一种陶瓷灌溉膜制备模具及梯度陶瓷灌溉膜制备工艺的制作方法

本发明属于旱区节水农业灌溉技术领域，特别涉及一种模具及一种利用生坯固态成型工艺制备的梯度陶瓷灌溉膜。

背景技术：

微孔陶瓷滴灌器是一种新型渗灌器材，与传统器材相比，具有易清洗、抗堵塞等优点。陶瓷滴灌器的核心—微孔陶瓷，其在孔隙尺度上呈现均匀分布。均匀分布的孔隙在工业上是容易实现的，但是如果要实现更好的过滤效果，一般要使陶瓷孔隙更小。但是，较小的孔隙虽然提高了过滤效率，但减小了出流量，降低了灌溉效率。

目前，解决上述问题的一种思路是将滴灌灌水器中的微孔陶瓷替换为梯度陶瓷。在使用时，将孔隙率较小的陶瓷层朝进水口放置，孔隙率较大的陶瓷层朝出水口放置。这样，在极大提高了过滤效率的基础上，仅损失了相对较小的出流量。梯度陶瓷的其中一种制备工艺为层间涂抹，虽然取得了良好的效果，但还存在以下问题：在层间涂抹粘结剂，支撑体与膜层间易因膨胀系数不匹配而产生热应力，从而影响膜层与支撑体之间的结合强度，影响其在高温环境下的使用寿命。目前为提高陶瓷膜层的强度，只好加大膜层厚度，这样又会增加过滤阻力，降低陶瓷膜的过滤通量。因此，如何提高陶瓷膜支撑体与膜层的结合强度而又不降低膜的过滤通量成为研究热点，也是使陶瓷膜获得更广泛应用的工艺技术关键。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明先是提出一种陶瓷灌溉膜制备模具，在此基础上，提出一种基于陶瓷灌溉膜制备模具的梯度陶瓷灌溉膜制备工艺，解决目前的层间涂抹工艺无法同时保证陶瓷膜支撑体与膜层的结合强度和膜的过滤通量问题。

为此，本发明采取如下技术方案：

一种陶瓷灌溉膜制备模具，包括外模，加压棒和内芯；所述外模为包含底面的空心柱状结构，加压棒置于外模内，加压棒中心和外模底面中心留孔供内芯竖向插入；所述外模包括结构完全相同的第一模体和第二模体，所述第一模体或第二模体为外模垂直中分形成的结构，在第一模体或第二模体上沿垂直中分面处分别设置有内滑轨和外滑轨；所述外滑轨包括凸出的外弧边，所述外弧边为多条不同直径的等径圆弧连接构成；所述内滑轨用于嵌入所述外滑轨使得第一模体和第二模体进行嵌套连接。

进一步，所述外模的外径和内径之差介于10mm-20mm，陶瓷灌溉膜制备模具的整体高度与外模的高度之差介于30mm-35mm，加压棒的高度不小于陶瓷灌溉膜制备模具的整体高度与外模的高度之差。

进一步，所述的加压棒中心和外模底面中心留孔包括：所述内芯的水平横截面为十字交叉型结构，所述孔为内部中空的与内芯结构匹配的十字交叉型结构。

同时，本发明还提供一种梯度陶瓷灌溉膜制备工艺，包括如下步骤：

步骤一，先制备浆料和前驱体粉末：

所述浆料采用包括羧甲基纤维素钠、硅溶胶、滑石粉以及si3n4粉末的原料制成；

所述前驱体粉末的制备包括：制备含sio2粉末、si3n4粉末、滑石粉以及al2o3粉末的混合粉末，分别在混合粉末中加入质量含量梯度变化的糊精，得到多组前驱体粉末；

步骤二，采用生坯固态成型工艺制备梯度陶瓷灌溉膜：

在不同前驱体粉末中分别加入同质量含量的硅溶胶，分别采用上述陶瓷灌溉膜制备模具等静压制得多个陶瓷片生坯；

将所述陶瓷片生坯按照所含糊精质量含量进行梯度排列后将浆料注入内芯中固态成型，进行烧结即得到梯度陶瓷灌溉膜。

进一步，步骤一中，将羧甲基纤维素钠、硅溶胶、滑石粉、去离子水、si3n4粉末混合制成浆液，并向浆液中加入分散剂，利用球磨方法制备浆料。

进一步，步骤一中，将sio2粉末、si3n4粉末、滑石粉、al2o3粉末混合，利用真空球磨机球磨24h制得混合粉末；真空球磨机的自转速度为240r/min，公转速度为360r/min。

更进一步，步骤一中，sio2粉末、si3n4粉末、滑石粉、al2o3粉末的质量混合比例为70-30:30-10：90-10:30-10。

进一步，步骤一中，在混合粉末中分别添加糊精，制得糊精质量含量分别为10wt％，15wt％，20wt％，25wt％，30wt％的混合粉末，将混合粉末置于真空球磨机中球磨24h后制得前驱体粉末。

进一步，步骤二中，分别取出部分前驱体粉末加入硅溶胶后，采用上述陶瓷灌溉膜制备模具，在12mpa的压力下冷等静压成高度为3-4mm，直径为40-45mm的陶瓷片生坯，阴干。

进一步，步骤二中，分别将陶瓷片生坯抛光打磨到厚度2.5-3mm，按照糊精质量含量从小到大的顺序组装后将浆料注入内芯待浆料凝结；步骤二中，烧结条件包括：1200-1300℃下烧结2h，升温速率小于30℃/h。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

采用本发明的制备模具，同时结合本发明的利用生坯固态成型工艺，制备的多孔sio2/si3n4复相梯度陶瓷灌溉膜：

(1)改变了以往支撑体和膜层层间粘合的方式，从根本上缓和了支撑体和膜层间的热应力，提高了支撑体与膜层间的结合强度，可达到3.7n/mm以上，层间膨胀率也较现有方法降低了50％左右；

(2)改善了层间粘结方式中，粘结层和膜层之间的孔隙差异，使孔隙梯度沿水流方向呈现梯度变化，降低了过滤阻力，增加了过滤通量；

(3)在一定程度上解决了传统浸涂法制备的膜层较厚而喷涂法制备的膜层厚薄不匀的技术难题，改善了传统方法中粘结层厚度的不均匀现象。

附图说明

图1为本发明使用的模具示意图；

图2为本发明的外模示意图，a为拆卸零件图，b为外模整体示意图；

图3为本发明的加压棒示意图；

图4为本发明的内芯示意图；

图5为本发明的孔隙梯度分布试样的制备原理图。

图中，各标号的含义为：

1为外滑轨、2为内滑轨、3为第一模体、4为第二模体、5为孔、6为加压棒、7为内芯、8为外模。

具体实施方式

本发明的工艺原理在于：采用本发明的制备模具，同时结合本发明的制备工艺，制备的多孔sio2/si3n4复相梯度陶瓷灌溉膜，由于进水口一侧的糊精含量较低，因此渗透系数较低。当含有泥沙的水流动到复相陶瓷的进水侧时，只有粒径极小的泥沙颗粒会随水流进入陶瓷孔隙内部，大部分的泥沙会被阻挡在陶瓷层外部。水流在复相陶瓷内部继续流动时，由于复相陶瓷内部的糊精含量的不断增加，水流受到的阻力减小，陶瓷灌溉膜的渗流通量得到改善。因此，采用本发明的设备及工艺制备的多孔sio2/si3n4复相梯度陶瓷灌溉膜，具有优异的灌溉性能和过滤过滤性能，而且原材料低廉，制备价格简单。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1至图5所示，本实施例提供了一种陶瓷灌溉膜制备模具，该模具由一个外模8，一个内芯7和一个加压棒6组成。外模8为结构钢，为一侧有底的圆形筒状结构，其整体高度h1、底座高度h2和内径d1根据所制备的陶瓷坯体的厚度和直径确定，其外径d2和内径d1之差约为10mm-20mm。外模由第一模体3和第二模体4两部分组成，第一模体3和第二模体4的形状和尺寸完全相同，一般情况下，整体高度h1可设为50mm，底座高度h2可设为20mm。在第一模体3和第二模体4的半圆周处设计有外滑轨和内滑轨，内滑轨和外滑轨的形状如图2所示，滑轨的外弧边由三条不同直径的等径圆弧构成。使用时将第一模体3和第二模体4相互嵌套在一起，组成外模8。为了方便对复合梯度陶瓷内部进行灌浆和对内芯进行限位，底座中心设有对称十字形孔洞，其轴长为5mm。内芯为横截面为十字形孔洞的结构钢棒材。加压棒6采用结构钢材制备，其高度h3和直径d3需满足h3≥(h1-h2)，d3≈d1-0.05mm。

实施例2：

本实施例提供一种灌溉用多孔sio2/si3n4梯度陶瓷的制备方法，包括下述步骤：

步骤一，先制备浆料和前驱体粉末：

(1)首先将廉价的羧甲基纤维素钠、硅溶胶、滑石粉(800目)、去离子水、si3n4粉末(600目)按照比例混合制成浆液，然后加入适当的分散剂，利用球磨方法制备浆料，将所得的浆料密封在锥形瓶中，利用超声波震荡器在40khz的频率下震荡混合6h后，放置在锥形瓶中备用；

(2)将sio2粉末(325目)、si3n4粉末(600目)、滑石粉(800目)、al2o3粉末(400目)按照一定比例混合，利用真空球磨机(自转速度：240r/min，公转速度：360r/min)球磨24h制得混合粉末0，取出待用；

(3)分别添加适量的糊精进入混合粉末，制得糊精质量含量分别为10wt％，15wt％，20wt％，25wt％，30wt％的混合粉末1、2、3、4、5。将混合粉末1、2、3、4、5置于真空球磨机(自转速度：240r/min，公转速度：360r/min)中球磨24h后制得前驱体粉末1、2、3、4、5，取出待用；

步骤二，采用生坯固态成型工艺制备梯度陶瓷灌溉膜：

(1)分别取出大约15g的前驱体粉末1、2、3、4、5，加入适量的硅溶胶后，利用本发明提供的可拆卸模具，将其在12mpa的压力下冷等静压成高度大约为3～4mm，直径大约为40mm的陶瓷片1、2、3、4、5，脱模置于阴凉处阴干6h；

(2)利用600目的砂纸分别将陶瓷片1、2、3、4、5抛光打磨到2.5mm左右，按照糊精质量含量从小到大的顺序组装起来，利用注射器将浆料缓慢地的注射到梯度陶瓷的内芯，待浆料凝结后，取出；

(3)将粘接好的陶瓷放置在烘干箱中(烘干温度：60℃)1h后取出，置于高温箱式炉内在1200-1300℃下烧结2h(该过程升温速率小于30℃/h)，得到成品。

在上述制备方法中，所述的分散剂可以是柠檬酸钠、聚丙烯酸和聚丙烯中的任意一种。

在上述制备方法中，所述的sio2粉末(325目)、si3n4粉末(600目)、滑石粉(800目)、al2o3粉末(400目)的质量混合比例为70-30:30-0：90-10:30-10。

在上述制备方法中，所述的糊精质量含量可以根据实际的需要，通过改变糊精的添加量来调节。同时，在上述制备方法中，所制备和打磨抛光的陶瓷片厚度可以根据实际要求改变。

实施例3：

本实施例提供一种灌溉用多孔sio2/si3n4梯度陶瓷的制备方法，包括下述步骤：

步骤一，先制备浆料和前驱体粉末：

(1)首先将10g羧甲基纤维素钠、30g滑石粉(800目)、10gsi3n4粉末(600目)按照比例混合制成粉末，将所得的混合物粉体置于球磨机氧化铝罐内，加入15-25颗直径为8-12mm的玛瑙珠，然后调整球磨机自转速度为240r/min，公转速度为360r/min，球磨2h以制备陶瓷粉体。将得到的陶瓷粉体加入20ml去离子水、20ml硅溶胶和5g柠檬酸钠，混合后，将浆料密封在锥形瓶中，利用超声波震荡器在40khz频率下震荡混合6h后，放置在锥形瓶中备用；

(2)将70gsio2粉末(325目)、30gsi3n4粉末(600目)、30g滑石粉(800目)、10gal2o3粉末(400目)按照比例混合，将所得到的混合粉末置于球磨机氧化铝罐内，加入10-15颗直径为20-25mm的玛瑙珠，利用真空球磨机(自转速度：120r/min，公转速度：120r/min)球磨24h制得混合粉末0，取出待用；

(3)分别添加适量的糊精进入混合粉末0，制得糊精质量含量分别为10wt％，15wt％，20wt％，25wt％，30wt％的混合粉末1、2、3、4、5。将混合粉末1、2、3、4、5置于真空球磨机(自转速度：240r/min，公转速度：360r/min)中球磨24h后制得前驱体粉末1、2、3、4、5，取出待用；

步骤二，采用生坯固态成型工艺制备梯度陶瓷灌溉膜：

(1)分别取出大约100g前驱体粉末1、2、3、4、5，添加20ml硅溶胶后，分别将前驱体粉末1、2、3、4、5置于搅拌机内高速搅拌30min，得到陶瓷粉体1、2、3、4、5。将模具a的外模、内芯组合好放置在水平面上，取出大约15g陶瓷粉体均匀填满外模，将其在12mpa的压力下冷等静压成高度大约为3-4mm，直径大约为40mm的陶瓷片1、2、3、4、5，脱模后置于阴凉处阴干6h；

(2)利用600目的砂纸分别将陶瓷片1、2、3、4、5抛光打磨到2.5mm左右，按照糊精质量含量从小到大的顺序组装到模具b，利用注射器将浆料缓慢注射到梯度陶瓷的内芯，待浆料凝结后，打开模具b，取出；将粘接完成的陶瓷放置在烘干箱中(烘干温度：60℃)1h后取出，置于高温箱式炉内在1200-1300℃下烧结2h(该过程升温速率小于30℃/h)，得到成品。

实施例4：

本实施例提供一种灌溉用多孔sio2/si3n4梯度陶瓷的制备方法，包括下述步骤：

步骤一，先制备浆料和前驱体粉末：

(1)首先将5g羧甲基纤维素钠、35g滑石粉(800目)、10gsi3n4粉末(600目)按照比例混合制成粉末，将所得的混合物粉体置于球磨机氧化铝罐内，加入15-25颗直径为8-12mm的玛瑙珠，然后调整球磨机自转速度为240r/min，公转速度为360r/min，球磨2h以制备陶瓷粉体。将得到的陶瓷粉体加入20ml去离子水、20ml硅溶胶和5g柠檬酸钠，混合后，将浆料密封在锥形瓶中，利用超声波震荡器在40khz频率下震荡混合6h后，放置在锥形瓶中备用；

(2)将80gsio2粉末(325目)、20gsi3n4粉末(600目)、30g滑石粉(800目)、10gal2o3粉末(400目)按照比例混合，将所得到的混合粉末置于球磨机氧化铝罐内，加入10～15颗直径为20～25mm的玛瑙珠，利用真空球磨机(自转速度：120r/min，公转速度：120r/min)球磨24h制得混合粉末0，取出待用；

(3)分别添加适量的糊精进入混合粉末0，制得糊精质量含量分别为10wt％，15wt％，20wt％，25wt％，30wt％的混合粉末1、2、3、4、5。将混合粉末1、2、3、4、5置于真空球磨机(自转速度：240r/min，公转速度：360r/min)中球磨24h后制得前驱体粉末1、2、3、4、5，取出待用；

步骤二，采用生坯固态成型工艺制备梯度陶瓷灌溉膜：

(1)分别取出大约100g前驱体粉末1、2、3、4、5，添加20ml硅溶胶后，分别将前驱体粉末1、2、3、4、5置于搅拌机内高速搅拌30min，得到陶瓷粉体1、2、3、4、5。将模具a的外模、内芯组合好放置在水平面上，取出大约15g陶瓷粉体均匀填满外模，将其在12mpa的压力下冷等静压成高度大约为3-4mm，直径大约为40mm的陶瓷片1、2、3、4、5，脱模后置于阴凉处阴干6h；

(2)利用600目的砂纸分别将陶瓷片1、2、3、4、5抛光打磨到2.5mm左右，按照糊精质量含量从小到大的顺序组装到模具b，利用注射器将浆料缓慢注射到梯度陶瓷的内芯，待浆料凝结后，打开模具b，取出；

(3)将粘接完成的陶瓷放置在烘干箱中(烘干温度：60℃)1h后取出，置于高温箱式炉内在1200-1300℃下烧结2h(该过程升温速率小于30℃/h)，得到成品。

将实施例3、4制备方法制备的梯度陶瓷与市面上采用模压成型(对比例1)、注浆成型(对比例2)和普通层间涂抹(对比例3)方法分别制作而成的梯度陶瓷进行性能对比，测试结构的抗弯强度、剪切强度、黏结强度、耐冲击强度、耐剥离强度以及层间热膨胀率，测试结果如下：

上述的表可以得知：本方法制作而成的梯度陶瓷具有较高强度的耐冲击强度，较现有的粘结方法，提升幅度可以达到30％以上，且使用该方法制成的梯度陶瓷在黏结、抗弯和剪切强度方面均较现有的方法制作而成的陶瓷结构有了很大的提升，且耐剥离强度高，可以达到3.7n/mm以上，层间膨胀率也较现有方法降低了50％左右，整体性能表现良好。