ES2206265T3 - Procedimiento para la fabricacion de cuerpos ceramicos, verdes. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la fabricación de una lámina verde cerámica con un componente cerámico en polvo como componente principal y como mínimo un componente orgánico exento de disolventes, que presenta un aglutinante orgánico, como componente secundario, con lo que el componente orgánico se procesa junto con el componente cerámico en polvo para obtener un material de partida de alta viscosidad y se moldea con una extrusora para obtener una lámina verde, caracterizado porque como aglutinante orgánico se utiliza polivinilbutiral.

Description

Procedimiento para la fabricación de cuerpos cerámicos, verdes.

La invención se refiere a procedimientos para la fabricación de láminas verdes cerámicas.

Estado de la técnica

Para la fabricación de substratos laminados cerámicos de ZrO_{2} se conoce la utilización de la fundición de hojas. Para ello, se prepara primero un polvo cerámico de ZrO_{2} con componentes orgánicos como un aglutinante, un plastificante y un disolvente para dar una suspensión colable. El colado de esta suspensión para obtener una lámina se produce entonces en un intervalo de viscosidad estrecho, para garantizar un grosor y una calidad del substrato constantes. Un procedimiento de este tipo se da a conocer, por ejemplo, en el documento EP 0 441 219.

Para el secado, es decir, para la extracción del disolvente de la lámina verde cerámica, la lámina verde cerámica colada pasa entonces, además, a través de un largo canal de secado que está dotado de un sistema cerrado de escape de aire y está protegido contra el peligro de explosión, antes de ser conducida finalmente, por ejemplo, por diferentes etapas de prensado para construir un sensor. El secado de la lámina verde tras el colado sirve fundamentalmente para minimizar las contracciones en las siguientes etapas del procedimiento y para eliminar al menos parcialmente el disolvente.

Además, con las láminas verdes conocidas también es necesario, por lo general, un secado adicional de la lámina verde previamente impresa, después de cada etapa de prensado, para construir un sensor. En la práctica se ha demostrado que una contracción posterior inevitable, pero sin embargo indeseable, de la lámina verde durante estas etapas de secado intermedio, depende en gran medida de las condiciones de secado elegidas.

Las contracciones posteriores no deseadas se deben fundamentalmente a los restos de disolventes o de otros componentes orgánicos presentes en la lámina verde, que son al menos parcialmente volátiles o se descomponen parcialmente a temperaturas superiores a aproximadamente los 60ºC.

Con ello, las láminas verdes cerámicas conocidas ya no son directamente reciclables tras el secado, sin etapas de procesamiento adicionales y costosas, ya que por ejemplo una parte de los plastificantes orgánicos utilizados se ha eliminado durante el secado.

Ventajas de la invención

Los procedimientos según la invención para la fabricación de láminas verdes cerámicas con las características identificativas de las reivindicaciones independientes 1 y 6, tienen la ventaja, respecto al estado de la técnica, de que no se utiliza ningún disolvente.

Con ello, las láminas verdes producidas según la invención ventajosamente no muestran, por ejemplo, una contracción posterior o si ésta existe, es despreciablemente pequeña, especialmente en las etapas de secado entre las distintas etapas de prensado, de manera que se solventa la problemática que existe en el estado de la técnica de la contracción posterior de los cuerpos verdes colados. Por consiguiente, el proceso de fabricación de las láminas verdes cerámicas mejora considerablemente en cuanto a la constancia de calidad.

Además, las láminas verdes cerámicas producidas según la invención, no están sometidas, tampoco después de la extrusión, a las fuerzas de contracción o de deformación que son inevitables durante el secado de las suspensiones colables. Por consiguiente queda garantizada constantemente su estabilidad de forma en longitud y anchura.

Además, la estructura superficial de las láminas verdes cerámicas producidas con el procedimiento según la invención se determina fundamentalmente mediante la forma de la tobera de la extrusora, y así no se producen los típicos defectos de secado que aparecen en las láminas coladas, como la formación de una película o de burbujas.

Debido a que en el procedimiento según la invención no se utiliza ningún disolvente, en adelante puede prescindirse muy ventajosamente también de una etapa de secado tras la colada de la lámina verde o del cuerpo verde, conocida en el estado de la técnica, costosa en cuanto a tiempo y energía. Al mismo tiempo, puede prescindirse con ello de instalaciones costosas protegidas contra explosión y de dispositivos para la recuperación de disolventes. Con todo ello, se consiguen considerables ventajas en cuanto a los costes para las instalaciones de fabricación de láminas y su complejidad.

Finalmente, la lámina verde cerámica según la invención es, de forma ventajosa, suficientemente flexible para el proceso de prensado.

A partir de las medidas citadas en las reivindicaciones dependientes se infieren otros perfeccionamientos ventajosos de la invención.

Así resulta muy ventajoso añadir durante el proceso de fabricación de las láminas verdes un dispersante, de manera que el material de partida de elevada viscosidad sea reciclable en cualquier momento sin tener que implementar etapas de procesamiento adicionales. De esta manera y debido a la constante invariabilidad de la composición durante y/o después de la fabricación de las láminas verdes cerámicas, los restos, especialmente los restos de lámina, producidos por ejemplo tras un proceso de amasado o de extrusión, pueden añadirse de forma muy ventajosa nuevamente al material de partida de alta viscosidad tras el correspondiente triturado, y procesarse conjuntamente con éste. De esta forma se ahorran materias primas y se evitan los residuos.

También es ventajoso que se caliente la extrusora, de manera que la viscosidad del material de partida de alta viscosidad se pueda reducir y ajustar durante el moldeado de la lámina verde cerámica. Además de esto, también es muy ventajoso que el material de partida de alta viscosidad utilizado se comporte como un material termoplástico.

Por lo demás, también es ventajoso que la lámina verde cerámica se extraiga a medida que sale de la extrusora con un dispositivo de extracción adecuado y se enfríe a la vez. Con ello la lámina verde cerámica producida puede someterse inmediatamente, por ejemplo, a otras etapas de procesamiento, a modo de ejemplo a un proceso de prensado en la fabricación de un sensor.

Para controlar el grosor de la lámina verde producida, también es ventajoso que la calandria utilizada esté dotada de un dispositivo integrado para la medición del grosor de la lámina verde, siendo especialmente ventajoso si está conectada con la extrusora mediante un dispositivo de regulación, y con ello garantiza continuamente un grosor prefijado, ampliamente constante, de la lámina.

Ejemplos de realización

En un primer ejemplo de realización se utiliza, en primer lugar, como componente cerámico en polvo y componente principal de la lámina verde cerámica a producir, desde el 80% en peso hasta el 90% en peso de polvo de ZrO_{2} con un tamaño de grano típico desde 0,1 \mum hasta 1 \mum junto con desde el 0,5% en peso hasta el 3% en peso de un aditivo para el sinterizado, desde el 5% en peso hasta el 10% en peso del aglutinante orgánico polivinilbutiral y desde el 1% en peso hasta el 7% en peso del plastificante orgánico sebacato de dibutilo como componentes secundarios. Como aditivo para el sinterizado es especialmente adecuada una mezcla de SiO_{2} y Al_{2}O_{3} o materiales relacionados conocidos que contienen silicio o aluminio. En lugar de polvo de ZrO_{2} se puede utilizar igualmente, también de forma conocida, polvo de ZrO_{2} o polvo de Al_{2}O_{3} estabilizados con itrio.

Preferiblemente se utiliza el 86,3% en peso de polvo de ZrO_{2} estabilizado con itrio con el 1,5% en peso de un aditivo para el sinterizado de SiO_{2} y Al_{2}O_{3}, el 7% en peso de polivinilbutiral y el 5,2% en peso de sebacato de dibutilo. Estos materiales se añaden primeramente a una amasadora que trabaja en continuo, en la que se procesan para obtener un material de partida de alta viscosidad. Por material de partida de alta viscosidad se entiende en la solicitud un material con la viscosidad habitual y típica de los materiales termoplásticos durante el proceso de moldeado a 150ºC. Concretamente, la viscosidad del material de partida es preferiblemente, dependiendo de la velocidad de cizallado, desde aproximadamente 2000 Pa s^{-1} para una velocidad de cizallado de aproximadamente 100 s^{-1} hasta aproximadamente 20000 Pa s^{-1} para una velocidad de cizallado de 10 s^{-1}.

Después de que este material cerámico de partida de alta viscosidad se convierta, mediante granulación para extrusión según la manera conocida, en granalla con una distribución reducida de tamaños, tiene lugar una extrusión. Los valores típicos para el tamaño de los gránulos son de aproximadamente 5 mm de diámetro y de 2 mm a 3 mm de longitud.

El material de partida de alta viscosidad que se conduce a la extrusión, está exento de disolventes y se comporta como un material termoplástico durante el calentamiento.

Para la extrusión del material de partida se utiliza preferiblemente una extrusora con un husillo de 3 zonas, que posee una zona de compresión, una zona de cillazado y una zona de mezclado en el extremo del husillo. Este extrusora se calienta a una temperatura desde 130ºC hasta 150ºC para disminuir la viscosidad del material cerámico de partida. Para ello es necesario que los componentes orgánicos del material cerámico de partida sean resistentes a temperaturas de hasta al menos 130ºC, preferiblemente hasta al menos 150ºC, es decir, que no sean volátiles ni se descompongan hasta esta temperatura. Por lo demás, el material de partida de alta viscosidad se comporta termoplástico frente al calentamiento.

Para la fabricación de una lámina verde cerámica, la extrusora presenta además una tobera de ranura ancha con un canal de distribución de la masa en forma de cola de pez o de percha. La tobera presenta además un borde flexible que permite un ajuste exacto del grosor de la lámina verde cerámica que sale de la extrusora. La tobera de ranura ancha con el borde flexible se calienta preferiblemente a una temperatura entre 150ºC y 170ºC.

La lámina verde cerámica que sale de la tobera de ranura ancha de la extrusora se extrae entonces con una calandria, enfriándose simultáneamente a una temperatura de 150ºC hasta temperatura ambiente, eligiéndose el grado de estirado que se produce durante la extracción lo más pequeño posible.

Tras enfriar y cortar la lámina verde cerámica producida de esta manera, ésta puede utilizarse entonces en la fabricación de sensores según la manera conocida y puede imprimirse en diferentes etapas de prensado, a las que por ejemplo les siguen etapas de secado.

Un segundo ejemplo de realización de la invención prevé a diferencia del primer ejemplo de realización la utilización del 86,0% en peso de polvo de ZrO_{2} estabilizado con itrio con 1,4% en peso de un aditivo para el sinterizado de SiO_{2} y Al_{2}O_{3}, 8,7% en peso de polivinilbutiral, 2,5% en peso de sebacato de dibutilo y adicionalmente 1,4% en peso de un dispersante. El dispersante es por ejemplo un poliéster oligómero habitual. Los materiales de partida citados se añaden primero nuevamente a una amasadora que trabaja en continuo para preparar un material cerámico de partida de alta viscosidad. Este material cerámico de partida se procesa a continuación de manera totalmente análoga al primer ejemplo de realización mediante una granulación para extrusión para obtener granalla y extruirlo con el extrusora anteriormente descrito.

Además, la lámina cerámica verde que sale por último de la tobera de ranura ancha de la extrusora, se extrae con una calandria y se enfría a una temperatura desde 150ºC hasta temperatura ambiente, eligiéndose el grado de estirado lo más pequeño posible.

Después de enfriar y cortar la lámina verde cerámica producida de esta manera, tiene lugar directamente el procesamiento por impresión. No es necesario un secado previo de la lámina verde cerámica o la extracción del disolvente.

Por lo demás, para el control del grosor de la lámina verde extraída producida, en la calandria está integrado un dispositivo conocido para la medición continua del grosor de la lámina. Se prefiere que este dispositivo para la medición del grosor de la lámina esté conectado con la extrusora mediante un dispositivo de regulación, de manera que mediante esta regulación pueda garantizarse continuamente un grosor de lámina prefijado, ampliamente constante, de la lámina verde.

Claims (12)

1. Procedimiento para la fabricación de una lámina verde cerámica con un componente cerámico en polvo como componente principal y como mínimo un componente orgánico exento de disolventes, que presenta un aglutinante orgánico, como componente secundario, con lo que el componente orgánico se procesa junto con el componente cerámico en polvo para obtener un material de partida de alta viscosidad y se moldea con una extrusora para obtener una lámina verde, caracterizado porque como aglutinante orgánico se utiliza polivinilbutiral.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque como material de partida de alta viscosidad se utiliza un material de partida termoplástico, exento de disolventes.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se utiliza un componente orgánico con un plastificante orgánico.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque al material de partida de alta viscosidad se le añade un aditivo para el sinterizado y/o un dispersante.

5. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque como componente cerámico en polvo se utiliza polvo de ZrO_{2} o polvo de ZrO_{2} estabilizado con itrio y sebacato de dibutilo como plastificante orgánico.

6. Procedimiento para la fabricación de una lámina verde cerámica, especialmente según una de las reivindicaciones precedentes, con un componente cerámico en polvo como componente principal y como mínimo un componente orgánico exento de disolventes como componente secundario, con lo que el componente cerámico en polvo y el componente orgánico exento de disolventes se procesan para obtener un material de partida de alta viscosidad y se moldean con una extrusora para obtener una lámina verde, caracterizado porque se utiliza un husillo de 3 zonas con una zona de compresión, una zona de cizallado y una zona de mezclado, cuya salida presenta un canal de distribución de la masa en forma de cola de pez o de percha.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el procesamiento del componente cerámico en polvo y de los componentes orgánicos para dar el material de partida de alta viscosidad tiene lugar en una amasadora.

8. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el material de partida de alta viscosidad se procesa antes de la extrusión dando granalla.

9. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la extrusora se calienta y se calienta especialmente hasta unas temperaturas desde 130ºC hasta 150ºC.

10. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la salida de la extrusora está provista de un borde especialmente calentado para ajustar el grosor de la lámina verde cerámica.

11. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la lámina verde cerámica que sale de la extrusora se extrae con una calandria.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque en la calandria tiene lugar una medición del grosor de la lámina verde producida.