應用于陶瓷注射成型技術的新型水基粘結劑
時間:2005-09-27
郭寶華1 張嬌月1 徐軍1 司文捷2 謝志鵬2
（1 清華大學化工系 2 清華大學材料系；北京 100084）
陶瓷注射成型技術是一種精密陶瓷材料的快速成型技術[1]，其特點是：適于制備體積小、形狀復雜、尺寸精度要求高的陶瓷零件，能夠實現自動化連續生產。該技術的生產過程包括如下幾個主要步驟：混料、注射、脫脂和燒結。其中，粘結劑和脫脂工藝是該技術的核心。目前已開發的脫脂工藝包括：熱脫脂、催化脫脂、有機溶劑脫脂、水脫脂、虹吸脫脂等。其中，水脫脂工藝具備快速高效和環境友好的優勢，有良好的發展前景。
粘結劑在整個陶瓷注射成型技術工藝中有兩個基本作用[2][3]：與陶瓷粉末均勻混合，使其在一定溫度和注射壓力下具有良好的流動性，能夠順利完成注射成型；在脫脂階段，一方面能夠通過一定的脫脂工藝快速、順利地從陶瓷注射樣品中脫除，另一方面又要維持樣品完好的形狀。為了滿足上述基本要求，應用于陶瓷注射成型的粘結劑一般為多組分體系。對于水基粘結劑而言，一般包括如下組分：水溶性聚合物、非水溶性聚合物、表面活性劑、增塑劑和潤滑劑。
間苯二甲酸二甲酯-5-磺酸鈉（SIPM）與聚乙二醇（PEG）的縮聚產物是一種具有良好的水溶性和熱穩定性的聚酯。本文通過高溫縮聚反應制備了水溶性聚酯SIPM-PEG200，并利用核磁、紅外、TGA和DSC對其進行表征。在空氣氛中SIPM-PEG200的分解溫度為300℃，DSC結果表明其為非晶聚合物，玻璃化轉變溫度為80.3℃，SIPM-PEG200的熱塑性和良好的水溶性使其能夠作為粘結劑的主體應用于陶瓷注射成型技術。本文研究了以SIPM-PEG200為主體的水溶性粘結劑，其組成包括：SIPM-PEG200、乙烯醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、甘油、鋁酸酯偶聯劑和潤滑劑，并且利用上述粘結劑制備了Al2O3注射料。
水溶性聚酯SIPM-PEG200主鏈上有具有極性親水集團－SO3Na，并且PEG的聚醚鏈段也具有良好的水溶性，這使得SIPM-PEG200聚有高的水溶解速率[4]，實驗表明由上述水溶性粘結劑制備的注射料不僅具有高的水脫脂速率，而且樣品在脫脂后沒有裂縫和脹裂等缺陷。直徑為10mm，厚度為2mm的樣品在60℃的水中脫脂8小時，水溶性組分的脫除量達到90％（見1）。實驗表明，粘結劑中水溶性組分的含量越高，水脫脂速率越快，但粘結劑組成中保持一定量的非水溶組分對于維持坯體的完好形狀是必要的。
陶瓷注射料的流動性是注射成型步驟中必須考慮的因素。本文的研究表明，固含量、輔助粘結劑的種類和粘結劑中各組分的含量都是影響注射料流動性的重要因素。以EVA為輔助粘結劑制備的注射料的粘度低于以PVB為輔助粘結劑的體系；本文研究的Al2O3注射料為假塑性流體，表觀粘度隨剪切速率的提高而降低。在200℃下，在100s－1-2000s－1剪切速率區間，表觀粘度為100Pa·S～1000Pa·S（見圖2），可以順利完成注射成形，從圖2得到在穩定流動狀態下的粘流活化能為49.6KJ/mol（見圖3），可以根據加工中對注射料流動性的要求選擇合適的加工溫度。
參考文獻：
[1]梁叔全，黃伯云，粉末注射成形流變學，長沙：中南大學出版社，2000：5
[2]林健涼，曲選輝，范景蓮，李篤信，陶瓷粉末注射成形中的關鍵影響因素，硬質合金，2001，6：100
[3]Mohan J Edirisinghe*,Injection moulding of ceramics, Powder Metallurgy, 1990,June:367
[4]Li-Huei Lin,Hsin-Jiant Liu,Jiunn-Jer Hwang,Preparation and dispersion properties of water-soluble polyethylene glycol-dimethyl 5-sulfoisophthalate sodium salt polyester surfactants,Colloids and Surfaces A:Physicochem.Eng.,2002,January:173-178
論文來源:
2004年全國高分子材料科學與工程研討會論文集
