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陶瓷水基流延成型需要哪些添加剂
2021年11月08日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:205
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在成型工艺之中,流延成型成型大型薄板陶瓷或金属部件。这类部件几乎不可能或很难通过压制或挤制成型,而通过流延成型制造各种尺寸和形状的坯体则是十分容易的,而且可以保证坯体质量。传统的流延技术是采用有机溶剂作为溶剂,也称为非水系流延,但由于有机溶剂对人体及环境会造成一定的危害,因此,研究以水或酒精作为溶剂代替有毒溶剂的流延已经成为一种趋势。

5 to 500微米(0.2 to 20mils)厚度生瓷片流延

适合溶剂型和水基型浆料流延(KEKO流延机)

许多陶瓷粉体,如Al2O3ZrO2SiC,Si3N4BaTiO3AlN等都可以采用用水基流延成型工艺进行成型。相比非水基流延成型而言,水基流延浆料的系统要更加的复杂。在水基流延浆料中,由于极性分子水作为溶剂,且绝大多数粉体为不带电的瘠性粉体,因而水基流延浆料易沉淀分层,流变性和稳定性较差,所以在浆料配置过程中必须添加分散剂、粘结剂、增塑剂等添加剂,使浆料满足流延工艺要求。下文一起来看看对水基流延成型成败起着关键作用的添加剂。

1、粘接剂体系

粘接剂在流延成型中主要起到链接陶瓷粉体颗粒,提供生坯强度,保证坯片形成,控制流变行为的作用,目前水基流延体系较为常用的粘接剂主要有如下几种体系。

选用粘结剂应考虑的因素有,1)素坯膜的厚度;2)易烧除,不留有残余物;3)能起到稳定浆料和抑制颗粒沉降的作用;4)要有较低的塑性转变温度,以确保在室温下不发生凝结;5)考虑所用基板材料的性质,要易于分离素坯膜。

目前水基流延成型工艺中常用的粘结剂有2类:纤维素和乙烯或丙烯酸类聚合物。通常纤维素有离子型和非离子型之分,前者属聚合电解质,可同时起到粘结剂和分散剂的作用,后者主要起粘结剂作用;乙烯类添加剂是C-C长链结构,端部有自由基可以结合其他原子,若结合两个官能团则形成丙烯酸结构

表1:水基流延成型常用粘结剂

粘接剂

应用特点

羧酸酯单体

如丙烯酸等。该单体在开始时作为分散剂加入,然后改变成型条件使其聚合成高分子起到粘结剂的作用,但是该方法应用范围较窄,因为不同粉体需要不同类型的分散剂,分散剂分子量太小时难以形成空间位阻稳定,从而使分散效果受到影响。

聚乙烯醇

流延片强度较高,但是聚乙烯醇(PVA)粘结剂体系也有它的缺点:即浆料粘度较大、陶瓷粉体的固含量较小,一般体积分数在35%以下,干燥时间特别长、干燥后容易变形等,通常需要复合其他组分使用。

丙烯酰胺单体

可通过加入催化剂和引发剂后引发凝胶化反应,从而起到粘结剂的作用,改工艺取自凝胶注模成型,扩展应用于流延工艺--江湖人称水基凝胶流延成型。该工艺制备的流延片有机物含量低、强度高、干燥较快、生产效率高,但是由于存在氧气的阻聚作用,流延片表面容易掉粉起皮,需要较为复杂的设备搭配使用。

纤维素类

缺点是浆料固含量较低,流延片密度较低等。

乳胶体系

其优点是陶瓷粉体固含量高、干燥速度快、流延片相对密度可以达到55%,有机物含量低,易于烧除,基本上克服了以上几种粘结剂的不足,是比较理想的一种水基流延粘结剂。

2、增塑剂

由于加入粘结剂只能保证素坯的强度而不能使生坯具有足够的加工韧性,而且还会使有机物的玻璃化转变温度Tg高于室温。为了改变这种情况;加入一定量的增塑剂可降低粘结剂的玻璃化转变温度Tg,从而降低整个浆料体系的玻璃化温度Tg,使粘结剂在室温或室温以下都具有良好的流动性和成膜性;另外,增塑剂对粉体颗粒还起到润滑和桥联的作用,有利于浆料的分散稳定。

增塑剂的作用机理是增塑剂分子插入到粘结剂聚合物分子链之间,削弱聚合物分子链间的应力,从而增加聚合物分子链的移动性,降低聚合物分子链的结晶度,使聚合物的塑性增加。

表2:常用的水基流延成型用增塑剂

可用于水基流延成型的水溶性增塑剂包括醇类如丙三醇(甘油),聚合物如聚乙二醇(PEG)或聚丙烯醇(PPG),酞酸类添加剂如苯甲基丁基酞酸(BBP)和双丁基酞酸(DBP)。

3、分散剂

陶瓷颗粒在溶剂中的分散程度对素坯膜的显微结构有着十分重要的影响。陶瓷颗粒在液体中的分散一般来说是很不稳定,微小的颗粒有重新聚合成大团聚体的明显趋势,由此产生的颗粒簇的快速沉淀会造成分层效应。因此,大多数流延浆料中要添加分散剂,从而控制颗粒团聚程度,尤其对于高固相含量的浆料。

水基流延成型工艺所用的分散剂按分子表面活性基团和荷电情况分为离子(阴离子、阳离子和两性离子)和非离子两种。一般来说,阴离子表面活性剂主要用于颗粒表面带正电的中性或弱碱性的浆料;而阳离子表面活性剂主要用于颗粒表面带负电的中性或弱酸性的浆料。

目前常用的分散剂是聚电解质,其稳定机理以静电-空间位阻稳定机制为主,如NH4-PA、NH4-PMA及聚丙烯酸等。


粉体圈编辑:Alpha

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