CN1864961A - 水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法，它是一种胶体成型方法。所得坯体完好光洁，尤其适用于复杂形状陶瓷部件的成型。其主要工艺过程是：在陶瓷浆料中加入水溶性环氧树脂以及适量的固化剂；搅拌均匀后注入一定形状的模具中，在室温下静置使其原位固化；充分固化后脱模；干燥后即得到陶瓷坯体。本发明无需气氛保护，实用性强。

Description

水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷坯体的胶态成型方法，更确切地说涉及一种水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法，尤其适用于复杂形状陶瓷部件的成型。

背景技术

成型是陶瓷材料制备工艺中的一个关键环节，成型过程造成的缺陷往往很难在其后的烧结工艺中予以消除，所以它直接影响材料的结构和性能。传统的成型工艺(如干压成型)很难制备复杂形状的陶瓷部件；而普通注浆成型只限于薄壁陶瓷部件，对于厚壁陶瓷坯体内部存在密度梯度，烧成时容易产生缺陷和开裂。

20世纪90年代以来，许多科研机构致力于新型胶态成型技术的研究，取得了一定的进展。其中最为成功的例子是美国橡树岭实验室于1991年提出的注凝(gelcasting)成型技术。该工艺利用有机单体聚合反应形成的三维网络凝胶，使陶瓷浆料固化成具有相当强度的坯体。该工艺适用于多种陶瓷体系；获得的坯体强度高，均匀性好，可进行机械加工。但是，由于空气中的氧气会阻碍聚合反应，因此坯体表面聚合反应不完全，干燥后会剥落，无法制备出完好的陶瓷坯体。为了克服表面氧气的阻聚，目前采用的方法是在惰性气氛保护下进行固化。这样不但设备要求大大提高，而且工艺复杂，难以推广应用。此外，由于有机单体存在毒性，更加使得该工艺不易被大家接受。而其它一些新型胶态成型技术(如直接凝固成型、温度诱导絮凝成型)因为只适用于少数陶瓷体系，而且所得坯体强度低，难以推广应用。

发明内容

为了解决现有工艺存在的诸多问题，本发明提出了一种高强度陶瓷坯体的胶态成型方法，该工艺不存在氧气的阻聚问题，适用于多种陶瓷体系。其特征是在陶瓷浆料中加入水溶性环氧树脂，利用固化剂使环氧树脂固化形成三维网络，从而获得一定形状的高强度陶瓷坯体。

本发明提出的水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法，主要包括以下步骤：1)按照传统注浆成型的工艺制备含分散剂的陶瓷浆料；2)在浆料中加入水溶性环氧树脂以及适量的固化剂。两者可以同时加入，也可将其中一种在步骤1中预先加入；3)搅拌均匀后注入所成型的形状的模具中，静置在空气中室温下使其原位固化；4)充分固化后脱模；5)干燥后得到陶瓷坯体。添加的有机质可以通过加热氧化的方法除去。

环氧树脂选择的两个基本要求：1.在水中的溶解性较好，一定浓度的水溶液在固化后能满足陶瓷坯体的强度要求；2.可以找到合适的固化剂，使得其水溶液在室温下固化。环氧树脂与水的质量比为0.05～0.5，在保证坯体强度的前提下尽量减小环氧树脂的用量。随着合成工艺的发展，市场上出现了越来越多的水溶性环氧树脂产品能够满足本发明的使用要求，而且不断有新产品出现。固化剂要与分散剂同时考虑，保证不影响浆料的稳定。通过调节固化剂的用量改变固化反应速度，通常浆料固化时间在5～40分钟，以获得足够的浇注时间又能够防止静置过久浆料沉淀。

本发明所用水溶性环氧树脂有山梨糖醇聚缩水甘油酯(英文名称sorbitolpolyglycidyl ether，环氧当量173WPE，在水中溶解度94％，以下简称SPE)以及丙三醇聚缩水甘油酯(英文名称glycerol polyglycidyl ether，环氧当量141WPE，易溶于水，以下简称GPE)。它们在水中易溶解，固化后交联密度高，能满足本发明中环氧树脂选用的两个基本要求。事实上环氧当量介于120-200WPE的水溶性环氧当量均可满足要求，上面所述SPE和GPE只是两个代表性的环氧树脂品种。

所述的分散剂为聚乙烯基亚胺、聚丙烯酸铵和四甲基氢氧化铵中一种；所述的固化剂为聚乙烯基亚胺或二丙三铵，聚乙烯基亚胺现可单独作分散剂用，再加入固化剂使浆料固化，也可将聚乙烯基亚胺同时作为分散剂和固化剂使用(详见实施例)。

所述模具可选用玻璃、金属、塑料、橡胶制成的不透水模具。

一般1小时以后固化完全即可脱模。也可以在浇注后适当加热(如用水浴)，以提高固化反应速度。脱模后的坯体可以自然风干或在80～120℃的烘箱内烘干。

本发明主要有如下优点：

(1)适于氧化物粉体、非氧化物粉体或它们复合粉体不同类型及复杂形状陶瓷的成型，所得坯体强度高。(详见实施例)

(2)无氧阻聚，可以在空气中操作。成型的坯体表面光洁无剥落。

(3)干燥后坯体强度高，韧性好，可以进行机械加工。

(4)工艺简单，成本低廉，便于工业化生产。

附图说明

图1是本发明实施例2所得坯体经过烧成后的照片，样品表面光洁无剥落。

具体实施方式

下面通过具体实施例，以进一步说明本发明实质性特点和显著的进步。

实施例1：氧化铝陶瓷管的成型

氧化铝陶瓷粉由日本住友陶瓷公司提供，平均粒径0.48μm。

22.5ml去离子水与116g氧化铝粉混和，加入0.8ml聚丙烯酸铵作为分散剂，用行星式球磨机混合30分钟，得到均匀的浆料。再加入1.7ml水溶性环氧树脂SPE继续球磨20分钟，使得SPE与陶瓷浆料充分混合。然后在此浆料中加入1.0ml二丙三胺作为固化剂，搅拌5分钟后注入管状金属模具中，在室温静置使之固化。2小时后移去模具，得到表面光洁的管状坯体。湿坯体在室温下自然风干48小时后，移至80～120℃的烘箱中干燥24小时，得到完好的氧化铝陶瓷管干坯体。

实施例2：氧化铝陶瓷的成型及烧成

20ml去离子水与76g氧化铝粉混和，加入1.0ml聚乙烯基亚胺，球磨30分钟混合均匀。聚乙烯基亚胺同时作为分散剂和环氧树脂固化剂。然后加入2.0ml水溶性环氧树脂SPE搅拌5分钟后注入聚丙烯模具中，室温静置2小时后模具内浆料完全固化为陶瓷坯体。其余步骤同实施例1，即可得到形状、尺寸完好的氧化铝陶瓷坯体。

将所得坯体在600℃煅烧除去环氧树脂及其它有机物，在1650℃烧结2小时得到完整无剥落的氧化铝陶瓷。经过测定，烧结后陶瓷的密度达到3.93g/cm³，内外密度差小于0.01g/cm³。

实施例3：碳化硅陶瓷坯体的成型

100ml去离子水与310g碳化硅粉(平均粒径1.0μm)混和，加入5.0ml四甲基氢氧化铵作为分散剂，用行星式球磨机混合30分钟，得到均匀的浆料。加入12ml水溶性环氧树脂SPE和8.0ml二丙三胺作为固化剂，搅拌5分钟使其充分混合。将此浆料注入聚乙烯模具中，室温静置2小时后模具内浆料完全固化为陶瓷坯体。其余步骤同实施例1，即可得到形状、尺寸完好的碳化硅陶瓷坯体。

实施例4：SiC/SiO₂复合陶瓷坯体的成型

在20ml聚乙烯基亚胺5wt％溶液中加入6g SiC粉(平均粒径0.5μm)，用超声波分散15分钟后得到均匀的悬浮液。将45g熔融石英粉(平均粒径3.8μm)逐渐加入到悬浮液中，一遍加一遍搅拌；待SiO₂粉全部加入后再搅拌20分钟使其分散均匀。然后在所得浆料中加入2.0ml水溶性环氧树脂SPE，充分混合。其余步骤同实施例3，即可得到完好的SiC/SiO₂复合陶瓷坯体。

实施例5：氧化铝陶瓷坯体的成型

25ml去离子水与100g氧化铝粉混和，加入0.7ml聚丙烯酸铵作为分散剂，用行星式球磨机混合30分钟，得到均匀的浆料。再加入1.5ml水溶性环氧树脂GPE和1.2ml聚乙烯基亚胺，搅拌5分钟混合均匀。以下步骤同实施例3，即可得到完好的氧化铝陶瓷坯体。

Claims (9)

1.一种水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法，其特征在于具体工艺步骤是：

(1)按传统注浆成型工艺制备含分散剂的陶瓷浆料；

(2)在浆料中加入水溶性环氧树脂以及固化剂并球磨均匀；

(3)球磨均匀后注入成型模具中，静置空气中室温下原位固化；

(4)充分固化后脱模；

(5)干燥后得到陶瓷坯体；

所述的水溶性环氧树脂的环氧当量介于120-200WPE之间；环氧树脂与水的质量比为0.05-0.5；

所述的固化剂为聚乙烯基亚胺或二丙三胺；

所述的充分固化是指固化后1小时；固化时间为5-40分钟；

所述的成型模具材料为玻璃、金属、塑料或橡胶材料。

2.按权利要求1所述的水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法，其特征在于所述的分散剂为聚乙烯基亚胺、聚丙烯酸铵和四甲基氢氧化铵中的任意一种。

3.按权利要求1所述的水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法，其特征在于固化剂和分散剂或为同一物质，如聚乙烯基亚胺，则步骤(2)只加入水溶性环氧树脂。

4.按权利要求1或3所述的水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法，其特征在于所述的水溶性环氧树脂为山梨糖醇聚缩水甘油醇或丙三醇聚缩水甘油酯。

5.按权利要求1所述的水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法，其特征在于注入成型模具后用水浴加热模具，加快固化反应速度。

6.按权利要求1所述的水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法，其特征在于脱模后坯体的干燥为自然风干或在80-120℃烘箱内烘干。

7.按权利要求1所述的水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法，其特征在于含分散剂的陶瓷浆料用行星式球磨或超声波分散使之均匀的。

8.按权利要求7所述的水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法，其特征在于球磨或超声波分散时间为15-30分钟。

9.按权利要求1、2或3所述的水溶性环氧树脂原位固化制备陶瓷坯体的方法，其特征在于所述的陶瓷浆料为氧化铝浆料、碳化硅浆料或SiC/SiO₂复合陶瓷浆料。