％-15％，所述增塑剂包括聚乙二醇、柠檬酸三丁酯、亚磷酸三苯酯、癸二酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异辛酯中的至少一种。
可选地，所述有机粘结剂中还包括表面活性剂，所述表面活性剂在所述有机粘结剂中的含量为5％-15％，所述表面活性剂包括硬脂酸、油酸、十八烷酸、月桂酸、十二烷基磺酸钠中的至少一种。
可选地，所述陶瓷粉体为氧化锆陶瓷粉体，所述氧化锆陶瓷粉体的粒径大小范围为0.5-10微米。
根据本发明的另一方面，还提供了一种陶瓷件的加工方法，其特征在于，包括：
提供陶瓷粉体和有机粘结剂，所述有机粘结剂中包括可碱溶液催化的聚合物，可碱溶液催化的聚合物包括聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸、聚碳酸亚丙酯、聚己内酯、聚乙烯醇中的一种或多种；
在高于有机粘结剂的熔融温度的环境下，将所述陶瓷粉体与有机粘结剂混合，并造粒得到陶瓷注射喂料；
将陶瓷注射喂料注塑成型呈预定产品的预制件，之后采用碱性溶液对预制件进行催化脱脂；
对预制件进行烧结制成陶瓷件。
可选地，所述碱性溶液为含量0.5％-5％的氢氧化钠溶液和/或含量0.5％-5％的氢氧化钾溶液，预制件在碱性溶液中催化脱脂的时间为10-24小时。
根据本公开的一个实施例，本发明的陶瓷注射喂料采用可碱溶液催化的聚合物，在经过催化脱脂工艺后不会产生对环境有害的物质。
通过对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
具体实施方式
以下详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
本发明提供了一种陶瓷注射喂料，该陶瓷注射喂料包括陶瓷粉体和有机粘结剂，陶瓷粉体作为陶瓷注射喂料的主要材料，其在陶瓷注射喂料中的含量为80％-93％，有机粘结剂则起到将陶瓷粉体粘合、保持粘稠度的作用，其与陶瓷粉体混合形成具有一定定型能力的陶瓷注射喂料。所述有机粘结剂在陶瓷注射喂料中的含量为7％-20％。上述陶瓷粉体和有机粘结剂的含量是本发明的优选范围，含量在上述范围内时，能保证喂料具有良好的保型性能和材料稳定性。
在其它实施方式中，根据实际应用需求的不同，还可以对陶瓷粉体和有机粘结剂的含量进行改变。
所述有机粘结剂中包括可碱溶液催化的聚合物。可碱溶液催化的聚合物包括聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸、聚碳酸亚丙酯、聚己内酯、聚乙烯醇中的一种或者两种或两种以上聚合物的混合物。这种聚合物在能够起到粘合陶瓷粉体的作用的基础上，在后续进行脱脂工艺时，能够通过碱溶液的浸泡、清洗而从陶瓷注射喂料中脱出。
本发明提供的陶瓷注射喂料的优点在于，有机粘结剂采用了可碱性溶液催化分解的聚合物。在进行脱脂工艺时，大部分粘接剂经碱性溶液的清洗后分解脱离，不会产生严重危害人体健康或严重影响环境的废料。本发明提供的陶瓷注射喂料属于环境友好型的陶瓷注射喂料。
优选地，所述可碱溶液催化的聚合物包括高分子聚合物和低分子聚合物两种类型的聚合物材料。其中高分子聚合物的相对分子量的范围为5万 -50万，低分子聚合物的相对分子量的范围为5000-5万。
所述高分子聚合物在所述有机粘结剂中起到提高粘接剂的粘接性能的作用，其能够对陶瓷粉料起到定性、支撑的作用，从而使粘接剂能够与陶瓷粉体混合形成具有一定粘稠度的喂料。在喂料经过注塑成型形成产品的预制件后，在对预制件进行脱脂处理时，由于高分子聚合物的分子量较大，因此少部分的高分子聚合物不会完全分解脱离预制件，从而仍然对已经成型成特定形状的预制件起到支撑、定形保形的作用。
所述低分子聚合物在有机粘结剂中起到提高陶瓷注射喂料的塑形和流动性的作用，使得制成的陶瓷注射喂料具有一定塑形和流动性。由于在后续的加工工艺中，需要将陶瓷注射喂料注塑到模具中，从而形成具有预定形状的预制件。在这个注塑过程中，要求塑胶注射喂料具有良好的流动性和可塑性，这样才能保证陶瓷注射喂料能够充满型腔，提高制成的预制件的形状完成度。另一方面，所述低分子聚合物更容易被分解，在经过碱性溶液的催化脱脂工艺时，低分子聚合物会被分解、从预制件中脱出。低分子聚合物的催化效率更高，能够促进有机粘结剂从预制件中脱出。
本发明所述的高分子聚合物和低分子聚合物均可以采用聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸、聚碳酸亚丙酯、聚己内酯、聚乙烯醇中的一种或多种。用相同或相似材料形成的高分子聚合物与低分子聚合物之间具有更高的相容性。相应地，制成的有机粘结剂的性能也更稳定，进而能够使制成的陶瓷注射喂料更均匀，流动性、定型能力更稳定。
在本发明的优选实施方式中，所述高分子聚合物在有机粘结剂中的含量为30％-60％，所述低分子聚合物在有机粘结剂中的含量为20％-50％。高分子聚合物在有机粘结剂中的含量较高会使有机粘结剂的粘接性能更强，相应地，在进行催化脱脂工艺时，会有更多高分子聚合物残留在预制件中，会对制成的陶瓷产品的结构和性能造成一定影响。低分子聚合物在有机粘结剂中的含量较高会使有机粘结剂的流动性、塑形更好，有机粘结剂的粘接性能会相应下降。另一方面，有机粘结剂也在催化脱脂工艺中更容易从预制件中去除。在本发明以上提供的优选含量范围中，能够使有机粘结剂既具有良好的粘接性能，又具有良好的流动性和塑性，以使制成的陶瓷注射喂料具有良好的注塑成型性能。在其它实施方式中，也可以将低分子聚合物或高分子聚合物的含量调配至超出上述优选含量。
优选地，高分子聚合物和低分子聚合物在有机粘结剂中的总含量在 60％-80％。有机粘结剂中具有较高含量的高分子聚合物和低分子聚合物能够有效提高粘接性能。
优选地，所述有机粘结剂中还可以包括高熔点聚合物，所述高熔点聚合物采用与可碱溶液催化的聚合物不同的聚合物材料。通常地，所述高熔点聚合物的熔点范围在140-200摄氏度。例如，所述高熔点聚合物可以采用聚甲基丙烯酸甲酯，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的一种或多种材料制成。所述高熔点聚合物在有机粘结剂中起到辅助提高保型性能的作用，提高制成的预制件的保型能力，避免预制件出现变形、塌陷的情况。另一方面，采用不同与可碱性溶液催化的聚合物不同的材料作为高熔点聚合物，在进行催化脱脂工艺时，高熔点聚合物不易从预制件中脱离，仍能够为预制件提供保型的作用。
优选地，所述高熔点聚合物在所述有机粘结剂中的含量优选为 2％-10％。如果高熔点聚合物的含量过低，有可能无法对由陶瓷注射喂料制成的预制件提供良好的保型作用。如果高熔点聚合物的含量相对较高，其能够起到更好的保型性能，但是在经过催化脱脂工艺后在预制件中的残留量相对较大，有可能影响最终制成的陶瓷产品的结构性能。本发明并不限制所述高熔点聚合物在有机粘结剂中的含量必须符合上述含量范围。
优选地，所述有机粘结剂中还可以包括低熔点有机物，通常地，所述低熔点有机物的熔点范围为50-120摄氏度。例如，所述低熔点有机物可以采用氧化聚乙烯蜡、石蜡、微晶蜡、蜂蜡中的一种或多种材料。所述低熔点有机物在有机粘结剂中能够起到提高流动性的作用，进而提高陶瓷注射喂料的可塑性。在将陶瓷注射喂料充入注塑模具时，喂料能够更好的充满注塑型腔，提高预制件以及最终陶瓷产品的形状完整性。低熔点有机物的熔点相对较低且更容易分解，即使在后续的催化脱脂工艺中无法使其分解脱离预制件，也可以后续通过加热或者对预制件进行烧结加工时将低熔点有机物脱出。
优选地，所述低熔点有机物在所述有机粘结剂中的含量优选为 5％-15％。如果低熔点有机物的含量过低，则无法起到增加流动性和塑性的作用。如果低熔点有机物的含量相对较高，则有可能影响有机粘结剂的粘接性能、降低保型性。
可选地，所述有机粘结剂中还可以包括增塑剂。所述增塑剂用于增加有机粘结剂的流动性，进而提高陶瓷注射喂料的塑性。所述增塑剂会在一定程度上降低有机粘结剂的粘接性能。优选地，所述增塑剂在有机粘结剂中的含量为优选为5％-15％，增塑剂在上述含量范围内能够有效发挥增加流动性的特点，而且避免严重影响有机粘结剂的粘接性能。
可选地，所述增塑剂可以包括聚乙二醇、柠檬酸三丁酯、亚磷酸三苯酯、癸二酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异辛酯中的一种或多种材料。
可选地，所述有机粘结剂中还可以包括表面活性剂。所述表面活性剂能够对所述陶瓷粉体起到润湿的作用，提高陶瓷粉体与有机粘结剂的混合均匀性，从而使陶瓷注射喂料能够表现出更均匀的流动性、塑性等性能，促使最终制成的陶瓷产品的结构稳定性更高。另一方面，所述表面活性剂也能够起到增加保型性的作用，降低预制件变形、塌陷的风险。
优选地，所述表面活性剂在所述有机粘结剂中的含量为5％-15％。如果所述表面活性剂的含量过高，会出现影响有机粘结剂的流动性的情况。可选地，所述表面活性剂可以包括硬脂酸、油酸、十八烷酸、月桂酸、十二烷基磺酸钠中的至少一种。
在一种可选的实施方式中，所述陶瓷粉体采用氧化锆陶瓷粉体，由氧化锆陶瓷粉体制成的陶瓷产品具有良好的结构强度和硬度。在其它实施方式中，也可以采用其它材料作为所述陶瓷粉体。
优选地，所述氧化锆陶瓷粉体的颗粒粒径大小的范围为0.5-10微米。若所述氧化锆陶瓷粉体的颗粒粒径相对较小，则氧化锆陶瓷粉体与有机粘结剂之间能够混合的更均匀，但是，一方面加工难度较大，另一方面会影响到成型后的预制件以及产品的结构强度。而如果氧化锆陶瓷粉体的颗粒粒径相对较大，则会影响陶瓷注射喂料的流动性和塑性，增大注塑成型的工艺难度，另一方面，也会影响到颗粒之间的粘接强度，对最终陶瓷产品的结构强度造成影响。氧化锆粉体的颗粒粒径优选在上述范围内。
本发明还提供了一种陶瓷件的加工方法。该加工方法包括：
提供陶瓷粉体和有机粘结剂。有机粘结剂中包括可碱溶液催化的聚合物，可碱溶液催化的聚合物包括聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸、聚碳酸亚丙酯、聚己内酯、聚乙烯醇中的一种或者多种。
在高于有机粘结剂的熔融温度的环境下，对陶瓷粉体和有机粘结剂进行混合。环境温度在有机粘结剂的熔融温度之上，能够使有机粘结剂具有良好的流动性，从而使陶瓷粉体和有机粘结剂能够充分、均匀的混合。将混合后的材料挤出造粒，制成陶瓷注射喂料。
将陶瓷注射喂料注塑充入模具中，从而形成预定产品的预制件。该预制件具有与最终产品相同或相近的形状。之后，采用碱性溶液对预制件进行催化脱脂，将有机粘结剂从预制件中脱出，留下由陶瓷粉体构成的结构。
在催化脱脂工艺中，本发明优选采用的可碱溶液催化的聚合物经过碱性溶液清洗脱出，不会产生危害人体或环境的废料，从而减少加工工艺的危险性和环境污染。本发明提供的加工方法是一种环境友好型陶瓷加工方法。
最后，对经过脱脂的预制件进行烧结加工，制成最终的陶瓷件。
可选地，所述碱性溶液为含量0.5％-5％的氢氧化钠溶液，和/或含量 0.5％-5％的氢氧化钾溶液。催化脱脂工艺可以是将预制件浸泡于碱性溶液中进行脱脂。可选地，浸泡催化脱脂的时间为10-24小时。
可选地，在所述有机粘结剂中包含了高分子聚合物、低分子聚合物、高熔点聚合物、低熔点有机物的实施方式中，混合制成陶瓷注射喂料的工艺步骤可以采用以下优选方式。
采用密炼机对上述材料进行混合，首先可以将密炼机中的温度升至相对较高的温度，例如160-190摄氏度。在这一温度范围，高分子聚合物和高熔点聚合物能够处在熔融状态。现将高分子聚合物和高熔点聚合物加入密炼机，将两者混炼5-15分钟。在保持密炼机中的温度的情况下，将陶瓷粉体加入密炼机内，将陶瓷粉体与高分子聚合物和高熔点聚合物进行混炼，混炼时间在10-20分钟。
之后，将密炼机中的温度降低到100-150摄氏度，再讲低分子聚合物和低熔点有机物加入密炼机中进行混炼。混炼时间在20-50分钟，以使低分子聚合物和低熔点有机物充分混入其它材料，有效提高材料的流动性和塑性。
最后，对混炼后的材料进行挤出造粒加工，形成颗粒状的陶瓷注射喂料。挤出造粒时的温度可以在100-130摄氏度，以保证材料具有良好的流动性和变形能力。
可选地，如果需要向材料中加入表面活性剂、塑性剂等助剂，可以在密炼机的温度降至100-150摄氏度时，与低分子聚合物和低熔点有机物一通加入密炼机中进行混炼。在温度相对较低的情况下加入表面活性剂、塑性剂等助剂，能够使助剂的性能有效发挥，并且避免高温对助剂造成破坏。
可选地，所述陶瓷粉体可以分为2-3次逐渐将全部用料加入密炼机中与聚合物混合。分批次加入陶瓷粉体能够有效提高陶瓷粉体与聚合物的混合均匀程度，提高陶瓷注射喂料的性能均一程度。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种陶瓷注射喂料，其特征在于，包括：
陶瓷粉体，所述陶瓷粉体在加工喂料中的含量为80％-93％；
有机粘结剂，所述有机粘结剂在加工喂料中的含量为7％-20％；
所述有机粘结剂包括可碱溶液催化的聚合物；
所述可碱溶液催化的聚合物包括聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸、聚碳酸亚丙酯、聚己内酯、聚乙烯醇中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的陶瓷注射喂料，其特征在于，所述可碱溶液催化的聚合物包括高分子聚合物和低分子聚合物，所述高分子聚合物的相对分子量的范围为5万-50万；
所述低分子聚合物的分子量的范围为5000-5万。
3.根据权利要求2所述的陶瓷注射喂料，其特征在于，所述高分子聚合物在所述有机粘结剂中的含量为30％-60％，所述低分子聚合物在所述有机粘结剂中的含量为20％-50％。
4.根据权利要求1所述的陶瓷注射喂料，其特征在于，所述有机粘结剂中还包括高熔点聚合物，高熔点聚合物的熔点范围为140-200摄氏度，所述高熔点聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的陶瓷注射喂料，其特征在于，所述有机粘结剂中还包括低熔点有机物，所述低熔点有机物的熔点范围为50-120摄氏度，所述低熔点有机物包括氧化聚乙烯蜡、石蜡、微晶蜡、蜂蜡中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的陶瓷注射喂料，其特征在于，所述高熔点聚合物在所述有机粘结剂中的含量为2％-10％。
7.根据权利要求5所述的陶瓷注射喂料，其特征在于，所述低熔点有机物在所述有机粘结剂中的含量为5％-15％。
8.根据权利要求1所述的陶瓷注射喂料，其特征在于，所述有机粘结剂还包括增塑剂，所述增塑剂在所述有机粘结剂中的含量为5％-15％，所述增塑剂包括聚乙二醇、柠檬酸三丁酯、亚磷酸三苯酯、癸二酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异辛酯中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的陶瓷注射喂料，其特征在于，所述有机粘结剂中还包括表面活性剂，所述表面活性剂在所述有机粘结剂中的含量为5％-15％，所述表面活性剂包括硬脂酸、油酸、十八烷酸、月桂酸、十二烷基磺酸钠中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的陶瓷注射喂料，其特征在于，所述陶瓷粉体为氧化锆陶瓷粉体，所述氧化锆陶瓷粉体的粒径大小范围为0.5-10微米。
11.一种陶瓷件的加工方法，其特征在于，包括：
提供陶瓷粉体和有机粘结剂，所述有机粘结剂中包括可碱溶液催化的聚合物，可碱溶液催化的聚合物包括聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸、聚碳酸亚丙酯、聚己内酯、聚乙烯醇中的一种或多种；
在高于有机粘结剂的熔融温度的环境下，将所述陶瓷粉体与有机粘结剂混合，并造粒得到陶瓷注射喂料；
将陶瓷注射喂料注塑成型呈预定产品的预制件，之后采用碱性溶液对预制件进行催化脱脂；
对预制件进行烧结制成陶瓷件。
12.根据权利要求11所述的陶瓷件的加工方法，其特征在于，所述碱性溶液为含量0.5％-5％的氢氧化钠溶液和/或含量0.5％-5％的氢氧化钾溶液，预制件在碱性溶液中催化脱脂的时间为10-24小时。
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