吳 彤

（清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，清遠(yuǎn) 511000）

引言

陶瓷添加劑按照化學(xué)組成通常分為無(wú)機(jī)添加劑、有機(jī)添加劑和高分子分散劑；按照功能可分為分散劑、膠黏劑、消泡劑、防腐劑等［1］。氧化鋁陶瓷作為一種高性能陶瓷材料，在制備過(guò)程中，往往需要較高的固相含量以達(dá)到強(qiáng)度等方面的要求，而高固相含量的漿體在制備過(guò)程中往往由于粘度過(guò)大無(wú)法進(jìn)行有效的成形，因此在氧化鋁陶瓷制備中通過(guò)引入一定量的分散劑用于改善漿體的流動(dòng)等性能［2，3］。與此同時(shí)，為了進(jìn)一步增大氧化鋁陶瓷的強(qiáng)度，陶瓷黏合劑成為首選。本文主要從分散劑和黏合劑的添加對(duì)氧化鋁陶瓷致密性的影響等展開討論，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，選用陰離子表面活性分散劑對(duì)氧化鋁陶瓷的致密性有積極的意義，選用的粘合劑改性淀粉可起到均勻分散和提高粘結(jié)力的作用，在作用過(guò)程中容易形成化學(xué)交聯(lián)和物理吸附網(wǎng)絡(luò)，從而提高了氧化鋁坯體強(qiáng)度。高溫時(shí)，改性淀粉會(huì)發(fā)生氧化分解，形成的小分子或結(jié)構(gòu)片段幾乎全部逸出體系，不會(huì)對(duì)氧化鋁的組成產(chǎn)生任何影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

本實(shí)驗(yàn)選用河南鄭州富煒新型材料有限公司生產(chǎn)的純度大于99.7%，粒徑為1.5μm的α-氧化鋁粉末為原料，分散劑選用陰離子型多元共聚物HC323，黏合劑采用華南理工大學(xué)輕化工研究所的改性淀粉，消泡劑選用中聯(lián)邦二甲基硅油。

1.2 制備

Al2O3懸浮漿料的制備是將去離子水、分散劑、氧化鋁粉體等原料計(jì)量后，混合球磨4h，制成分散均勻、懸浮穩(wěn)定的氧化鋁漿料。漿體制備好后，加入一定量改性淀粉，繼續(xù)球磨2h后制成穩(wěn)定的Al2O3懸浮漿料。均勻懸浮的漿料經(jīng)過(guò)真空攪拌機(jī)抽真空除泡后注入到表面涂有脫模劑的無(wú)孔模具中，然后將模具帶料放入烘箱內(nèi)進(jìn)行干燥，使溫度緩慢上升至80℃，然后保溫9h，直到陶瓷漿料形成凝膠而固化。

1.3 表征

采用美國(guó)Nicolet（尼高力）公司生產(chǎn)的Nexus型光譜分析儀測(cè)定分散劑的基團(tuán)類型。采用荷蘭Philips公司型號(hào)為30XL FEG的掃描電子顯微鏡觀察坯體形貌。采用德國(guó)ZEISS公司型號(hào)為AXIVOET-CA15光學(xué)顯微鏡觀察懸浮分散性。采用美國(guó)Brookfield公司生產(chǎn)的R/S-SST型流變儀測(cè)量Al2O3漿料表觀粘度。采用寧波自動(dòng)化儀表廠型號(hào)為H.S.G-IS-6電熱恒溫水浴鍋對(duì)含有淀粉的漿體進(jìn)行加熱。采用新棟力超聲電子設(shè)備有限公司型號(hào)為NP－B－28－400的超聲波發(fā)生器對(duì)物料進(jìn)行分散。采用美國(guó)Quantachrome公司生產(chǎn)P33型的壓汞儀測(cè)量坯體的氣孔尺寸和分布。

圖1 分散劑HC323FT－IR分析圖譜（波數(shù) 1200～3500cm－1）

2 結(jié)果與討論

2.1 分散劑的基團(tuán)及分散機(jī)理研究

圖1為所采用分散劑HC323的紅外光譜圖。從圖中可以看出該分散劑為多元共聚物，主要由磺酸鹽、丙烯酸、丙烯酸酯和磷酸組成?；撬峄鶐в幸欢ㄘ?fù)電荷，是一種陰離子表面活性劑。丙烯酸及丙烯酸酯在分散劑聚合過(guò)程中，可使各種聚合反應(yīng)加快，使分散劑具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。所檢測(cè)分散劑基團(tuán)中的磷酸根基團(tuán)主要為磺酸基等基團(tuán)提供鏈接，而這種基團(tuán)間的鏈接可以很好保證分散劑本身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)由于磷酸根具有較高價(jià)位，離子交換能力較強(qiáng)。以上的共聚物組成為分散劑HC323在分散過(guò)程中靜電穩(wěn)定機(jī)制和位阻穩(wěn)定機(jī)制提供了理論保證，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合穩(wěn)定機(jī)制，凸顯出該分散劑的優(yōu)勢(shì)。

2.2 改性淀粉對(duì)Al2O3懸浮漿料分散性影響

圖2是在固相體積含量為50%的Al2O3漿料中加入1 wt.%改性淀粉所制備漿料中的顆粒分布情況的顯微觀察照片，漿料均經(jīng)過(guò)10min超聲分散。從圖（A）中看出，Al2O3顆粒在漿料中分散良好，但是由于Al2O3顆粒較小，表面能及比表面積較大，活性較高，所以不能完全避免顆粒團(tuán)聚；而當(dāng)加入淀粉后，如圖（B）中顯示，漿料顆粒的分散性得到提高，同時(shí)改性淀粉在漿料中的分布也比較均勻，這是由于改性淀粉具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，在進(jìn)入水－Al2O3膠體體系后，在機(jī)械力的作用下，水分子和淀粉分子游離羥基結(jié)合，使得改性淀粉顆粒在水中得到了較好的分散。而改性淀粉具有一定的粘附性，使得淀粉顆粒與Al2O3顆粒結(jié)合較為緊密，從而隨著改性淀粉顆粒的均勻分布，也會(huì)促進(jìn)Al2O3顆粒的均勻分布。

圖2 固相含量為50%的Al2O3漿料分散情況觀察（A－不含淀粉；B－1wt.%淀粉）

2.3 含改性淀粉Al2O3漿料表觀粘度隨溫度的變化

圖3為Al2O3固相體積含量50%、0.8 wt.%分散劑HC323和1 wt.%改性淀粉條件下所制備漿料在升溫直至固化過(guò)程中的流變曲線。由圖可知，溫度范圍在30～55℃內(nèi)，Al2O3漿料的粘度基本沒(méi)有變化；當(dāng)溫度升至55℃時(shí)，漿料粘度開始快速上升，這是由于改性淀粉在該溫度下，開始大量吸收氧化鋁漿料中的自由水而膨脹，膨脹后的改性淀粉會(huì)逐漸變成一種具有粘彈性的膠體，所形成的膠體會(huì)粘附在Al2O3顆粒表面，使得顆粒間的排列更加緊密，宏觀上表現(xiàn)出漿料的表觀粘度逐漸增大。同時(shí)該溫度也是改性淀粉發(fā)生膠粘的起始溫度，隨著粘度的增大，改性淀粉開始發(fā)揮膠粘作用。

2.4 加入陶瓷添加劑的Al2O3陶瓷坯體顯微結(jié)構(gòu)

圖3 50%Al2O3－淀粉漿料在不同溫度下的表觀粘度的變化曲線

圖4是用固相含量50%，改性淀粉1 wt.%、分散劑1.5 wt.%漿料所制備坯體微觀形貌。從圖中可以看出，Al2O3陶瓷坯體的斷面結(jié)構(gòu)較平整，氣孔尺寸較小且分布也比較均勻，沒(méi)有看到明顯的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，這表明漿料已經(jīng)得到良好的分散。在改性淀粉固化過(guò)程中，坯體也保持了較好的穩(wěn)定性，即在改性淀粉固化后，顆粒仍保持了較緊密的堆積，即高固相Al2O3陶瓷在添加劑作用下能形成較好的微觀結(jié)構(gòu)。

圖4 加入陶瓷添加劑Al2O3陶瓷坯體斷面的SEM圖像

2.5 應(yīng)用消泡劑消除漿料氣泡和減少坯體缺陷

本實(shí)驗(yàn)所采用的消泡劑是二甲基硅油，有機(jī)硅消泡劑有較好的消泡性能，其表面張力低，比水、表面活性劑水溶液及一般油類都要低，因而很適宜作為消泡劑；它在水及一般油中的溶解度低且活性高；聚硅氧烷分子結(jié)構(gòu)特殊，主鏈為硅氧鍵，為非極性分子，與極性溶劑水不親和，與一般油品親和性也很??；揮發(fā)性低并具有化學(xué)惰性；無(wú)生理毒性。另一方面由于淀粉是一種天然高分子聚合物，在與Al2O3顆?；旌蠒r(shí)，在介質(zhì)水的作用下，會(huì)釋放出較多的氣泡，所以在制備漿料時(shí)加入適量的消泡劑，將有利于改善由于氣泡存在而使球磨罐中的氣壓過(guò)大所引起的密封問(wèn)題，同時(shí)，消泡劑也能抑制漿料在注漿時(shí)形成氣泡，以保障制備的坯體在干燥后具有一定的強(qiáng)度［4，5］。

圖5是水∶消泡劑體積比例為100∶1混合液漿料制備坯體的氣孔分布與未加消泡劑對(duì)比曲線，兩者固相體積分?jǐn)?shù)均為58%，分散劑HC323為1.5 wt.%，淀粉含量為1.0 wt.%條件下所制備的坯體。從圖中可以看出，添加消泡劑的坯體相對(duì)于未加消泡劑坯體，其氣孔率［6］和氣孔尺寸都有一定的下降。在未加入消泡劑時(shí)氣孔率為27.92%，加入消泡劑后氣孔率減小到24.16%，下降了13.47%。這說(shuō)明有機(jī)硅消泡劑在陶瓷漿料中起到了一定的消泡作用。

圖5 添加消泡劑與未添加消泡劑的坯體中氣孔的分布曲線

3 結(jié)論

3.1 HC323作為一種四元共聚物，對(duì)坯體結(jié)構(gòu)均勻性提供了理論保證。

3.2 改性淀粉在水-Al2O3體系中，當(dāng)溫度升高至55℃時(shí)，漿體粘度發(fā)生急劇增加。這主要由于改性淀粉發(fā)生糊化形成了粘彈性膠體包裹在顆粒周圍所致，從顯微結(jié)構(gòu)分析，改性淀粉提供粘結(jié)作用的同時(shí)也對(duì)坯體結(jié)構(gòu)的均化具有正向作用。

3.3 消泡劑的加入可使坯體氣孔率從27.92%下降至24.16%。