一種用于冷凍成型的y?tzp漿料制備方法
【專利摘要】一種用于冷凍成型的Y?TZP漿料制備方法，漿料由微米級(jí)Y?TZP（以Y2O3為穩(wěn)定劑的四方多晶氧化鋯）粉末和混合液體構(gòu)成，Y?TZP粉末和混合液體的質(zhì)量比為（320?600）：100，混合液體是以去離子水為溶劑并加入冷凍助劑、分散劑和有機(jī)粘結(jié)劑混合得到，所述的冷凍助劑、分散劑和有機(jī)粘結(jié)劑的加入量分別為去離子水質(zhì)量的1.0%~2.5%、0.5%~2.0%、0.4%~1.0%。將Y?TZP粉末分批加入混合液體中球磨12~24小時(shí)制得漿料，根據(jù)成型工藝的要求，還可以進(jìn)一步通過pH值調(diào)節(jié)漿料的粘度。所述的Y?TZP漿料在低溫環(huán)境下冷凍成型，可用于擠出冷凍3D打印工藝和注漿冷凍成型工藝。
【專利說明】
一種用于冷凍成型的Y-TZP漿料制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及低溫環(huán)境中冷凍成型的漿料制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]Y-TZP是以Y2O3為穩(wěn)定劑的四方多晶氧化鋯，這種材料由非常細(xì)小的氧化鋯晶粒組成，燒結(jié)溫度較低，具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、較高的斷裂韌性、高化學(xué)穩(wěn)定性、良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械工程、能源、電子信息、口腔醫(yī)學(xué)等行業(yè)。
[0003]成型技術(shù)是制備Y-TZP零件的關(guān)鍵技術(shù)，成型技術(shù)和工藝的改進(jìn)對(duì)于提高零件的制造質(zhì)量和降低制造成本具有重要的意義。陶瓷的各種成型技術(shù)均可用于Y-TZP零件的成型，一般可分為干法和濕法兩大類。干法成型的成型對(duì)象是陶瓷粉料和空氣的混合物，濕法成型的對(duì)象是陶瓷粉料和水或有機(jī)介質(zhì)及添加劑的混合體系。相比而言，濕法成型工藝簡(jiǎn)單、成型坯體組分均勻、缺陷少、易于成型復(fù)雜形狀零件，可以制備出高性能的陶瓷零件。但濕法成型也存在各種局限性，如普通注漿成型注漿時(shí)間較長(zhǎng)，坯體含水率大，均勻性差，形狀粗糙，干燥和燒成收縮大，強(qiáng)度也不高，而且生產(chǎn)效率低;注射成型需加入體積含量45%-50%有機(jī)添加劑，而且成型中利用熱塑性樹脂作為塑性載體，且含量較高，在燒結(jié)之前必須進(jìn)行素坯的脫脂過程，在脫脂過程中往往由于有機(jī)物的富集和顆粒的重排等現(xiàn)象，使坯體均勻性變差，易于開裂。
[0004]采用濕法成型工藝制備高質(zhì)量的Y-TZP零件，首先要盡量使用有機(jī)粘結(jié)劑少的高固相低黏度的漿料，其次需要凈尺寸原位凝固成型。以水基Y-TZP漿料在冷凍環(huán)境下成型可以滿足以上兩個(gè)條件。由于水在添加劑的作用下可以制備出高固相低黏度的漿料，而且水在冷凍環(huán)境下又成為了陶瓷粉體的粘結(jié)劑，因此可以使用很少的有機(jī)粘結(jié)劑，從而避免了有機(jī)粘結(jié)劑脫脂過程中產(chǎn)生的各種問題。由于水基漿料可以在冷凍環(huán)境下凍結(jié)，從而可以實(shí)現(xiàn)素坯的原位凝固成型，結(jié)合后期的冷凍干燥工藝，避免了干燥過程中的收縮和變形。用水基Y-TZP漿料進(jìn)行冷凍成型可以結(jié)合注漿成型或3D打印技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜形狀零件的制作。比如冷凍3D打印設(shè)備是在冷凍環(huán)境下工作，將水基Y-TZP漿料經(jīng)擠出后在工作平臺(tái)上堆積，就可以直接成型立體零件素坯，經(jīng)冷凍干燥和燒結(jié)可獲得Y-TZP零件。而適合冷凍環(huán)境下成型的Y-TZP漿料成為用冷凍成型工藝制造Y-TZP零件的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種用于冷凍成型的Y-TZP漿料制備方法本發(fā)明是一種用于冷凍成型的Y-TZP漿料制備方法，其步驟為:
(I)以去離子水為溶劑，將冷凍助劑、分散劑和粘結(jié)劑加入去離子水中，攪拌10?20分鐘，制得混合液體;混合液體中去離子水、冷凍助劑、分散劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為100:(1.0-
2.5):(0.5?2.0):(0.4?1.0);所述冷凍助劑為丙三醇、二甲基亞砜、三聚甘油單硬脂酸酯、乙二醇、明膠肽、丙烯乙二醇中的一種或幾種的混合物;所述分散劑為聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸銨、聚乙二醇、檸檬酸銨中的一種或幾種的混合物;所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇、聚丙烯酸酯聚合物、甲基纖維素、卡拉膠中的一種或幾種的混合物；
(2)將上述得到的混合液體加入球磨罐，將微米級(jí)Y-TZP粉末分批加入球磨罐中的混合液體中，球磨12?24小時(shí);其中，混合液體和Y-TZP粉末的質(zhì)量比為10:(320?600);
(3 )在上述球磨得到的楽料中，根據(jù)成型工藝的對(duì)楽料粘度的要求，還能夠進(jìn)一步通過PH值調(diào)節(jié)漿料的粘度，漿料經(jīng)真空除氣5-10分鐘后，密封存放。
[0006]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):通過本發(fā)明的制備方法得到的Y-TZP漿料體系穩(wěn)定，與現(xiàn)有陶瓷漿料的最主要區(qū)別是漿料中加入了冷凍助劑，從而可以適合冷凍環(huán)境下成型；由于水在冷凍成型下可以起到粘結(jié)作用，不僅實(shí)現(xiàn)了零件的原位凝固成型，質(zhì)量成型質(zhì)量高，而且可以大大減少漿料中有機(jī)粘結(jié)劑的使用量，燒結(jié)過程環(huán)境友好;漿料通過分散劑的作用和分散體系的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)低粘度下球磨和球磨后通過PH值調(diào)節(jié)粘度，以適應(yīng)不同成型工藝的需要，制備工藝簡(jiǎn)單。
【具體實(shí)施方式】
[0007]本發(fā)明是一種用于冷凍成型的Y-TZP漿料制備方法，其步驟為:
(1)以去離子水為溶劑，將冷凍助劑、分散劑和粘結(jié)劑加入去離子水中，攪拌10?20分鐘，制得混合液體;混合液體中去離子水、冷凍助劑、分散劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為100:(1.0-
2.5):(0.5?2.0):(0.4?1.0);所述冷凍助劑為丙三醇、二甲基亞砜、三聚甘油單硬脂酸酯、乙二醇、明膠肽、丙烯乙二醇中的一種或幾種的混合物;所述分散劑為聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸銨、聚乙二醇、檸檬酸銨中的一種或幾種的混合物;所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇、聚丙烯酸酯聚合物、甲基纖維素、卡拉膠中的一種或幾種的混合物；
(2)將上述得到的混合液體加入球磨罐，將微米級(jí)Y-TZP粉末分批加入球磨罐中的混合液體中，球磨12?24小時(shí);其中，混合液體和Y-TZP粉末的質(zhì)量比為100:(320?600);
(3 )在上述球磨得到的楽料中，根據(jù)成型工藝的對(duì)楽料粘度的要求，還能夠進(jìn)一步通過PH值調(diào)節(jié)漿料的粘度，漿料經(jīng)真空除氣5-10分鐘后，密封存放。
[0008]以上所述的Y-TZP漿料制備方法，步驟(I)中混合液體的攪拌方法為機(jī)械攪拌或者電磁攪拌方法，攪拌時(shí)能夠加熱，加熱溫度不高于50°C。
[0009]以上所述的Y-TZP漿料制備方法，步驟(I)中的粘結(jié)劑需要配制成5?15%的水溶液使用，水溶液中水的質(zhì)量計(jì)入混合液體的去離子水中。
[0010]以上所述的Y-TZP漿料制備方法，步驟(2)中Y-TZP粉末在球磨時(shí)分3~5批加入混合液體中，每批次新加粉末在前一批次粉末在混合液體中球磨潤(rùn)濕后再加入球磨罐。
[0011 ]以上所述的Y-TZP漿料制備方法，步驟(3)中如果進(jìn)一步調(diào)節(jié)漿料粘度，其調(diào)節(jié)方法為在球磨后漿料中滴入5%稀鹽酸或者氨水并攪拌均勻，漿料的pH值變動(dòng)范圍為5?10。
[0012]以上所述的Y-TZP漿料制備方法，所制備的漿料在室溫環(huán)境下制備，在O°C到零下80°C之間的低溫環(huán)境下冷凍成型，能用于擠出冷凍3D打印工藝和注漿冷凍成型工藝，成型后的零件素坯經(jīng)冷凍干燥和高溫?zé)Y(jié)后獲得Y-TZP零件。
[0013]以下通過實(shí)施例進(jìn)一步展開本發(fā)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于實(shí)施例，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)實(shí)施例的實(shí)施方式所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
[0014]實(shí)施例1: 制備用于注漿冷凍成型的Y-TZP漿料500ml，選取體積固含量為40vol%。首先稱取去離子水300g，在去離子水中加入丙三醇18g、聚丙烯酸3g、5%聚乙烯醇水溶液30g，在500ml燒杯中用電動(dòng)機(jī)械攪拌器攪拌20分鐘，制得混合液體。然后量取所述混合液體300ml加入球磨罐中，稱取平均粒徑為2.8μπι的Y-TZP粉末1178g，分成四份(500g、300g、200g、178g)，分批加入球磨罐中的混合液體中，每批新加粉末在前一批粉末充分潤(rùn)濕后進(jìn)行，粉末全部加入后球磨20小時(shí)，得到Y(jié)-TZP漿料。將所述漿料經(jīng)1min真空除氣后注入成型模具中，放在零下25°C的冷凍室中冷凍4小時(shí)，開模取出冷凍坯體，在冷凍干燥機(jī)中干燥12小時(shí)，制得尺寸形狀精確的Y-TZP零件坯體。所制備的漿料中有機(jī)添加劑含量少、成型時(shí)流變性良好、粘度可根據(jù)需要調(diào)整、冷凍后素坯內(nèi)不形成大的冰晶。這種漿料的制備工藝簡(jiǎn)單，滿足用冷凍成型工藝制造Y-TZP零件的需要。
[0015] 實(shí)施例2:
制備用于冷凍擠出3D打印技術(shù)的Y-TZP漿料200ml，選取體積固含量為44vol%。首先稱取去離子水120g，在去離子水中加入丙三醇6g、丙烯乙二醇3g、聚甲基丙烯酸銨1.5g、5%聚乙烯醇水溶液1g、5%卡拉膠水溶液1g，在200ml燒杯中用電磁攪拌器攪拌20分鐘，制得混合液體。然后量取所述混合液體112ml加入球磨罐中，稱取平均粒徑為2.8μπι的Y-TZP粉末518g，分成三份(250g、150g、118g)，分批加入球磨罐中的混合液體中，每批新加粉末在前一批粉末充分潤(rùn)濕后進(jìn)行，粉末全部加入后球磨20小時(shí)，球磨后用5%稀鹽酸調(diào)整pH值到6.0，經(jīng)1min真空除氣得到Y(jié)-TZP漿料。將所述漿料裝入冷凍擠出3D打印機(jī)的料筒中，用柱塞擠出方式擠出直徑0.5?Imm的細(xì)絲狀漿料，按照數(shù)據(jù)軌跡立體堆積，在零下10?40°C的環(huán)境中冷凍堆積成所要求的零件，打印完成后在冷凍干燥機(jī)中干燥12小時(shí)，得到3D打印的Y-TZP零件坯體。所制備的漿料中有機(jī)添加劑含量少、成型時(shí)流變性良好、粘度可根據(jù)需要調(diào)整、冷凍后素坯內(nèi)不形成大的冰晶。這種漿料的制備工藝簡(jiǎn)單，滿足用冷凍成型工藝制造Y-TZP零件的需要。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于冷凍成型的Y-TZP漿料制備方法，其特征在于，其步驟為: (1)以去離子水為溶劑，將冷凍助劑、分散劑和粘結(jié)劑加入去離子水中，攪拌10?20分鐘，制得混合液體;混合液體中去離子水、冷凍助劑、分散劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為100:(1.0-.2.5):(0.5?2.0):(0.4?1.0);所述冷凍助劑為丙三醇、二甲基亞砜、三聚甘油單硬脂酸酯、乙二醇、明膠肽、丙烯乙二醇中的一種或幾種的混合物;所述分散劑為聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸銨、聚乙二醇、檸檬酸銨中的一種或幾種的混合物;所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇、聚丙烯酸酯聚合物、甲基纖維素、卡拉膠中的一種或幾種的混合物； (2)將上述得到的混合液體加入球磨罐，將微米級(jí)Y-TZP粉末分批加入球磨罐中的混合液體中，球磨12?24小時(shí);其中，混合液體和Y-TZP粉末的質(zhì)量比為100:(320?600); (3)在上述球磨得到的楽料中，根據(jù)成型工藝的對(duì)楽料粘度的要求，還能夠進(jìn)一步通過PH值調(diào)節(jié)漿料的粘度，漿料經(jīng)真空除氣5-10分鐘后，密封存放。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Y-TZP漿料制備方法，其特征在于:步驟(I)中混合液體的攪拌方法為機(jī)械攪拌或者電磁攪拌方法，攪拌時(shí)能夠加熱，加熱溫度不高于50°C。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Y-TZP漿料制備方法，其特征在于:步驟(I)中的粘結(jié)劑需要配制成5?15%的水溶液使用，水溶液中水的質(zhì)量計(jì)入混合液體的去離子水中。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Y-TZP漿料制備方法，其特征在于:步驟(2)中Y-TZP粉末在球磨時(shí)分3~5批加入混合液體中，每批次新加粉末在前一批次粉末在混合液體中球磨潤(rùn)濕后再加入球磨罐。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Y-TZP漿料制備方法，其特征在于:步驟(3)中如果進(jìn)一步調(diào)節(jié)漿料粘度，其調(diào)節(jié)方法為在球磨后漿料中滴入5%稀鹽酸或者氨水并攪拌均勻，漿料的pH值變動(dòng)范圍為5?10。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Y-TZP漿料制備方法，其特征在于所制備的漿料在室溫環(huán)境下制備，在O °C到零下80 0C之間的低溫環(huán)境下冷凍成型，能用于擠出冷凍3D打印工藝和注漿冷凍成型工藝，成型后的零件素坯經(jīng)冷凍干燥和高溫?zé)Y(jié)后獲得Y-TZP零件。
【文檔編號(hào)】C04B35/48GK106083038SQ201610423534
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月16日 公開號(hào)201610423534.4, CN 106083038 A, CN 106083038A, CN 201610423534, CN-A-106083038, CN106083038 A, CN106083038A, CN201610423534, CN201610423534.4
【發(fā)明人】劉洪軍, 李亞敏
【申請(qǐng)人】蘭州理工大學(xué)