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技术文章
氧化铝悬浮液分散稳定性的影响因素

上海矽诺国际贸易有限公司  2020-06-24  点击578次

为获得分散均匀、稳定性高的氧化铝悬浮液,分别考察了固含量、温度和pH 值对悬浮液黏度的影响.实验结果表明,随着固含量的增加,氧化铝悬浮液黏度增大;随着温度的上升,氧化铝悬浮液黏度逐渐降低;而pH 值对氧化铝悬浮液黏度影响不大.同时研究了温度依赖性机理,通过对K-D(Krieger-Dougherty)公式修正,消除了温度依赖性.

引 言

陶瓷材料因其具有高熔点、高硬度、高耐磨性及耐氧化等优点,广泛应用于各领域,但高精度、复杂结构的陶瓷制件加工难度大,成本较高[1].近年来随着制造技术的发展,出现了不依赖模具,将快速成型技术直接应用于陶瓷零件的制造,其中面曝光快速成型技术(Masked Projection Stereo Lithography Apparatus,

MPSLA)制作出的陶瓷零件表面质量较好,特别是在微小零件的成型上更加便于精度的控制[2-3].该技术作为光固化成型的一种,其设备结构和工艺更加简单化[4].将陶瓷粉末加入可光固化的溶液中,通过高速搅拌使陶瓷粉末在溶液中分散均匀,由此制备出高固相含量流动性好的陶瓷悬浮液,再在光源辐照下逐层固化,累加得到陶瓷零件素坯,最后通过干燥、脱脂和烧结等后处理工艺得到陶瓷零件[5].

面曝光快速成型工艺在树脂原型的制作方面已比较成熟,但利用该工艺直接制作复杂陶瓷件的技术,国内外尚处于探索阶段.国内杨飞等[6]人利用面曝光快速成型系统研究了磷酸钙陶瓷悬浮液的固化性能,实现了具有复杂网状结构的多孔陶瓷支架的制造.国外也有许多专家学者开展了相关研究,文献[7-8]使用面曝光技术分别制作出氮化硅陶瓷与压电陶瓷,文献[9]通过悬浮液与气动泵连接的注射方式得到了分散均匀的陶瓷悬浮液,文献[10-16]对不同树脂基陶瓷悬浮液的制备进行了研究.制作高质量的陶瓷制件,陶瓷悬浮液的制备是首要步骤,且分散均匀、稳定性高的悬浮液也是陶瓷面曝光固化的基础.张立明通过对氧化铝悬浮液剪切流变特性的研究指出,黏度是表征悬浮液分散稳定性的一个主要参数[17].

为配制出分散均匀、稳定性高的陶瓷悬浮液,本文通过实验研究了固含量、温度及pH 值对氧化铝悬浮液黏度的影响,采用K-D(Krieger-Dougherty)方程,建立了氧化铝悬浮液黏度关于固含量的函数关系式,研究了悬浮液黏度温度依赖性的原因.


实 验

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料 氧化铝粉体(纯度99%以上,粒径40μm,分析纯,分子量:101.96,天津市鼎盛鑫化工有限

公司,化学成分技术指标如表1所示);光敏树脂(工业级,红色,荷兰Fun To Do公司);氨水(分析纯,天

津市天力化学试剂有限公司);盐酸(分析纯,洛阳昊华化学试剂有限公司);无水乙醇(分析纯,天津市富宇精细化工有限公司).

1.1.2 仪器与表征 采用梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司的AL104型电子天平称量氧化铝粉体;采用金坛

市大地自动化仪器厂的CJJ78-1型(温度≤75℃,调速0~2 000r/min)磁力加热搅拌器搅拌加热悬浮液;采用上海方瑞仪器有限公司的SNB-1A-J型数字旋转黏度计测定悬浮液的黏度;采用北京绣福容科技有限责任公司的pH 广泛试纸测量pH 值.

1.2 实验方法与步骤

1.2.1 固含量对氧化铝悬浮液黏度的影响 量取一定体积光敏树脂(整个实验过程中避光处理),将一定质量的粉体与光敏树脂在烧杯中混合后,置于磁力加热搅拌器中充分搅拌5min,得到实验所需的氧化铝悬浮液.根据式(1)计算出配制相应体积分数所需要的氧化铝粉体质量,计算公式[18-19]为

式中:为固含量;m粉为氧化铝粉体质量;ρ粉为氧化铝粉体密度(1.16g/cm3);m脂为光敏树脂质量;ρ脂

为光敏树脂密度(0.99g/cm3).

配制固含量(体积分数)分别为10%,20%,30%,40%和50%的氧化铝悬浮液,利用黏度计测量悬浮

液的动力黏度,记录实验数据.实验在pH=5,室温下进行.

1.2.2 温度对氧化铝悬浮液黏度的影响 配制固含量为30%的氧化铝悬浮液,并在不断搅拌下对其进

行缓慢加热,使用温度计依次测出20℃,30℃,40℃,50℃和60℃时氧化铝悬浮液的黏度并记录实验数

据.实验在pH=5条件下进行.

1.2.3 pH 值对氧化铝悬浮液黏度的影响 配制固含量为30%的氧化铝悬浮液,通过滴加少量盐酸或氨

水调节pH 值,依次测出pH=2,4,6,8,10五种情况下悬浮液的黏度,记录实验数据.实验在室温下进行.

2 结果与讨论

2.1 固含量的影响

图1显示了氧化铝悬浮液在pH=5,室温下固含量对黏度的影响结果.由图1可知,随着固含量的增

加,悬浮液黏度总体上呈不断增大的趋势,具体可分为3个阶段.前增长阶段:当固含量的体积分数在30%

以下时,悬浮液黏度呈现缓慢增长态势;增长阶段:当固含量的体积分数在30%至40%时,黏度急剧增大,

这是因为随着连续相光敏树脂体积的减少,氧化铝颗粒间间距减小,相对运动变得困难,所以悬浮液体系

的流动性降低,黏度急剧增加;后增长阶段:当固含量的体积分数超过40%时,由于氧化铝悬浮液逐渐趋

于饱和,颗粒间的间距接近极值,减小的范围大幅度降低,因此黏度的增长又变得缓慢.实验表明,悬浮体

系的最大固含量的体积分数为55%,当大于55%时,悬浮体系出现凝固现象,黏度值无法测量.

2.2 温度的影响

图2显示了温度对固含量为30%氧化铝悬浮液黏度的影响.由图2可知,随着温度的上升,氧化铝悬浮液黏度逐渐降低,这是因为随温度的升高,伴随着分子热运动及布朗运动的加剧[20],使得粒子间相互作用力减弱,所以悬浮液黏度逐渐降低.图3为在20℃,40℃,60℃3个温度下,随着固含量增加,黏度的变化情况.由图3分析可知,随着温度不断升高,悬浮液黏度在固含量变化时整体呈降低趋势,黏度随固含量的变化关系与温度有关,即存在温度依赖性.

2.3 pH 值的影响

图4显示了pH 值对30%固含量氧化铝悬浮液黏度的影响结果.根据胶体稳定的DLVO理论[19],当

粉体表面所带的正、负电荷相等时,粒子表面没有多余的电荷,静电排斥作用消失,此时粉体颗粒易发生凝

聚或絮凝,黏度值较大,将这时体系的pH 值称作等电点(IEP).由实验结果可知,在pH=2时为等电点,

此时黏度出现极大值;当滴加氨水后,由于产生负的电荷,打破了等电点颗粒所带净电荷趋近于零的状态,

颗粒凝聚趋势减弱,因此pH=2~4区间黏度值降低;由于氧化铝是一种两性氧化物,在酸性介质中颗粒

表面带正的静电荷,当滴加氨水后与其中的负电荷相互作用,因此在pH=4~6区间,黏度值会增加;在碱

性介质中,颗粒表面带负的静电荷,随着pH 值增大OH- 离子浓度增加,颗粒表面所带的负电荷增多,因

此在pH=6~10区间,黏度值保持在7mPa·s,黏度较小.

2.4 氧化铝陶瓷悬浮液相对黏度模型

颗粒体积分数与最大体积分数对体系黏度的作用可用Krieger-Dougherty[21]公式(简称K-D公式)来

描述:

ηr =(1-ΦΦm)-[η]Φm. (2)

式中:ηr

为相对黏度;Φ 为固含量;Φ

为最大固含量;[η]为特征黏度.此关系式表明体系黏度随颗粒含量增加而增大.当颗粒含量增加时,颗粒堆积紧密,间距减小,很难自由移动,颗粒间的相互作用力增大,由此引起的流动阻力变大,即黏度上升.

利用上述K-D公式建立氧化铝陶瓷悬浮液流体动力学模型,在室温下使用旋转黏度计测量不同固含量悬浮液的相对黏度ηr,将所得数据按式(2)在Matlab上拟合可求得[η]及Φm,拟合结果为:Φm=0.55,[η]=5.28,由此获得25℃时氧化铝悬浮液的K-D方程:

2.5 氧化铝悬浮液黏度的温度依赖性

由实验结果知,黏度随固含量的变化关系与温度有关,即存在温度依赖性.随着温度升高,悬浮液中基体发生热膨胀,颗粒间距变大,由此引起流动阻力减小,黏度降低,因此呈现温度依赖性.由于基体的热膨胀,固含量随温度也发生变化,温度校正后的固含量可表示为

式中:Φ(T)为温度在T 时校正的固含量;VS为固体颗粒体积;VL为基体体积;α 为基体的体积热膨胀系

数(10-4/℃).由式(4)可知,随着温度的上升,氧化铝悬浮液的固含量会略微降低,导致悬浮液黏度降低.综合以上,悬浮液黏度的温度依赖性既包括基体黏度的温度依赖性,还包括悬浮液固含量的温度依赖性,也可看成是由于热稀释效应引起的.为得到不受温度依赖性影响的氧化铝悬浮液黏度值,可通过公式

(2)给出的K-D模型,综合考虑得到K-D方程校正因子I[23]:

式中:nom

为名义上室温下的固含量;φ(T)为温度在T 时热稀释校正的固含量;Φm为最大固含量;[η]为特征黏度;I 为校正因子.对一定的Φnom值,可以得到每个温度的热稀释I 因子,某一温度下氧化铝悬浮液相对黏度除以该温度的I 因子,得到校正的悬浮液黏度,即

式(6)反映了不同温度下黏度和固含量的关系.利用该式可以消除温度对K-D公式的影响,即对于特定的悬浮液,该式反映的黏度和固含量的关系与温度无关,即经过修正,不同温度下,悬浮液的黏度和固含量的关系可用一条曲线来表示.

3 结 论

(1)随着固含量的增加,氧化铝悬浮液黏度不断增大;随着温度的上升,氧化铝悬浮液黏度逐渐降低;pH 值对氧化铝悬浮液黏度影响不大.

(2)建立了可消除温度依赖的氧化铝悬浮液相对黏度与固含量关系的K-D模型.

出自:(西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048)

乔 伍,胥光申,陈 振,孔双祥,罗时杰