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        氧化鋁懸浮液分散穩(wěn)定性的影響因素

        上海矽諾國際貿(mào)易有限公司  2020-06-24  點擊5242次

        為獲得分散均勻、穩(wěn)定性高的氧化鋁懸浮液,分別考察了固含量、溫度和pH 值對懸浮液黏度的影響.實驗結(jié)果表明,隨著固含量的增加,氧化鋁懸浮液黏度增大;隨著溫度的上升,氧化鋁懸浮液黏度逐漸降低;而pH 值對氧化鋁懸浮液黏度影響不大.同時研究了溫度依賴性機理,通過對K-D(Krieger-Dougherty)公式修正,消除了溫度依賴性.

        引 言

        陶瓷材料因其具有高熔點、高硬度、高耐磨性及耐氧化等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域,但高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷制件加工難度大,成本較高[1].近年來隨著制造技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了不依賴模具,將快速成型技術(shù)直接應(yīng)用于陶瓷零件的制造,其中面曝光快速成型技術(shù)(Masked Projection?。樱簦澹颍澹铩。蹋椋簦瑁铮纾颍幔穑瑁。粒穑穑幔颍幔簦酰螅?/p>

        MPSLA)制作出的陶瓷零件表面質(zhì)量較好,特別是在微小零件的成型上更加便于精度的控制[2-3].該技術(shù)作為光固化成型的一種,其設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝更加簡單化[4].將陶瓷粉末加入可光固化的溶液中,通過高速攪拌使陶瓷粉末在溶液中分散均勻,由此制備出高固相含量流動性好的陶瓷懸浮液,再在光源輻照下逐層固化,累加得到陶瓷零件素坯,最后通過干燥、脫脂和燒結(jié)等后處理工藝得到陶瓷零件[5].

        面曝光快速成型工藝在樹脂原型的制作方面已比較成熟,但利用該工藝直接制作復(fù)雜陶瓷件的技術(shù),國內(nèi)外尚處于探索階段.國內(nèi)楊飛等[6]人利用面曝光快速成型系統(tǒng)研究了磷酸鈣陶瓷懸浮液的固化性能,實現(xiàn)了具有復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷支架的制造.國外也有許多專家學(xué)者開展了相關(guān)研究,文獻[7-8]使用面曝光技術(shù)分別制作出氮化硅陶瓷與壓電陶瓷,文獻[9]通過懸浮液與氣動泵連接的注射方式得到了分散均勻的陶瓷懸浮液,文獻[10-16]對不同樹脂基陶瓷懸浮液的制備進行了研究.制作高質(zhì)量的陶瓷制件,陶瓷懸浮液的制備是首要步驟,且分散均勻、穩(wěn)定性高的懸浮液也是陶瓷面曝光固化的基礎(chǔ).張立明通過對氧化鋁懸浮液剪切流變特性的研究指出,黏度是表征懸浮液分散穩(wěn)定性的一個主要參數(shù)[17].

        為配制出分散均勻、穩(wěn)定性高的陶瓷懸浮液,本文通過實驗研究了固含量、溫度及pH 值對氧化鋁懸浮液黏度的影響,采用K-D(Krieger-Dougherty)方程,建立了氧化鋁懸浮液黏度關(guān)于固含量的函數(shù)關(guān)系式,研究了懸浮液黏度溫度依賴性的原因.


        實 驗

        1.1 材料與儀器

        1.1.1 材料 氧化鋁粉體(純度99%以上,粒徑40μm,分析純,分子量:101.96,天津市鼎盛鑫化工有限

        公司,化學(xué)成分技術(shù)指標(biāo)如表1所示);光敏樹脂(工業(yè)級,紅色,荷蘭Fun?。裕铩。模锕荆?;氨水(分析純,天

        津市天力化學(xué)試劑有限公司);鹽酸(分析純,洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司);無水乙醇(分析純,天津市富宇精細化工有限公司).

        1.1.2 儀器與表征 采用梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司的AL104型電子天平稱量氧化鋁粉體;采用金壇

        市大地自動化儀器廠的CJJ78-1型(溫度≤75℃,調(diào)速0~2?。埃埃埃颍恚椋睿┐帕訜釘嚢杵鲾嚢杓訜釕腋∫?;采用上海方瑞儀器有限公司的SNB-1A-J型數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計測定懸浮液的黏度;采用北京繡福容科技有限責(zé)任公司的pH 廣泛試紙測量pH 值.

        1.2 實驗方法與步驟

        1.2.1 固含量對氧化鋁懸浮液黏度的影響 量取一定體積光敏樹脂(整個實驗過程中避光處理),將一定質(zhì)量的粉體與光敏樹脂在燒杯中混合后,置于磁力加熱攪拌器中充分?jǐn)嚢瑁担恚椋?,得到實驗所需的氧化鋁懸浮液.根據(jù)式(1)計算出配制相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)所需要的氧化鋁粉體質(zhì)量,計算公式[18-19]為

        式中:為固含量;m粉為氧化鋁粉體質(zhì)量;ρ粉為氧化鋁粉體密度(1.16g/cm3);m脂為光敏樹脂質(zhì)量;ρ脂

        為光敏樹脂密度(0.99g/cm3).

        配制固含量(體積分?jǐn)?shù))分別為10%,20%,30%,40%和50%的氧化鋁懸浮液,利用黏度計測量懸浮

        液的動力黏度,記錄實驗數(shù)據(jù).實驗在pH=5,室溫下進行.

        1.2.2 溫度對氧化鋁懸浮液黏度的影響 配制固含量為30%的氧化鋁懸浮液,并在不斷攪拌下對其進

        行緩慢加熱,使用溫度計依次測出20℃,30℃,40℃,50℃和60℃時氧化鋁懸浮液的黏度并記錄實驗數(shù)

        據(jù).實驗在pH=5條件下進行.

        1.2.3 pH 值對氧化鋁懸浮液黏度的影響 配制固含量為30%的氧化鋁懸浮液,通過滴加少量鹽酸或氨

        水調(diào)節(jié)pH 值,依次測出pH=2,4,6,8,10五種情況下懸浮液的黏度,記錄實驗數(shù)據(jù).實驗在室溫下進行.

        2 結(jié)果與討論

        2.1 固含量的影響

        圖1顯示了氧化鋁懸浮液在pH=5,室溫下固含量對黏度的影響結(jié)果.由圖1可知,隨著固含量的增

        加,懸浮液黏度總體上呈不斷增大的趨勢,具體可分為3個階段.前增長階段:當(dāng)固含量的體積分?jǐn)?shù)在30%

        以下時,懸浮液黏度呈現(xiàn)緩慢增長態(tài)勢;增長階段:當(dāng)固含量的體積分?jǐn)?shù)在30%至40%時,黏度急劇增大,

        這是因為隨著連續(xù)相光敏樹脂體積的減少,氧化鋁顆粒間間距減小,相對運動變得困難,所以懸浮液體系

        的流動性降低,黏度急劇增加;后增長階段:當(dāng)固含量的體積分?jǐn)?shù)超過40%時,由于氧化鋁懸浮液逐漸趨

        于飽和,顆粒間的間距接近極值,減小的范圍大幅度降低,因此黏度的增長又變得緩慢.實驗表明,懸浮體

        系的最大固含量的體積分?jǐn)?shù)為55%,當(dāng)大于55%時,懸浮體系出現(xiàn)凝固現(xiàn)象,黏度值無法測量.

        2.2 溫度的影響

        圖2顯示了溫度對固含量為30%氧化鋁懸浮液黏度的影響.由圖2可知,隨著溫度的上升,氧化鋁懸浮液黏度逐漸降低,這是因為隨溫度的升高,伴隨著分子熱運動及布朗運動的加劇[20],使得粒子間相互作用力減弱,所以懸浮液黏度逐漸降低.圖3為在20℃,40℃,60℃3個溫度下,隨著固含量增加,黏度的變化情況.由圖3分析可知,隨著溫度不斷升高,懸浮液黏度在固含量變化時整體呈降低趨勢,黏度隨固含量的變化關(guān)系與溫度有關(guān),即存在溫度依賴性.

        2.3?。穑?值的影響

        圖4顯示了pH 值對30%固含量氧化鋁懸浮液黏度的影響結(jié)果.根據(jù)膠體穩(wěn)定的DLVO理論[19],當(dāng)

        粉體表面所帶的正、負(fù)電荷相等時,粒子表面沒有多余的電荷,靜電排斥作用消失,此時粉體顆粒易發(fā)生凝

        聚或絮凝,黏度值較大,將這時體系的pH 值稱作等電點(IEP).由實驗結(jié)果可知,在pH=2時為等電點,

        此時黏度出現(xiàn)極大值;當(dāng)?shù)渭影彼?,由于產(chǎn)生負(fù)的電荷,打破了等電點顆粒所帶凈電荷趨近于零的狀態(tài),

        顆粒凝聚趨勢減弱,因此pH=2~4區(qū)間黏度值降低;由于氧化鋁是一種兩性氧化物,在酸性介質(zhì)中顆粒

        表面帶正的靜電荷,當(dāng)?shù)渭影彼笈c其中的負(fù)電荷相互作用,因此在pH=4~6區(qū)間,黏度值會增加;在堿

        性介質(zhì)中,顆粒表面帶負(fù)的靜電荷,隨著pH 值增大OH- 離子濃度增加,顆粒表面所帶的負(fù)電荷增多,因

        此在pH=6~10區(qū)間,黏度值保持在7mPa·s,黏度較小.

        2.4 氧化鋁陶瓷懸浮液相對黏度模型

        顆粒體積分?jǐn)?shù)與最大體積分?jǐn)?shù)對體系黏度的作用可用Krieger-Dougherty[21]公式(簡稱K-D公式)來

        描述:

        ηr =(1-ΦΦm)-[η]Φm. (2)

        式中:ηr

        為相對黏度;Φ 為固含量;Φ

        為最大固含量;[η]為特征黏度.此關(guān)系式表明體系黏度隨顆粒含量增加而增大.當(dāng)顆粒含量增加時,顆粒堆積緊密,間距減小,很難自由移動,顆粒間的相互作用力增大,由此引起的流動阻力變大,即黏度上升.

        利用上述K-D公式建立氧化鋁陶瓷懸浮液流體動力學(xué)模型,在室溫下使用旋轉(zhuǎn)黏度計測量不同固含量懸浮液的相對黏度ηr,將所得數(shù)據(jù)按式(2)在Matlab上擬合可求得[η]及Φm,擬合結(jié)果為:Φm=0.55,[η]=5.28,由此獲得25℃時氧化鋁懸浮液的K-D方程:

        2.5 氧化鋁懸浮液黏度的溫度依賴性

        由實驗結(jié)果知,黏度隨固含量的變化關(guān)系與溫度有關(guān),即存在溫度依賴性.隨著溫度升高,懸浮液中基體發(fā)生熱膨脹,顆粒間距變大,由此引起流動阻力減小,黏度降低,因此呈現(xiàn)溫度依賴性.由于基體的熱膨脹,固含量隨溫度也發(fā)生變化,溫度校正后的固含量可表示為

        式中:Φ(T)為溫度在T 時校正的固含量;VS為固體顆粒體積;VL為基體體積;α 為基體的體積熱膨脹系

        數(shù)(10-4/℃).由式(4)可知,隨著溫度的上升,氧化鋁懸浮液的固含量會略微降低,導(dǎo)致懸浮液黏度降低.綜合以上,懸浮液黏度的溫度依賴性既包括基體黏度的溫度依賴性,還包括懸浮液固含量的溫度依賴性,也可看成是由于熱稀釋效應(yīng)引起的.為得到不受溫度依賴性影響的氧化鋁懸浮液黏度值,可通過公式

        (2)給出的K-D模型,綜合考慮得到K-D方程校正因子I[23]:

        式中:nom

        為名義上室溫下的固含量;φ(T)為溫度在T 時熱稀釋校正的固含量;Φm為最大固含量;[η]為特征黏度;I 為校正因子.對一定的Φnom值,可以得到每個溫度的熱稀釋I 因子,某一溫度下氧化鋁懸浮液相對黏度除以該溫度的I 因子,得到校正的懸浮液黏度,即

        式(6)反映了不同溫度下黏度和固含量的關(guān)系.利用該式可以消除溫度對K-D公式的影響,即對于特定的懸浮液,該式反映的黏度和固含量的關(guān)系與溫度無關(guān),即經(jīng)過修正,不同溫度下,懸浮液的黏度和固含量的關(guān)系可用一條曲線來表示.

        3 結(jié) 論

        (1)隨著固含量的增加,氧化鋁懸浮液黏度不斷增大;隨著溫度的上升,氧化鋁懸浮液黏度逐漸降低;pH 值對氧化鋁懸浮液黏度影響不大.

        (2)建立了可消除溫度依賴的氧化鋁懸浮液相對黏度與固含量關(guān)系的K-D模型.

        出自:(西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院,陜西西安710048)

        喬 伍,胥光申,陳 振,孔雙祥,羅時杰

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