改性淀粉-氧化铝浆料的流变特性及其凝胶注模成型的研究

摘要

本文以Al<,2>O<,3>陶瓷作为研究对象，利用改性淀粉受热吸水膨胀及糊化后形成高分子凝胶化网络的原理实现高性能陶瓷的原位凝固成型。通过研究改性淀粉的糊化温度、改性淀粉的用量、分散剂用量和固相体积分数等工艺参数对陶瓷浆料的流变学性质和成型坯体结构与性能的影响规律，得到改性淀粉原位凝固胶态成型的较佳工艺条件，并在此基础上对淀粉-Al<,2>O<,3>陶瓷浆料凝固成型机理进行初步的探讨。 研究了改性淀粉凝胶化性质，结果表明：淀粉糊粘度受浓度、温度、pH值和分散剂的影响，在其他条件不变的情况下，随着淀粉浓度的增大，淀粉糊粘度会逐渐增大；当温度升高且未达到糊化温度时，淀粉糊随着温度升高粘度不断增大，当达到糊化温度时，淀粉糊粘度会出现急剧提高，成为凝胶状态；同时pH值和分散剂的变化也会引起淀粉糊粘度相应的变化。改性淀粉凝胶化性质的研究是将其成功应用于高性能陶瓷原位凝固成型的基础和前提，也是深入探讨改性淀粉对成型后坯体性能影响规律的基本依据，其中淀粉糊化温度是决定Al<,2>O<,3>陶瓷浆料凝固成型温度的关键。 根据胶体稳定的DLVO理论和分散剂的分散原理，从理论上分析了陶瓷浆料稳定分散的条件。通过对陶瓷浆料分散性和稳定性的研究，获得了由不同粒径的α-Al<,2>O<,3>粉体制备的高分散、高稳定、高固相含量的陶瓷浆料所需的条件。研究表明：对于平均粒径为1.5μm、2.4μm的Al<,2>O<,3>粉体，得到稳定浆料的最适pH范围分别是7.8～9.2和8.5～9.5。 陶瓷浆料流变学性质的研究是实现各种复杂形状陶瓷部件的成功注模，获得高性能陶瓷产品的有力保障。研究结果表明：Al<,2>O<,3>浆料的粘度随改性淀粉用量和固相体积分数的增大而提高。而分散剂用量的变化对浆料表观粘度的影响规律如下：当分散剂用量为1.5 wt.％时，可获得低粘度的浆料，大于或小于该含量，Al<,2>O<,3>浆料的表观粘度都呈上升趋势。改性淀粉的加入对Al<,2>O<,3>浆料的流变性质有显著影响：氧化淀粉的加入使Al<,2>O<,3>浆料的粘度增大，流变性能变差。但经过球磨后，浆料的流变性能又得到明显改善。淀粉-Al<,2>O<,3>陶瓷浆料一般为塑性流体，具有剪切稀化的流变行为。 淀粉用量、分散剂用量、固相体积分数等工艺参数对成型后坯体性能的影响研究表明：增加改性淀粉用量，干坯强度呈近线性增加；并且所成型的坯体断口均匀、平整，结构致密，气孔较小。随着固相体积分数的增大，坯体的强度提高。随分散剂用量的增加，浆料粘度有一定程度的下降，当分散剂用量增加到一定程度，浆料粘度会随着分散剂的增大而增大。通过实验得到了改性淀粉原位凝固成型陶瓷的最佳工艺条件为：改性淀粉用量为1.0％，分散剂用量为1.5％，固相体积分数为58％，球磨时间为8h。氧化铝陶瓷浆料脱水，以致原位固化的过程实质是淀粉颗粒受热吸水膨胀及糊化过程。Al<,2>O<,3>坯体的固化过程可分为两个阶段，第一阶段是改性淀粉颗粒吸水膨胀，使浆料脱水；第二阶段是淀粉糊化后形成的凝胶化网络对Al<,2>O<,3>颗粒起包覆和粘结作用，使得固化成型后的坯体具有足够的强度。这样坯体就能够顺利脱模以及进行后续的必要的加工。并通过淀粉的表观粘度与时间的依赖关系建立了Al<,2>O<,3>浆料的固化曲线图。 通过原位凝固成型的氧化铝陶瓷坯体，体积密度为2.42 g/cm<'3>，坯体的总孔隙率为30.73％，同时相对于干压成型坯体的双峰分布来说，淀粉原位凝固成型的坯体气孔尺寸分布为明显的单峰，孔径范围较窄，气孔分布是比较均匀的。所成型的氧化铝陶瓷坯体断面通过SEM可以观察到，颗粒结合较紧密，从而保证了坯体具有高达9.77MPa的强度。 淀粉原位凝固胶态成型技术简单、方便，有机物用量少，不需单独脱脂，可大大简化烧结工艺，是一种可成型各种复杂形状的陶瓷部件，具有低成本、高可靠、高均匀、可重复及与环境相容性好的近净尺寸高性能陶瓷原位凝固成型新技术。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1高性能陶瓷的发展

1.1.1高性能陶瓷的特点

1.1.2高性能陶瓷材料的制备技术及其研究现状

1.2高性能陶瓷原位凝固成型工艺的研究现状

1.2.1凝胶注模成型

1.2.2直接凝固注模成型(DCC)

1.2.3胶态振动注模成型

1.2.4温度诱导絮凝成型

1.2.5高分子多糖凝胶注模成型

1.3淀粉应用于陶瓷成型及其的研究现状

1.3.1修饰改性对淀粉性质的影响

1.3.2利用天然多糖进行陶瓷材料凝胶注模成型的研究现状

1.4本论文研究的目的和意义

1.4.1研究目的

1.4.2研究内容

1.4.3研究意义

第二章胶体稳定性理论及陶瓷浆料稳定分散的条件

2.1胶体稳定的DLVO理论

2.1.1双电层和ζ电位

2.1.2粒子间总的相互作用能

2.2分散剂的分散机制

2.2.1静电稳定机制

2.2.2空间位阻稳定机制

2.2.3静电位阻稳定机制

2.3陶瓷浆料稳定分散的条件

2.4本章小结

第三章改性淀粉-氧化铝浆料的制备及其流变特性

3.1引言

3.2实验材料、仪器设备及方法

3.2.1实验材料

3.2.2仪器设备

3.3实验方法

3.3.1 Al2O3悬浮浆料的制备

3.3.2淀粉原位凝固陶瓷成型工艺

3.3.3陶瓷浆料流变特性的测定

3.3.4浆料分散性的观察

3.3.5改性淀粉糊化行为的观察

3.4结果与讨论

3.4.1淀粉颗粒的糊化膨胀

3.4.2改性淀粉-氧化铝浆料剪切应力随剪切速率的变化

3.4.3固相含量对浆料流变特性的影响及颗粒在浆料中的分散性

3.4.4 Al2O3浆料的表观粘度随淀粉含量的变化

3.5本章小结

第四章分散剂和消泡剂在改性淀粉-氧化铝浆料制备中的应用

4.1引言

4.2实验材料、仪器设备

4.2.1实验材料

4.2.2仪器设备

4.3实验方法

4.3.1高固相含量悬浮浆料的制备

4.3.2浆料粘度测定

4.4结果与讨论

4.4.1不同分散剂对Al2O3浆料稳定性的影响

4.4.2分散剂的分散机理

4.4.3分散剂HC323用量对Al2O3浆料流变性的影响

4.4.4应用消泡剂消除浆料气泡和减少坯体缺陷

4.5本章小结

第五章工艺条件对改性淀粉-氧化铝浆料流变特性的影响

5.1引言

5.2实验材料、仪器设备

5.2.1实验材料

5.2.2仪器设备

5.3实验方法

5.3.1不同pH值下的沉降实验

5.3.2 Al2O3悬浮浆料的制备

5.3.3浆料粘度测定

5.4结果与讨论

5.4.1 Al2O3浆料的表观粘度随温度的变化

5.4.2 pH值对氧化铝浆料流变性的影响

5.4.3 pH值对浆料体系沉降体积的影响

5.4.4粉体粒度对浆料粘度与pH值关系的影响

5.4.5球磨时间对氧化铝浆料粘度的影响

5.5本章小结

第六章改性淀粉凝胶注模成型氧化铝陶瓷坯体的结构与性能

6.1引言

6.2实验材料、仪器设备

6.2.1实验材料

6.2.2仪器设备

6.3实验方法

6.3.1体积密度的测定

6.3.2抗弯强度测定

6.3.3坯体断面显微结构分析

6.4结果与讨论

6.4.1 Al2O3陶瓷素坯的显微结构

6.4.2改性淀粉用量对坯体气孔率的影响

6.4.3改性淀粉用量对素坯强度的影响

6.5本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢

评定意见