CN110903810A - 一种亲水非油性无水陶瓷材料悬浮剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种亲水非油性无水陶瓷材料悬浮剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂，所述陶瓷材料悬浮剂由以下组分的原料组成：1）非水含多极性有机分子且能与水混溶的溶剂；2）促进陶瓷材料表面水合的水合催化剂；3）防锈剂；4）亲水性悬浮剂；且所述陶瓷材料悬浮剂pH值为7.0‑11.0。本发明的陶瓷材料悬浮剂，使陶瓷材料具有高悬浮性能、高流动性、无分层等优异性能，从而在研磨时可以有效降低硬质陶瓷表面的硬度，降低研磨工艺所需压力，达到减少被研磨材料表面深度损伤的目的。本发明还公开了一种亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂的制备方法和应用。

Description

一种亲水非油性无水陶瓷材料悬浮剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及陶瓷材料悬浮剂的技术领域，特别涉及一种普遍适用于各种硬质陶瓷材料的亲水非油性无水悬浮剂及其制备方法和应用。
背景技术
当前市场上的硬质脆性材料的超精密加工多采用硬质陶瓷研磨材料与水介质以及悬浮剂进行配制,其基本原理就是通过有效的分散剂将硬质研磨剂材料分散在水介质中，通过研磨剂与被研磨材料表面的机械摩擦去除硬质材料表面的损伤层以达到研磨目的。传统研磨过程采用合成高分子的悬浮剂，以改善大颗粒硬质研磨剂在研磨过程中的悬浮性能。但是硬质研磨剂在使用过程中导致合成高分子的长链结构被破坏，在研磨液循环使用过程中，研磨剂的悬浮性能由于悬浮剂的结构破坏而不断恶化，降低研磨剂的使用效率同时导致被研磨物质表面的严重划伤。
本发明目的在于引入化学机械平化中的化学原理，通过催化剂增强机械摩擦过程中的化学水合过程，降低硬质材料表面的硬度，提高表面研磨效率，减少深度表面损伤，增长研磨剂的使用寿命，配制出一种悬浮性能高，流动性好，长期储存不分层的陶瓷材料悬浮剂。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足之处，本发明的主要目的在于提供一种亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂及其制备方法，以解决现有技术中陶瓷材料悬浮性能低、流动性差、易分层等问题，从而在研磨时可以有效降低硬质陶瓷表面的硬度，降低研磨工艺所需压力，达到减少被研磨材料表面深度损伤的目的。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂，所述陶瓷材料悬浮剂由以下组分的原料组成：
1）非水含多极性有机分子且能与水混溶的溶剂；
2）促进陶瓷材料表面水合的水合催化剂；
3）防锈剂；
4）亲水性悬浮剂；
且所述陶瓷材料悬浮剂 pH值为7.0-11.0。
优选的，所述原料中各组分在悬浮剂中质量百分比为：溶剂5-50%，水合催化剂0.01-25%，防锈剂1-35%，悬浮剂0.5-20%。
优选的，所述溶剂为乙二醇、丙二醇、聚乙二醇、乙二醇-丙二醇共聚物、甘油、醇胺类化合物中的至少一种。
优选的，所述水合催化剂为含有极性基团的有机化合物。
优选的，所述水合催化剂为含有氮和/或氧基团的有机化合物或聚合物。
优选的，所述防锈剂选自亚硝酸盐，焦磷酸盐，乙二胺四甲叉膦酸盐中的一种或其混合物。
优选的，所述亲水性悬浮剂选自聚丙烯酸树脂、改性纤维素酯、多羟基聚合树脂、膨化蒙脱土、硅酸铝膨润土、羟丙基瓜尔胶、羟乙基纤维素的一种或多种的组合。
所述改性纤维素酯为羧酸盐功能化改性纤维素酯或高羟基含量改性纤维素酯。
相应的、一种如上述的亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂的制备方法，其包括以下步骤：
S1：将陶瓷材料表面水合催化剂、防锈剂、悬浮剂置于溶剂中，搅拌混合均匀，得到悬浮剂混合液；
S2：用pH调节剂将步骤S1得到的悬浮剂混合液的pH值调至7.0-11.0，得到所述陶瓷材料悬浮剂。
更进一步地、所述pH调节剂为二乙烯三胺、四甲基氢氧化胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇胺、三异丙醇胺、羟乙基乙二胺和二乙胺中的至少一种。
相应地、应用如上述的亲水非油性非水性陶瓷材料悬浮剂，将悬浮剂分散于去离子水中，并加入氧化铝、碳化硅、碳化硼、氧化锆或稀土氧化物等陶瓷材料中的至少一种物质，搅拌均匀后，得到研磨液分散体系，所述悬浮剂的用量占研磨液重量的3.5-8.5%。
本发明的有益效果：
提高研磨效率，降低研磨陶瓷表面的划伤。
本发明利用表面水合催化剂加速陶瓷表面水合过程，减弱陶瓷表面化学键强度，不需要很强的机械摩擦力就可以快速研磨，从而达到提高研磨效率，降低研磨陶瓷表面的划伤，延长研磨剂使用寿命的效果。
本发明通过聚丙烯酸树脂、改性纤维素酯、多羟基聚合树脂、膨化蒙脱土等亲水性悬浮剂，使陶瓷材料均匀分散在悬浮剂中，且不易分层。
本发明采用乙二醇、丙二醇、聚乙二醇、乙二醇-丙二醇共聚物、甘油、醇胺类化合物等非水含多极性有机分子作为悬浮剂溶剂的同时，还为化学水合反应过程提供了更多的活性位点，从而协同水合催化剂进一步降低硬质材料表面的硬度，提高研磨效率，降低研磨陶瓷表面的划伤。
本发明的亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂，其不含水，为亲水非油性体系，针对陶瓷材料其悬浮性能强，长期存储不分层，便于使用。
将本发明的陶瓷材料悬浮剂均匀分散在去离子水中，并添加至磨料中，混合均匀后，不易分层，可进行长期多次循环利用，其分散稳定性能良好。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
实施例1
制备一份如下硬质陶瓷悬浮剂：在500g乙二醇溶剂中加入二乙醇胺150g、三乙醇胺150g，搅拌均匀，加入乙二胺四甲叉膦酸钠200g，硅酸铝膨润土180g，搅拌均匀,最后用四甲基氢氧化胺将pH 调到 9.0，供碳化硼悬浮使用。
该悬浮剂储存3个月不分层。
实施例2
在7kg纯水中分别加入0.0kg、0.3kg、0.5kg、0.8kg以及0.9kg实施例1制备得到的陶瓷材料悬浮剂，搅拌均匀，标记为2a、2b、2c、2d以及2e。 在上述液体中加入2.5kg240目碳化硼，搅拌均匀，得到含碳化硼的2a、2b、2c、2d以及2e研磨液。
将样品含碳化硼的2a、2b、2c、2d以及2e研磨液在相同测试条件下，分别静置２小时、12小时、24小时、72小时、168小时，观察研磨液分散体系是否从上至下分层为水层、分散层、沉淀层，记录分散层的分散情况，其悬浮效果如表1所示：
表1 研磨液的悬浮测试结果
2a 2b 2c 2d 2e
2小时 20%分层 无分层 无分层 无分层 无分层
12小时 50%分层 无分层 无分层 无分层 10%分层
24小时 完全分层 10%分层 无分层 无分层 20%分层
72小时 完全分层 20%分层 无分层 无分层 80%分层
168小时 完全分层 80%分层 60%分层 50%分层 完全分层
将所制样品在圣高双面研磨机上研磨。其测试条件如下：下压：1 psi，上、下盘转速分别为23和20RPM，研磨液流速：1000 ml/分钟，研磨盘材料：球墨铸铁600；研磨时间10分钟，每次研磨120片2”蓝宝石晶片。 2”C-面蓝宝石线切割晶片用于研磨测试。
所述样品含碳化硼的2a、2b、2c、2d以及2e研磨液，当其研磨速率分别为2.3、3.4、3.9、4.3、４.8微米/分钟，蓝宝石晶体的表面粗糙度分布均匀，无深度划伤，研磨机以及研磨产料表面无沉积。本实施例显示，随悬浮剂的使用量增加，碳化硼的研磨效率提高。
实施例3
实施例2所配制的4个样品研磨液在实施例２相同的研磨条件下进行循环使用，其研磨速率在第15次时分别为：0.3、1.5、3.3、3.8、2.1微米/分钟。由此可以看出本发明悬浮剂,当其在研磨液中的添加量为3.5-8.5%时，不仅可以加快研磨效率，同时可以延长研磨液的使用寿命。
将上述循环使用后的样品研磨液在相同测试条件下，再次分别静置２小时、12小时、24小时、72小时、168小时，观察研磨液分散体系是否从上至下分层为水层、分散层、沉淀层，记录分散层的分散情况，其悬浮效果如表２所示：
表２ 研磨液循环后的悬浮测试结果
循环后2a 循环后2b 循环后2c 循环后2d 循环后2e
2小时 28%分层 无分层 无分层 无分层 30%分层
12小时 56%分层 16%分层 无分层 无分层 56%分层
24小时 完全分层 23%分层 无分层 无分层 完全分层
72小时 完全分层 37%分层 无分层 无分层 完全分层
168小时 完全分层 完全分层 完全分层 完全分层 完全分层
将上述循环15次使用后的样品研磨液静置7d，然后搅拌1h，再静置72h，观察研磨液分散体系是否从上至下分层为水层、分散层、沉淀层，记录分散层的分散情况，其悬浮效果如表3所示：
表3 研磨液循环搅拌后的悬浮测试结果
循环搅拌后2a 循环搅拌后2b 循环搅拌后2c 循环搅拌后2d 循环搅拌后2e
72ｈ 完全分层 36%分层 5%分层 5%分层 完全分层
实施例4
制备一份如下陶瓷材料悬浮剂：在500g聚乙二醇中，加入二甘醇氨200g，乙二胺四甲叉膦酸钠300g，羟丙基瓜尔胶200g，搅拌均匀,最后用羟乙基乙二胺将pH调到9.0， 供陶瓷材料悬浮使用。
该悬浮剂储存3个月不分层。
实施例5
在7kg纯水中加入0.35kg实施例4的陶瓷材料悬浮剂，搅拌均匀。在上述液体中加入2.5kg 240目碳化硅，搅拌均匀，得到含碳化硅的研磨液。
将样品含碳化硅的研磨液分别静置２小时、12小时、24小时、72小时，观察研磨液分散体系是否从上至下分层为水层、分散层、沉淀层，记录分散层的分散情况，其悬浮效果如表４所示。
表４ 研磨液的悬浮测试结果
2小时 12小时 24小时 72小时
无悬浮剂 20%分层 完全分层 完全分层 完全分层
实施例4悬浮剂 无分层 无分层 无分层 10%分层
实施6
制备一份如下陶瓷材料悬浮剂：500g丙二醇中，加入乙二醇100g，二甘醇氨100g，氨基三甲基磷酸钠200g，羟乙基纤维素80g，搅拌均匀,最后用二乙烯三胺将pH9.0 供陶瓷材料悬浮使用。
该悬浮剂储存3个月不分层。
实施例7
在7kg纯水中加入0.35kg实施例4的陶瓷材料悬浮剂，搅拌均匀。在上述液体中加入2.5kg 20μm α氧化铝，搅拌均匀，得到含α氧化铝的研磨液。
将样品含α氧化铝的研磨液分别静置２小时、12小时、24小时、72小时，观察研磨液分散体系是否从上至下分层为水层、分散层、沉淀层，记录分散层的分散情况，其悬浮效果如表５所示：
表５ 研磨液的悬浮测试结果
2小时 12小时 24小时 72小时
无悬浮剂 20%分层 完全分层 完全分层 完全分层
实施例4悬浮剂 无分层 无分层 无分层 10%分层
实施例8
本实施例高效陶瓷材料悬浮剂的制备方法基本与实施例１相似，其主要不同之处在于，所述硅酸铝膨润土180g改用羟基取代度为1.2的乙酸丙酸纤维素100g和膨化蒙脱土80g。
该悬浮剂储存４个月不分层。
实施例9
在7kg纯水中分别加入0.0kg、0.3kg、0.5kg、0.8kg以及0.9kg实施例1制备得到的陶瓷材料悬浮剂，搅拌均匀，标记为2a、2b、2c、2d以及2e。 在上述液体中加入2.5kg240目碳化硼，搅拌均匀，得到含碳化硼的2a、2b、2c、2d以及2e研磨液。
将样品含碳化硼的2a、2b、2c、2d以及2e研磨液在相同测试条件下，分别静置２小时、12小时、24小时、72小时、168小时，观察研磨液分散体系是否从上至下分层为水层、分散层、沉淀层，记录分散层的分散情况，其悬浮效果如表6所示：
表6 研磨液的悬浮测试结果
2a 2b 2c 2d 2e
2小时 10%分层 无分层 无分层 无分层 无分层
12小时 30%分层 无分层 无分层 无分层 无分层
24小时 40%分层 无分层 无分层 无分层 12%分层
72小时 70%分层 14%分层 无分层 无分层 40%分层
168小时 完全分层 60%分层 20%分层 15%分层 60%分层
所述样品含碳化硼的2a、2b、2c、2d以及2e研磨液，当其研磨速率分别为2.8、3.6、4.1、5.0、5.7微米/分钟，蓝宝石晶体的表面粗糙度分布均匀，无深度划伤，研磨机以及研磨产料表面无沉积。
实施例10
实施例2所配制的4个样品研磨液在实施例２相同的研磨条件下进行循环使用，其研磨速率在第15次时分别为：1.1、2.3、3.5、4.6、3.8微米/分钟。由此可以看出本发明悬浮剂,当其在研磨液中的添加量为3.5-8.5%时，不仅可以加快研磨效率，同时可以延长研磨液的使用寿命。
将上述循环使用后的样品研磨液在相同测试条件下，再次分别静置２小时、12小时、24小时、72小时、168小时，观察研磨液分散体系是否从上至下分层为水层、分散层、沉淀层，记录分散层的分散情况，其悬浮效果如表７所示：
表７ 研磨液循环后的悬浮测试结果
循环后2a 循环后2b 循环后2c 循环后2d 循环后2e
2小时 18%分层 无分层 无分层 无分层 无分层
12小时 45%分层 10%分层 无分层 无分层 无分层
24小时 62%分层 18%分层 无分层 无分层 18%分层
72小时 完全分层 25%分层 无分层 无分层 50%分层
168小时 完全分层 70%分层 30%分层 22%分层 80%分层
将上述循环15次使用后的样品研磨液静置7d，然后搅拌1h，再静置72h，观察研磨液分散体系是否从上至下分层为水层、分散层、沉淀层，记录分散层的分散情况，其悬浮效果如表８所示：
表８ 研磨液循环搅拌后的悬浮测试结果
循环搅拌后2a 循环搅拌后2b 循环搅拌后2c 循环搅拌后2d 循环搅拌后2e
72ｈ 完全分层 18%分层 无分层 无分层 75%分层
实施例11
本实施例高效陶瓷材料悬浮剂的制备方法基本与实施例１相似，其主要不同之处在于，所述硅酸铝膨润土180g改用纤维素醋酸丁酸琥珀酸酯100g和硅酸铝膨润土80g。
该悬浮剂储存４个月不分层。
实施例12
在7kg纯水中分别加入0.0kg、0.3kg、0.5kg、0.8kg以及0.9kg实施例1制备得到的陶瓷材料悬浮剂，搅拌均匀，标记为2a、2b、2c、2d以及2e。 在上述液体中加入2.5kg240目碳化硼，搅拌均匀，得到含碳化硼的2a、2b、2c、2d以及2e研磨液。
将样品含碳化硼的2a、2b、2c、2d以及2e研磨液在相同测试条件下，分别静置２小时、12小时、24小时、72小时、168小时，观察研磨液分散体系是否从上至下分层为水层、分散层、沉淀层，记录分散层的分散情况，其悬浮效果如表9所示：
表9 研磨液的悬浮测试结果
2a 2b 2c 2d 2e
2小时 12%分层 无分层 无分层 无分层 无分层
12小时 35%分层 无分层 无分层 无分层 无分层
24小时 45%分层 无分层 无分层 无分层 15%分层
72小时 75%分层 18%分层 无分层 无分层 45%分层
168小时 完全分层 70%分层 22%分层 18%分层 65%分层
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂，其特征在于，所述陶瓷材料悬浮剂由以下组分的原料组成：
1）非水含多极性有机分子且能与水混溶的溶剂；
2）促进陶瓷材料表面水合的水合催化剂；
3）防锈剂；
4）亲水性悬浮剂；
且所述陶瓷材料悬浮剂 pH值为7.0-11.0。
2.如权利要求1所述的亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂，其特征在于，所述原料中各组分在悬浮剂中质量百分比为：溶剂5-50%，水合催化剂0.01-25%，防锈剂1-35%，悬浮剂0.5-20%。
3.如权利要求1所述的亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂，其特征在于，所述溶剂为乙二醇、丙二醇、聚乙二醇、乙二醇-丙二醇共聚物、甘油、醇胺类化合物中的至少一种。
4.如权利要求1所述的亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂，其特征在于，所述水合催化剂为含有极性基团的有机化合物。
5.如权利要求1所述的亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂，其特征在于，所述水合催化剂为含有氮和/或氧基团的有机化合物或聚合物。
6.如权利要求1所述的亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂，其特征在于，所述防锈剂选自亚硝酸盐，焦磷酸盐，乙二胺四甲叉膦酸盐中的一种或其混合物。
7.如权利要求1所述的亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂，其特征在于，所述亲水性悬浮剂选自聚丙烯酸树脂、改性纤维素酯、多羟基聚合树脂、膨化蒙脱土、硅酸铝膨润土、羟丙基瓜尔胶、羟乙基纤维素中的一种或多种的组合。
8.一种如权利要求1中所述的亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
S1：将陶瓷材料表面水合催化剂、防锈剂、悬浮剂置于溶剂中，搅拌混合均匀，得到悬浮剂混合液；
S2：用pH调节剂将步骤S1得到的悬浮剂混合液的pH值调至7.0-11.0，得到所述陶瓷材料悬浮剂。
9.如权利要求8中所述的亲水非油性无水高效陶瓷材料悬浮剂的制备方法，其特征在于：所述pH调节剂为二乙烯三胺、四甲基氢氧化胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇胺、三异丙醇胺、羟乙基乙二胺和二乙胺中的至少一种。
10.应用如权利要求1-9中任一项所述的亲水非油性非水性陶瓷材料悬浮剂，其特征在于，将悬浮剂分散于去离子水中，并加入氧化铝、碳化硅、碳化硼、氧化锆或稀土氧化物等陶瓷材料中的至少一种物质，搅拌均匀后，得到研磨液分散体系，所述悬浮剂的用量占研磨液重量的3.5-8.5%。
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