一种陶瓷泥料、制备方法和应用与流程

文档序号:14946211发布日期:2018-07-17 21:29阅读:998来源:国知局

本发明涉及陶瓷材料技术领域,尤其涉及一种陶瓷泥料、制备方法和应用。



背景技术:

陶瓷材料已经渗透到众多领域,环保、节能、化工、石油、冶炼、食品、制药、生物医学等多个科学领域都离不开陶瓷材料。挤出成型、压制成型、流延成型和3d打印成型是陶瓷制备的重要工艺,因其简单易行、成本低而广受青睐。但是随着陶瓷技术的发展和产品结构的调整,瘠性坯料占的比重越来越大,尤其对于高档日用瓷和功能陶瓷,瘠性坯料含量高达80%以上,致使浆料塑性低、成型品质差,并成为影响工业生产的主要技术障碍。

一般来讲,塑性指数大于15为高塑性泥料,塑性指数在7~15之间为塑性泥料,塑性指数小于7为低塑性泥料。从国内现有的生产条件和研究情况来看,添加增塑剂是获得高塑性泥料最为有效的方法。

目前所用的增塑剂主要有两大类:无机类增塑剂和有机类增塑剂。无机类增塑剂主要是黏土类,有机类增塑剂有聚乙烯醇、甲基纤维素、淀粉等。这些增塑剂能够对瘠性颗粒进行吸附与水化,通过生成共用水膜强化颗粒间的相互作用,从而实现泥料增塑。为了取得良好的塑化效果,这些塑化剂的用量往往较大(用量一般大于15wt.%),再加上其本身较高的粘度,致使泥料的固含量不能进一步提升(固含量一般低于60wt.%),增大了陶瓷后续烧结的难度。另外,有机类增塑剂在烧除中可能存在环境污染问题,其残余物还会降低陶瓷的功能特性。球磨、优化粒径级配、陈腐等措施能够在一定程度上提高陶瓷泥料的塑性,但不能替代增塑剂的作用。



技术实现要素:

(一)要解决的技术问题

针对现有陶瓷泥料增塑剂用量大、存在污染等应用不足,本发明提供一种新颖环保的增塑方法:通过溶胶的凝胶化过程强化颗粒间的相互作用,从而提高陶瓷泥料的塑性。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题,本发明提供了如下技术方案:

一种陶瓷泥料的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:

(1)将分散剂、增稠剂、陶瓷粉体和增塑剂混合,获得混合料;

(2)边搅拌边向所述混合料中加入碱性溶液;

(3)继续搅拌,再进行陈腐,从而获得所述陶瓷泥料;

其中,所述增塑剂为酸性硅溶胶,ph为3~6,浓度为5~30wt.%;

所述陶瓷粉体包含粒径为30~50nm的颗粒和粒径为0.5~1μm的颗粒,占比分别为3~20wt.%和80~97wt.%。

优选地,所述碱性溶液选自氨水溶液、含有碳酸氢根的水溶液、含有碳酸根的水溶液、含有醋酸根的水溶液、含有柠檬酸根的水溶液或含有氢氧根的水溶液中的任一种,优选为氨水溶液,进一步优选为浓度为10~20wt.%的氨水溶液。进一步优选地,所述碱性溶液的质量占所述混合料质量的0.02~0.08wt.%;

所述酸性硅溶胶的质量占所述混合料质量的22~26.6wt.%。

优选地,所述陶瓷粉体为氧化铝陶瓷粉体或氧化锆陶瓷粉体,质量占所述混合料质量的73~77.6wt.%。

优选地,所述分散剂选自甘油、磷酸酯、三油酸甘油酯或三乙醇胺中的任一种,质量占所述混合料质量的0.1~0.3wt.%。

优选地,所述增稠剂选自羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇或聚乙二醇中的任一种,质量占所述混合料质量的0.3~0.5wt.%。

优选地,所述搅拌的时间不低于30分钟,优选为30~40分钟;

所述陈腐的时间为48~60小时。

一种陶瓷泥料,采用上述任一项所述制备方法制得。优选地,所述陶瓷泥料的塑性指数为15~18,固含量为70~78wt.%。

上述陶瓷泥料在采用挤出成型、压制成型、流延成型或3d打印成型任一种成型工艺制备陶瓷产品中的应用。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点:

本发明使用弱酸性硅溶胶(ph为3~6)作为增塑剂,由于酸性硅溶胶自身带有电荷,因此能够吸附在氧化铝、氧化锆等陶瓷粉体表面,在随后的制备步骤中,随着边搅拌边加入碱性溶液,分散的溶胶颗粒会发生聚合反应,生成凝胶,凝胶网络使陶瓷颗粒之间相互交联,颗粒之间的相互作用增强,使陶瓷泥料的塑性提高,同时还具有较高的固含量。经检测,当采用本发明提供的陶瓷泥料进行3d打印成型时,挤出压力4kg/cm2下泥料即可从直径2mm的喷嘴挤出,具有很好的打印成型性能。

附图说明

图1是本发明提供的陶瓷泥料制备方法的流程示意图;

图2是本发明提供的制备方法所用的增塑机理示意图;

图3是本发明所制备的陶瓷泥料用于3d挤出成型的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种陶瓷泥料的制备方法,如图1所示,所述制备方法包括如下步骤:

(1)将分散剂、增稠剂、陶瓷粉体和增塑剂混合,获得混合料。本发明所用的增塑剂为酸性硅溶胶,ph为3~6,浓度为5~30wt.%,质量占所述混合料质量的22~26.6wt.%,例如,具体可以为22wt.%、23wt.%、24wt.%、25wt.%、26wt.%或26.6wt.%。本发明使用弱酸性硅溶胶(ph为3~6)作为增塑剂,由于酸性硅溶胶自身带有电荷,因此能够吸附在氧化铝、氧化锆等陶瓷粉体表面。在随后的制备步骤中,随着边搅拌边加入碱性溶液,分散的溶胶颗粒会发生聚合反应,生成凝胶,凝胶网络使陶瓷颗粒之间相互交联,颗粒之间的相互作用增强,使陶瓷泥料的塑性提高(如图2所示)。所述陶瓷粉体包含粒径为30~50nm的颗粒和粒径为0.5~1μm的颗粒,占比分别为3~20wt.%和80~97wt.%。本发明提供的这一制备方法可以用于对各类陶瓷泥料的增塑,优选为氧化铝陶瓷泥料或氧化锆陶瓷泥料。氧化铝陶瓷泥料所用的陶瓷粉体为氧化铝陶瓷粉体,氧化锆陶瓷泥料所用的陶瓷粉体为氧化锆陶瓷粉体,氧化铝陶瓷粉体或氧化锆陶瓷粉体的质量占所述混合料质量的73~77.6wt.%,例如,具体可以为73wt.%、74wt.%、75wt.%、76wt.%、77wt.%或77.6wt.%。所用的分散剂可以选择甘油、磷酸酯、三油酸甘油酯或三乙醇胺中的任一种,质量优选为所述混合料质量的0.1~0.3wt.%,例如,具体可以为0.1wt.%、0.2wt.%或0.3wt.%。所用的增稠剂可以选择羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇或聚乙二醇中的任一种,质量优选为所述混合料质量的0.3~0.5wt.%,例如,具体可以为0.3wt.%、0.4wt.%或0.5wt.%。

(2)边搅拌边向所述混合料中加入碱性溶液。碱性溶液的作用是引发局部的溶胶聚合反应,强化颗粒间相互作用。所用的碱性溶液选自氨水溶液、含有碳酸氢根的水溶液、含有碳酸根的水溶液、含有醋酸根的水溶液、含有柠檬酸根的水溶液或含有氢氧根的水溶液中的任一种,优选为氨水溶液,进一步优选为浓度为10~20wt.%的氨水溶液。更优选地,所述碱性溶液的质量占所述混合料质量的0.02~0.08wt.%,例如,具体可以为0.02wt.%、0.03wt.%、0.04wt.%、0.05wt.%、0.06wt.%、0.07wt.%、0.08wt.%或0.09wt.%。在该步骤中,搅拌必不可少,因此,在加入碱性溶液调节ph的同时还需进行搅拌,并在碱性溶液全部加入后继续搅拌30分钟以上,优选为30~40分钟。搅拌可以保证颗粒交联的均匀性,在交联完成后,还可以提高泥料的均匀性。

(3)继续搅拌,搅拌时间优选为30~40分钟,然后,再进行陈腐,陈腐的时间可以选择48~60小时。陈腐结束后,即可获得一种本发明提供的高塑性的陶瓷泥料。

本发明提供的陶瓷泥料,采用上述制备方法制得。所述陶瓷泥料的塑性指数可达到15~18,固含量可达到70~78wt.%。

本发明提供的陶瓷泥料不但塑性高,而且还具有较高的固含量,应用范围广,可以应用于采用挤出成型、压制成型、流延成型或3d打印成型任一种成型工艺制备陶瓷产品中。

以下是本发明列举的实施例。

实施例1

首先,按照甘油0.1wt.%,羧甲基纤维素0.3wt.%,陶瓷粉体75.3wt.%的配比加入质量分数24.3wt.%、ph为3、浓度为5wt.%的酸性硅溶胶中,其中陶瓷粉体包含30~50nm的颗粒3wt.%,0.5~1μm的颗粒97wt.%。然后,对混合在一起的甘油、羧甲基纤维素、陶瓷粉体和酸性硅溶胶进行机械搅拌,并加入质量分数为0.08wt.%、浓度为10wt.%的氨水,引发局部的溶胶聚合反应。随后,持续搅拌30min,提高泥料均匀性。最后,陈腐48h,获得塑性指数为15、固含量为75wt.%的陶瓷泥料。

实施例2

首先,按照甘油0.1wt.%,羧甲基纤维素0.3wt.%,陶瓷粉体75.3wt.%的配比加入质量分数24.3wt.%、ph为3、浓度为5wt.%的酸性硅溶胶中,其中陶瓷粉体包含30~50nm的颗粒8wt.%,0.5~1μm的颗粒92wt.%。然后,对混合在一起的甘油、羧甲基纤维素、陶瓷粉体和酸性硅溶胶进行机械搅拌,并加入质量分数为0.08wt.%、浓度为10wt.%的氨水,引发局部的溶胶聚合反应。随后,持续搅拌30min,提高泥料均匀性。最后,陈腐48h,获得塑性指数为16、固含量为75wt.%的陶瓷泥料。

实施例3

首先,按照甘油0.1wt.%,羧甲基纤维素0.3wt.%,陶瓷粉体75.3wt.%的配比加入质量分数24.3wt.%、ph为3、浓度为5wt.%的酸性硅溶胶中,其中陶瓷粉体包含30~50nm的颗粒16wt.%,0.5~1μm的颗粒84wt.%。然后,对混合在一起的甘油、羧甲基纤维素、陶瓷粉体和酸性硅溶胶进行机械搅拌,并加入质量分数为0.08wt.%、浓度为10wt.%的氨水,引发局部的溶胶聚合反应。随后,持续搅拌30min,提高泥料均匀性。最后,陈腐48h,获得塑性指数16.5、固含量为75wt.%的陶瓷泥料。

实施例4

首先,按照甘油0.1wt.%,羧甲基纤维素0.3wt.%,陶瓷粉体75.3wt.%的配比加入质量分数24.3wt.%、ph为3、浓度为5wt.%的酸性硅溶胶中,其中陶瓷粉体包含30~50nm的颗粒16wt.%,0.5~1μm的颗粒84wt.%。然后,对混合在一起的甘油、羧甲基纤维素、陶瓷粉体和酸性硅溶胶进行机械搅拌,并加入质量分数为0.08wt.%、浓度为10wt.%的氨水,引发局部的溶胶聚合反应。随后,持续搅拌30min,提高泥料均匀性。最后,陈腐48h,获得塑性指数17、固含量为75wt.%的陶瓷泥料。

实施例5

首先,按照甘油0.1wt.%,羧甲基纤维素0.3wt.%,陶瓷粉体77.2wt.%的配比加入质量分数22.4wt.%、ph为3、浓度为5wt.%的酸性硅溶胶中,其中陶瓷粉体包含30~50nm的颗粒8wt.%,0.5~1μm的颗粒92wt.%;然后,对混合在一起的甘油、羧甲基纤维素、陶瓷粉体和酸性硅溶胶进行机械搅拌,并加入质量分数为0.08wt.%、浓度为10wt.%的氨水,引发局部的溶胶聚合反应。随后,持续搅拌30min,提高泥料均匀性。最后,陈腐48h,获得塑性指数15、固含量为77wt.%的陶瓷泥料。

实施例6

首先,按照甘油0.1wt.%,羧甲基纤维素0.3wt.%,陶瓷粉体75.3wt.%的配比加入质量分数24.3wt.%、ph为6、浓度为5wt.%的酸性硅溶胶中,其中陶瓷粉体包含30~50nm的颗粒8wt.%,0.5~1μm的颗粒92wt.%。然后,对混合在一起的甘油、羧甲基纤维素、陶瓷粉体和酸性硅溶胶进行机械搅拌,并加入质量分数为0.02wt.%、浓度为10wt.%的氨水,引发局部的溶胶聚合反应。随后,持续搅拌30min,提高泥料均匀性。最后,陈腐48h,获得塑性指数16、固含量约75wt.%的陶瓷泥料。

实施例7

首先,按照甘油0.1wt.%,羧甲基纤维素0.3wt.%,陶瓷粉体75.3wt.%的配比加入质量分数24.3wt.%、ph为6、浓度为10wt.%的酸性硅溶胶中,其中陶瓷粉体包含30~50nm的颗粒8wt.%,0.5~1μm的颗粒92wt.%。然后,对混合在一起的甘油、羧甲基纤维素、陶瓷粉体和酸性硅溶胶进行机械搅拌,并加入质量分数为0.02wt.%、浓度为10wt.%的氨水,引发局部的溶胶聚合反应。随后,持续搅拌30min,提高泥料均匀性。最后,陈腐48h,获得塑性指数17.5、固含量为75wt.%的陶瓷泥料。

实施例8

首先,按照甘油0.1wt.%,羧甲基纤维素0.3wt.%,陶瓷粉体75.3wt.%的配比加入质量分数24.3wt.%、ph为6、浓度为20wt.%的酸性硅溶胶中,其中陶瓷粉体包含30~50nm的颗粒8wt.%,0.5~1μm的颗粒92wt.%。然后,对混合在一起的甘油、羧甲基纤维素、陶瓷粉体和酸性硅溶胶进行机械搅拌,并加入质量分数为0.02wt.%、浓度为10wt.%的氨水,引发局部的溶胶聚合反应。随后,持续搅拌30min,提高泥料均匀性。最后,陈腐48h,获得塑性指数18、固含量为75wt.%的陶瓷泥料。

实施例9

首先,按照甘油0.1wt.%,羧甲基纤维素0.3wt.%,陶瓷粉体75.3wt.%的配比加入质量分数24.3wt.%、ph为6、浓度为30wt.%的酸性硅溶胶中,其中陶瓷粉体包含30~50nm的颗粒8wt.%,0.5~1μm的颗粒92wt.%。然后,对混合在一起的甘油、羧甲基纤维素、陶瓷粉体和酸性硅溶胶进行机械搅拌,并加入质量分数为0.02wt.%、浓度为10wt.%的氨水,引发局部的溶胶聚合反应。随后,持续搅拌30min,提高泥料均匀性。最后,陈腐48h,获得塑性指数17.5、固含量为75wt.%的陶瓷泥料。

实施例10至实施例13的制备方法同实施例1基本上相同,不同之处见表1。

采用图3中的3d打印设备进行3d打印,原料分别为实施例1至实施例13制备的陶瓷泥料。在挤出压力4kg/cm2下,上述各份陶瓷泥料即可从直径2mm的喷嘴挤出,具有很好的打印成型性能。

本发明提供了几组对比产品。

对比例1提供的陶瓷泥料采用如下方法进行制备:氧化铝陶瓷粉末(粒径为30~50μm)、甘油、羧甲基纤维素和黏土混合,质量比为75.3:0.1:0.3:24.3。然后,再加入水,得到陶瓷泥料。经检测,其塑性指数为11,固含量为59wt.%。

对比例2提供的陶瓷泥料采用如下方法进行制备:将250g氧化铝陶瓷粉末(粒径为30~50μm)、0.306g氨水(浓度为10wt.%)和40g水混合搅拌30min,然后,再加入1.5g琼脂糖,混合均匀,得到陶瓷泥料。经检测,其塑性指数为10,固含量为55wt.%。

对比例3提供的陶瓷泥料采用如下方法进行制备:将250g氧化铝陶瓷粉末(粒径为30~50μm)、0.306g氨水(浓度为10wt.%)和40g水混合搅拌30min,然后,再加入1.5g碱性硅溶胶(市售产品),混合均匀,得到陶瓷泥料。经检测,其塑性指数为11,固含量为58wt.%。

对比例4提供的陶瓷泥料采用如下方法进行制备:取1份碱性硅溶胶(市售产品)溶解于去离子水中形成0.2mol/l的硅溶胶溶液,称取10份硝酸锆溶解于无水乙醇中形成0.2mol/l的硝酸锆溶液,称取0.5份硝酸钇溶解于无水乙醇中形成0.2mol/l的硝酸钇溶液。将上述三种溶液混合搅拌均匀,然后加入5ml浓度为10%的硝酸将混合溶液的ph值调至5.0。将0.5份sic晶须与88份氧化铝粉体加入到上述混合溶液中,放入球磨罐中进行球磨,得到陶瓷泥料。经检测,其塑性指数为12,固含量为60wt.%。

最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

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