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明陶瓷干燥方法-通利陶瓷

明陶瓷干燥方法能避免产生裂纹和翘曲等缺陷,适用于内部含有水凝胶的陶瓷生坯,在模型内生成凝胶并成型的生坯,特别是大型厚壁生坯。

通过注浆、挤压和辘轳车等湿式或半湿式成型的陶瓷生坯、特别是使用非可塑性原料的生坯,在成形或干燥时容易产生裂纹。一种防止成型裂纹的有效方法是使上述生坯包含水凝胶,让湿生坯具有韧性。然而,含有水凝胶的生坯的干燥比较困难,在干燥中生坯会丧失韧性,不能防止干燥裂纹。生坯越大、壁越厚,干燥时越容易产生裂纹和翘曲等缺陷。

一种利用水凝胶的成型方法是使加入陶瓷粉末中的含有凝胶生成成分和水的泥浆在模具内生成水凝胶(如美国专利No. 5028326),该方法能获得接近净成型的生坯,生成凝胶时粒子体积比(每单位体积成型生坯中的粒子数量)不变,有可能成为经济地生产形状复杂的高质量产品的方法。

然而,由于水分只能从生坯表面蒸发,干燥时在生坯厚度方向产生水分梯度,破坏粒子体积率的均一性,结果在生坯厚度方向发生由干燥收缩率差引起的应力,容易产生裂纹和翘曲等缺陷。特别是当生坯尺寸和厚度增加时,由干燥收缩率差引起的应力增大,难以获得高质量烧成体。

就凝胶成型生坯的干燥方法而论,有美国专利No. 5028326提出的微波加热干燥法和相同专利发明人在Ceram. Trans. 26101-071992中描述的高湿度室温干燥法。

然而,用微波干燥法处理大型厚壁生坯时仍然容易产生裂纹和翘曲等缺陷,不能获得良好的烧成体。高湿度室温干燥法不能完全避免缺陷的生成,而且需要很长的干燥时间,不适用于生产大型厚壁构件。

本发明提供解决上述问题的方法:将含水凝胶的成型生坯置于对水亲合力好、沸点比水低、表面张力小的溶剂中进行浸渍处理,在溶剂置换后干燥。

用对水亲合力好的溶剂浸渍时,溶剂容易置换生坯中的水,使生坯粒子间的毛细管吸附电位降低,从而减少溶剂蒸发时对生坯的损害。用沸点比水低的溶剂置换生坯中水后,容易进行干燥。结果能防止干燥裂纹和翘曲等缺陷,同时缩短干燥时间。

本发明适用于把陶瓷粉末与含凝胶生成成分和水的泥浆注入模型内生成凝胶并成型、干燥收缩率较大、水凝胶耐水性较好的生坯的干燥。

在进行溶剂置换时,最好从纯有机溶剂和有机溶剂与水混合的混合溶剂中选择水混合比不同的两种以上溶剂,将内部含有水凝胶的陶瓷生坯浸入按照从高至低水混合比顺序排列的溶剂中。

虽然通过溶剂置换向外移动的水和在大气中与空气接触干燥时相比要少得多,但成型生坯粒子间的毛细管吸附电位作用会使生坯收缩。由于这种收缩仍然从表面开始,在生坯厚度方向难免产生由收缩差引起的应力。

因此,准备加水的混合溶剂,使生坯从高水混合比溶剂向低水混合比溶剂移动,少量连续地进行溶剂置换,分步收缩,能减小收缩应力。

本发明的一种可取的方法是在溶剂置换时振动部分或全部溶剂。振动溶剂能加速大型厚壁生坯的溶剂置换过程。

本发明适用于各种陶瓷,如氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅和sialon等。本发明用陶瓷成型方法目的在于改善陶瓷生坯内部的粘结可塑性,如果含有水凝胶,则不限定成型方法,如注浆成型、挤压成型和辘轳车成型等均可使用。

本发明者使用的水凝胶没有特定种类限制,例如,可使用甲基纤维素、羧基纤维素、聚乙烯醇、明胶、淀粉等。凝胶生成成分可以用美国专利No.5028326的水溶性丙烯酰胺和NN-亚甲基双丙烯酰胺的水溶性单体,也可用水硬性氨基甲酸乙酯等的水溶性聚合物。

含水凝胶的陶瓷生坯应置于对水亲合力好、沸点比水低和表面张力小的溶剂中进行浸渍处理。符合这些条件的溶剂包括乙醇、丙醇和丙酮等有机溶剂。这些溶剂的表面张力和沸点如表1所示。

表1

最好使用混合两种以上上述有机溶剂或在上述有机溶剂中加水制备的混合溶剂。

本发明防止干燥裂纹和翘曲等缺陷生成的原理可用图1所示干燥收缩率与时间的关系说明。在溶剂置换时,生坯粒子间毛细管吸附电位ΔP=σ/r,式中σ为表面张力或界面张力,r为弯液面半径 通过水和溶剂之间的界面张力起作用,引起生坯收缩。由于这种毛细管吸附电位比水和空气接触在大气中干燥时小得多,因而收缩比室温放置和加热干燥时小。

用表面张力小的有机溶剂置换后,在室温放置和加热干燥时生坯粒子间的毛细管吸附电位减小,干燥收缩率降低。

上述生坯的总收缩率比室温放置等干燥场合的干燥收缩小。因而用表面张力小的有机溶剂置换后,采用适当的干燥方法,能减小在生坯厚度等方向由干燥收缩差引起的应力,从而减少大型厚壁生坯中的裂纹和翘曲等缺陷。

在纯有机溶剂浸渍生坯前,用加水的上述有机溶剂进行分级熔剂置换能进一步减小毛细管吸附电位。如果按照从高水混合比至低水混合比顺序分级进行溶剂置换,干燥收缩率比一次置换时小。因而能进一步减小生坯厚度等方向干燥收缩差引起的应力,防止裂纹和翘曲等缺陷的产生。

多级溶剂处理以2级或3级为宜。虽然更多的分级有利于防止缺陷,但处理时间长。

在溶剂处理过程中振动部分或全部溶剂能缩短溶剂置换需要的时间。作为搅拌方法,可在溶剂槽中安装超声波振动器,也可搅拌溶剂本身或通过鼓泡搅拌。溶剂置换后在大气中或减压下于室温或加热条件下干燥。

实例1

丙烯酰胺和NN-亚甲基双丙烯酰胺的混合水溶液中加入平均粒度0.6微米的氧化铝粉末和解胶剂,置于球磨机内混合,制成含约55体积%固体成分的泥浆。

加入聚合引发剂和催化剂脱除泡沫后,注入塑料模型中生成凝胶,制成直径300毫米厚度50毫米的生坯。把含有凝胶的生坯置于乙醇中浸渍3天,溶剂置换后在室温(约25 °C)放置4天。然后移入60 °C热风干燥器中干燥至水分几乎完全除去。经上述方法处理的生坯,烧成后能获得无裂纹和翘曲缺陷的良好的烧成体。

作为本发明的比较例,不进行溶剂置换、直接在室温放置干燥、微波加热和室温加湿干燥的结果如表2所示。

由上表可知,直接室温放置干燥和微波加热干燥时生坯内已经产生裂纹,而且室温放置干燥需要的时间为溶剂置换后干燥的大约两倍。另外,室温加湿干燥不能完全避免裂纹,而且需要的时间很长。

实例2

用与例1相同的泥浆,成型为比例1更厚的直径300毫米厚度65毫米的生坯。将含有凝胶的生坯置于含40体积%乙醇和60体积%水的溶液中浸渍处理4天,在纯乙醇中浸渍4天,然后在室温放置6天,移入60 °C热风干燥器,干燥至几乎完全清除水分。生坯烧成后获得无裂纹和翘曲等缺陷的优良烧结体。相应比较例结果表明,不进行熔剂置换、室温放置干燥、微波干燥、室温加湿干燥的生坯均发生裂纹。另外,不用乙醇 + 水混合溶剂进行溶剂置换,开始就用纯乙醇浸渍溶剂置换的生坯,也会产生裂纹。

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