[发明专利]一种响应凝胶注模成型方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷成型技术领域，涉及一种改进的凝胶注模成型方法。

背景技术

20世纪90年代初期美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge Naional Laboratory，ORNL)的MarkA.Janney等提出凝胶注模成型技术【US Patent，5145908，1992】，即一种制备高性能、复杂形状陶瓷部件的近净成型技术。该技术的典型工艺为：首先，将采用陶瓷粉体和含有机单体水溶液制备的悬浮液注入模具，有机单体发生聚合反应将粉体颗粒原位包裹、固定；然后，将脱除模具后的凝胶体(固化后所得的坯体)进行干燥、烧结。由于具有坯体强度高、内部结构均匀和成本低廉等特点，凝胶注模成型技术已广泛用于制备各种陶瓷材料如Al₂O₃、SiC、Si₃N₄、ZrO₂以及以ZTA为代表的复相陶瓷和粗颗粒耐火材料等【中国有色金属学报，2010，20(3)：496-509.】。虽然凝胶注模成型技术具有很多显著的优点，但是它仍然很不完善，存在很多缺点。

凝胶注模成型技术最明显的一个缺点是其生产效率较低。在坯体的干燥过程中，为了避免因干燥应力而产生的卷曲、开裂等缺陷，干燥环境通常必须控制为较低的温度和较高的湿度等条件，因此干燥工序耗时较长，特别是大尺寸厚壁的部件。可见，干燥是凝胶注模成型技术中效率最低的工序。它几乎已经成为制约凝胶注模成型技术发展的瓶颈，严重地限制其在工业生产中的大规模应用【Journal of the European Ceramic Society，1997，17(2-3)：407-413.】。为了解决这一问题，联合信号集团公司(Allied Signal Incorporated Co.)甚至还研发出一套能够实时控制干燥环境的干燥系统来干燥凝胶注模坯体【Proceedings of the 1997IEEEinternational conference on control applications，1997，271-276】，但干燥效率仍然难以提高。此外，凝胶注模成型技术的前提条件是要求获得高固相体积分数、低粘度的粉体悬浮液。但是采用某些粒度细小的粉体，特别是纳米粉体制备的悬浮液往往难以达到要求【中国专利，CN1978385A，2007】。因此，这一要求也限制了凝胶注模成型技术的应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种改进的凝胶注模成型技术——响应凝胶注模成型，即采用特殊的凝胶体系制备坯体，再施加外界条件(如温度、酸碱度和电场等)作用，使之受刺激而出现自主排水、收缩等响应，从而达到降低悬浮液性能要求、快速干燥坯体和提高坯体密度等目的。本发明公布几种此类特殊的适用于凝胶注模的凝胶体系：温度响应凝胶体系如N取代丙烯酰胺类(N-异丙基丙烯酰胺和N，N-二乙基丙烯酰胺等)和环氧乙烷等凝胶体系；酸碱度响应凝胶体系如丙烯酸类(丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸丙酯等)凝胶体系；电场响应凝胶体系如环氧乙烷等凝胶体系。采用本发明成型陶瓷坯体能够降低悬浮液高固相体积分数的要求，实现坯体快速干燥，解决传统的凝胶注模成型厚壁件干燥困难的难题。此外，本发明还具有操作简单、效率高、能耗小等特点，适合工业化生产。

本发明的技术方案是：

一种响应凝胶注模成型方法，包括以下步骤：

1)坯体的制备

将一定量的单体、交联剂、分散剂和陶瓷粉体加入水中，制得浆料；再对浆料进行真空除气后加入引发剂和催化剂；然后注入模具中进行固化；所述的单体包括温度响应凝胶体系用单体、酸碱度响应凝胶体系用单体、电场响应凝胶体系用单体中的一种或几种的混合物；

2)坯体的干燥

对脱模后所得的湿坯分两步进行干燥：第一步为在特定条件下排出坯体内的水分；所述的特定条件为：温度响应凝胶体系的特定条件为10～100℃的温度场作用下处理0.1～10h；酸碱度响应凝胶体系的特定条件为pH值为1～5或8～14的溶液中处理0.1～10h；电场响应凝胶体系的特定条件为0.1～1000V电场作用下处理0.001～5h；第二步为在10～100℃温度条件下将剩余的水分除去；

3)坯体的排胶与烧结

将干燥后的坯体进行排胶和烧结。

步骤1)所述的温度响应凝胶体系用单体包括N取代丙烯酰胺类、环氧乙烷中的一种或几种；所述的酸碱度响应凝胶体系用单体包括丙烯酸类；所述的电场响应凝胶体系用单体包括环氧乙烷。