专利名称：一种大型陶瓷板材溶胶注模成型方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷溶胶注模成型方法，主要用于大型非氧化物陶瓷板材的成型，也可用于其它简单形状和氧化物陶瓷构件的成型，特别适用于棚板等工业窑具的成型。
背景技术：
现有的注模成型分为直接凝固注模成型和直接固化注模成型两类。直接凝固注模成型的核心是利用水基陶瓷悬浮液中生物醇与底物的酶催化反应，在低温下酶催化反应活性较低时注模，在室温下酶催化反应活性较高时凝固。直接凝固注模成型的优点是(1)不需要加入粘结剂，避免了耗时耗能的脱脂环节；(2)悬浮液原位凝固，具有复杂形状陶瓷构件的净尺寸成型能力；(3)坯体的均匀性好，陶瓷的性能稳定性和可靠性高；(4)坯体的相对密度高，烧结收缩小。但直接凝固注模成型的湿坯强度低，脱模困难，工艺条件复杂苛刻，不利于规模化生产，而且控制酶催化反应的化学试剂不能满足环保要求。因此，直接凝固注模成型主要用于小型高可靠性陶瓷构件的小批量生产。直接固化注模成型使用水泥类的粘结剂，在粘结剂固化前进行注模，在粘结剂固化后进行脱模。直接固化注模成型的优点是(1)坯体强度高，便于脱模；(2)工艺简单，利于规模化生产；(3)构件只需进行充分固化，不需要进行烧结。但直接固化注模成型的陶瓷构件不能进行烧结，强度和使用温度均较低。因此，直接固化注模成型主要用于性能要求较低的大型耐火陶瓷构件的批量生产。
大型陶瓷板材是一种常用的工业窑具。对于在较低温度使用的莫来石、堇青石等具有可塑性的氧化物陶瓷板材，主要使用压力或振动压力成型。由于碳化硅、氮化硅等高温使用的非氧化物陶瓷窑具材料完全没有可塑性，压力成型后卸压产生的反弹力对坯体产生损伤，而且坯体尺寸越大损伤越严重。因此，压力或振动压力成型虽然效率高，但对大型非氧化物陶瓷板材的成型不适用。显然，用上述两种注模成型方法进行大型非氧化物陶瓷板材的成型也是不合适的。
发明内容
本发明提出了一种溶胶注模成型新方法，工艺流程见图1。它包括如下核心环节(1)用水基硅溶胶制备陶瓷浆料；(2)将铵盐加入陶瓷浆料作为溶胶促凝剂；(3)陶瓷浆料的注模成型、脱模与干燥。
硅溶胶的浓度和陶瓷浆料的固液比是浆料制备的重要指标。为了提高坯体密度，减小坯体的干燥收缩，陶瓷浆料的固液比越高越好。但固液比越高，浆料的流动性越差，注模成型越困难。硅溶胶的浓度越高，注模后陶瓷浆料胶凝速度越快。如果溶胶浓度过高，陶瓷浆料不仅在搅拌过程中可能发生局部胶凝，而且可能在注模完成之前发生整体胶凝。可以通过加水稀释的方法对硅溶胶的浓度进行调整，调整时需考虑浆料搅拌过程中硅溶胶水分的挥发。浆料需要进行充分搅拌除气，以提高流动性。浆料含气量越低，流动越好，固液比越高。
溶胶注模成型的关键是调整硅溶胶的胶凝时间，而铵盐的加入量是胶凝时间最重要的影响因素。由于铵盐与硅溶胶反应速度较快，同时铵盐容易吸潮结块，直接加入铵盐容易导致局部胶凝。将铵盐与陶瓷粉体或粉料的组分之一混合制成铵盐混合物，不仅可以防止吸潮，而且可以降低铵盐与硅溶胶的反应速度，因而提高铵盐加入和胶凝的均匀性。铵盐加入之前采用慢速搅拌防止裹气，铵盐加入之后采用快速搅拌防止发生胶凝。
铵盐加入搅拌均匀后应迅速进行注模成型，注模完成一定时间后浆料发生胶凝形成坯体。为了提高注模速度，注模过程中一般应进行振动。由于胶凝后水分仍包裹于坯体中，坯体的湿强度很低。干燥过程中坯体强度的增加与水分的挥发速度成正比，因而干燥工艺必须与水分的挥发速度相适应。一般采用阴干、风干和阶梯烘干的干燥工艺。如果强度较低而水分挥发速度过快，坯体将开裂。由于干燥过程水分挥发使坯体发生一定收缩，减小坯体与托板之间的摩擦阻力对于防止坯体开裂是非常重要的，对于大型板材尤为重要。提高托板的表面光洁度和在坯体与托板之间加入润滑剂均可以做到这一点。
采用硅溶胶为粘结剂有三方面的优点(1)硅溶胶为常用的工业粘结剂，价格低廉使用方便；(2)烘干后坯体强度高，便于大型陶瓷板材的搬运与装卸；(3)硅溶胶胶凝后产生少量氧化硅，能促进非氧化物陶瓷窑具的烧结。
综上所述，溶胶注模成型要求注模速度快，而且坯体强度很低给脱模带来很大困难，因而主要适用板材等简单形状陶瓷构件的成型。但由于溶胶注模成型工艺简单，而且不受设备条件的限制，与其他成型方法相比，在大型陶瓷板材的成型方面具有明显的技术与经济优势。
图1为溶胶注模成型方法的工艺流程。
具体实施例方式
下面，结合附图和实施例对本发明的作进一步的描述。
实施例一选择尺寸为800×600×20mm3的大型氮化硅结合碳化硅陶瓷棚板为典型构件对溶胶注模成型方法进行说明。氮化硅是使用硅粉经过氮化反应生成的，因而陶瓷粉料为碳化硅粉与硅粉的混合料。混合料中碳化硅粉的重量比为70％，而硅粉的重量比为30％。其中硅粉的颗粒直径为325目，而碳化硅粉的颗粒直径有46目、90目和180目三种，重量比分别为20％、50％和30％。将陶瓷原料按组成和颗粒度进行配比后，在混砂碾中混碾30分钟得到均匀的陶瓷粉料。选择市售含氧化硅28～30％的硅溶胶为粘结剂，使用前用重量比为1∶1的水进行稀释。选择工业纯的氯化铵为胶凝剂，使用前与硅粉混合制成混合胶凝剂。将经过干燥的氯化铵与硅粉按1∶3的比例进行混合，碾压均匀后置于干燥箱内。称量20Kg的陶瓷粉料置于L形搅拌机中，用60转/分的转速进行搅拌，边搅拌边加入经过稀释的硅溶胶。搅拌30分之后，将搅拌机的转速提高至100转/分，同时加入混合胶凝剂，加入量为陶瓷粉料重量的1.5％。搅拌5分之后将陶瓷浆料在安装于振动台上的模具中迅速进行浇注，边浇注边振动。浇注结束约30分钟后，进行脱模。脱模的方法是模具与振动台脱离后，将尺寸为900×700×5mm3的普通玻璃盖在模具上，再盖上木质框架；模具与托板整体反转，将模具和坯体置于玻璃托板之上后去掉模具。脱模后先在室温下分别阴干8小时和风干8小时，然后在60℃烘干8小时，最后在80℃烘干8小时，每一道干燥工序中须用托板反转改变坯体的烘干面一次，干燥后坯体可以满足搬运和装窑的要求。采用上述的干燥工艺和玻璃与木框架复合托板，可以保证坯体基本不开裂。玻璃的作用是减小坯体收缩阻力，而木框架的作用是承受载荷。干燥后坯体的相对线收缩率为0.6％，长度方向的绝对线收缩量为5mm。经过氮化烧结后，棚板可以在在1100℃～1300℃的工业窑炉中使用100炉次以上。
权利要求
1.一种大型陶瓷板材的溶胶注模成型方法，其特征在于使用硅溶胶做为粘结剂，使用铵盐做为胶凝剂，通过调整硅溶胶浓度和铵盐的加入量控制硅溶胶的胶凝时间，通过调整陶瓷浆料的固液比和搅拌工艺控制注模时间，选择适当的脱模工艺和干燥工艺，保证陶瓷浆料在胶凝前完成注模，坯体在注模后一定时间内具有一的湿强度，坯体在干燥过程中不开裂，实现低成本和高强度大型陶瓷板材坯体的成型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于使用硅溶胶作为粘结剂，使用水为稀释剂控制硅溶胶的浓度，保证陶瓷浆料在搅拌过程中不发生局部胶凝。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于使用铵盐做为胶凝剂，使用陶瓷粉料为分散剂防止铵盐吸潮结团，保证铵盐加入和胶凝的均匀性。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于陶瓷浆料在铵盐加入前后采用慢速和快速两种不同的搅拌工艺，保证陶瓷浆料有充足的注模时间。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于使用玻璃与木框组合托板和在坯体与托板之间加润滑剂，减小坯体干燥过程的收缩阻力，防止坯体开裂。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于使用室温阴干、风干和阶梯烘干的工艺，保证坯体的水分挥发与强度增加同步，防止坯体开裂。
全文摘要
本发明涉及一种陶瓷溶胶注模成型方法，主要用于大型非氧化物棚板等工业窑具的成型。本发明使用硅溶胶做为粘结剂，使用铵盐做为胶凝剂，通过调整硅溶胶浓度和铵盐的加入量控制硅溶胶的胶凝时间，通过调整陶瓷浆料的固液比和搅拌工艺控制注模时间，选择适当的脱模工艺和干燥工艺，保证陶瓷浆料在胶凝前完成注模，坯体在注模后一定时间内具有一的湿强度，坯体在干燥过程中不开裂，实现低成本和高强度大型陶瓷板材坯体的成型。
文档编号C04B35/624GK1522987SQ0311449
公开日2004年8月25日 申请日期2003年2月17日 优先权日2003年2月17日
发明者成来飞, 徐永东, 张立同 申请人:西北工业大学