專利名稱：制備陶瓷小球的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷膠態(tài)成型技術(shù)領(lǐng)域，屬于陶瓷膠態(tài)成型工藝制備不同用途的陶瓷材料及零部件的范疇，特別是一種制備陶瓷小球的方法。本發(fā)明還公開了該方法涉及的裝置。
目前，制備陶瓷磨球方法主要有機(jī)械法、粒化-滾動(dòng)法、擠壓成型-滾動(dòng)法、模具壓制法、熔化法和溶膠-凝膠法等。然而，對(duì)于制備高密度、耐磨的高質(zhì)量低成本的陶瓷球，尤其是毫米級(jí)的陶瓷微珠，目前的制備方法都很難達(dá)到要求。
本發(fā)明是通過將水基的漿料滴入油性介質(zhì)中，利用不同介質(zhì)的界面張力成球，并在此過程中固化保形，最終無模具得到高密度、耐磨的陶瓷小球，其方法是a、將可產(chǎn)生自由基的有機(jī)單體和交聯(lián)劑與水混合溶解，可產(chǎn)生自由基的有機(jī)單體和交聯(lián)劑的總體的濃度是2-50％，有機(jī)單體與交聯(lián)劑的質(zhì)量比是10-80∶1；b、將陶瓷粉料加入上述溶液并攪拌，加入陶瓷粉料的體積占加入陶瓷粉料后溶液總體積的百分比不小于50％，經(jīng)球磨后制備出高固相含量的漿料，進(jìn)行消泡處理，形成懸浮體；c、將引發(fā)劑邊攪拌邊加入上述懸浮體中，引發(fā)劑的用量是每100毫升的懸浮體中加入50-200微升的濃度為1-10％的引發(fā)劑水溶液；
d、將加入引發(fā)劑的懸浮體注入能夠調(diào)節(jié)直徑的漏斗，從漏斗滴下液態(tài)小球進(jìn)入加熱的液體油性介質(zhì)，形成陶瓷小球，收集小球、清洗、烘干、燒結(jié)。
上述制備陶瓷小球的方法涉及的裝置包括漏斗和漏斗上的調(diào)節(jié)漏斗直徑的裝置，漏斗下面是裝有液體油性介質(zhì)的直立管，直立管的下部有閥門，直立管的下面有收集器，直立管的上部包有與加熱器相連的加熱套管。
本發(fā)明首先在有機(jī)單體水溶液中加入固體粉料和分散劑，制備出高固相含量的懸浮體或是具有流動(dòng)性的漿料；然后加入引發(fā)劑并混合均勻。再將這種混合漿料通過可調(diào)節(jié)直徑的漏斗注入熱的油性介質(zhì)中。依靠界而張力的作用，水基漿料在油性介質(zhì)中成球形固化，這樣，就具有了如下優(yōu)點(diǎn)1、成球球形度高，均勻性高、質(zhì)量好；2、由于聚合高分子與顆粒的結(jié)合作用，使成型后坯體的強(qiáng)度高、韌性好、不易破損，產(chǎn)生高密度、耐磨的陶瓷小球；3、由于漿料中固相含量≥50vol％，陶瓷小球干燥、燒結(jié)后收縮較小，容易控制球徑；4、由于本發(fā)明利用不同介質(zhì)的界面張力成球，并在此過程中固化保形，因此不需要模具，成本低，可大批量生產(chǎn)。
本發(fā)明具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)照在后面具體實(shí)現(xiàn)方式的表中。
2、將陶瓷粉料加入上述單體預(yù)混液并攪拌分散，陶瓷粉料是氧化鋁、氮化硅、碳化硅、氧化鋯中的一種或幾種，當(dāng)然也可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)氧化鋁、氮化硅、碳化硅、氧化鋯能夠聯(lián)想到的其他陶瓷粉料，加入陶瓷粉料的體積占加入陶瓷粉料后溶液總體積的百分比不小于50％，經(jīng)球磨后制備出高固相含量的漿料，將陶瓷粉料加入上述溶液的同時(shí)為提高漿料流動(dòng)性，還可加入分散劑，分散劑是聚丙烯酸、聚丙烯酸銨、聚丙烯酰胺、檸檬酸銨的一種或幾種，用量是陶瓷粉料質(zhì)量的0.5-2.0％。陶瓷粉料和分散劑與水溶液攪拌混合后，有可能產(chǎn)生少量氣泡，需要進(jìn)行消泡處理。一種消泡處理是加入消泡劑稍微攪拌，該消泡劑是異辛醇、脂肪酸、磷酸三丁脂的一種或幾種，用量是陶瓷粉料質(zhì)量的0.1-1％，另一種消泡處理是通過球磨后真空除泡，形成懸浮體。
3、將引發(fā)劑邊攪拌邊加入上述懸浮體中，引發(fā)劑是過硫酸鉀或過硫酸銨中的一種或兩種，當(dāng)然也可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)過硫酸鉀或過硫酸銨能夠聯(lián)想到的其他引發(fā)劑，用量是每100毫升的懸浮體中加入50-200微升的濃度為1-10％的引發(fā)劑水溶液；還可以同時(shí)加入催化劑四甲基乙二胺，其作用是加快反應(yīng)的速度，其用量每100毫升的懸浮體中加入50-400微升的四甲基乙二胺。
4、將加入引發(fā)劑的懸浮體注入能夠調(diào)節(jié)直徑的漏斗(1)，

圖1是本發(fā)明的制備陶瓷小球的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，在圖1中可以看到本發(fā)明制備陶瓷小球的裝置的結(jié)構(gòu)，它包括漏斗(1)和漏斗(1)上的調(diào)節(jié)漏斗直徑的裝置(2)，調(diào)節(jié)漏斗直徑的裝置(2)在圖中是漏斗直徑閥，漏斗下面是裝有液體油性介質(zhì)(4)的直立管(8)，該直立管(8)可以是直立的玻璃長管或者金屬長管，是裝置主體，長1-10m。直立管(8)的下部有閥門(6)，直立管(8)的下面有網(wǎng)狀收集器(7)，直立管(8)的1/2處以上包有與加熱器相連的加熱套管(9)。加入引發(fā)劑的懸浮體注入能夠調(diào)節(jié)直徑的漏斗(1)之后，通過漏斗直徑閥(2)來調(diào)節(jié)漏斗直徑，來調(diào)節(jié)漏出的液態(tài)小球(3)的大小，當(dāng)小球(3)進(jìn)入直立管(8)中加熱的液體油性介質(zhì)(4)中時(shí)，依靠表面張力的作用成球。由于直立管(8)的1/2處以上包有與加熱器相連的加熱套管(9)，加熱套管中有熱水，熱水被加熱器加熱，可以依靠該加熱套管的熱水將油性介質(zhì)(4)的溫度維持在40～90℃，該油性介質(zhì)(4)如硅油、石蠟、食用油、機(jī)油等等，在重力的作用下，小球在下落的過程中固化成為具有一定強(qiáng)度的固態(tài)小球(5)。打開閥門(6)，固化的小球(5)下落至網(wǎng)狀收集器(7)中。然后進(jìn)行清洗，烘干和燒結(jié)。
下面結(jié)合幾個(gè)實(shí)施例說明本發(fā)明。實(shí)施例1氧化鋁陶瓷小球的制備α-Al2O3為市售高純(＞99.99％)原料，平均粒徑為2.0μm。在100毫升的預(yù)混液(97.8wt％水+2wt％丙烯酰胺單體+0.2wt％亞甲基雙丙烯酰胺)中配置52vol％的氧化鋁漿料，即氧化鋁的體積占加入氧化鋁后溶液總體積的52％，在將氧化鋁加入上述溶液的同時(shí)還加入分散劑聚丙烯酸，用量是氧化鋁質(zhì)量的0.6％，充分?jǐn)嚢?，球?6小時(shí)，真空除泡，然后將60微升的催化劑四甲基乙二胺和60微升的引發(fā)劑過硫酸銨的1％的水溶液加入到漿料中，再攪拌。將上述漿料通過漏斗(1)經(jīng)調(diào)節(jié)漏斗直徑閥(2)注入直立管(8)中熱的油性介質(zhì)(4)中，油性介質(zhì)的溫度是50℃，在表面張力的作用下，水基漿料在油性介質(zhì)中自動(dòng)成球形。經(jīng)閥門(6)收集于網(wǎng)狀收集器(7)中，然后進(jìn)行清洗、烘干、燒結(jié)成球。該實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在后面的表中。實(shí)施例2氮化硅陶瓷小球的制備Si3N4為市售商業(yè)粉體，平均粒徑為0.6μm。具體方法是在100毫升的預(yù)混液(51.4wt％水+48wt％丙烯酸羥乙酯+0.6wt％亞甲基雙丙烯酰胺)中配置55vol％的氮化硅漿料，即氮化硅的體積占加入氮化硅后溶液總體積的55％，在將氮化硅加入上述溶液的同時(shí)還加入分散劑檸檬酸銨，用量是氮化硅質(zhì)量的2.0％，充分?jǐn)嚢?，然后加入消泡劑異辛醇，用量是氮化硅質(zhì)量的1％，稍微攪拌，然后將400微升的催化劑四甲基乙二胺和200微升的引發(fā)劑過硫酸銨的濃度為10％的水溶液加入到漿料中，再攪拌。將上述漿料通過漏斗(1)經(jīng)調(diào)節(jié)漏斗直徑閥(2)注入直立管(8)熱的油性介質(zhì)(4)中，油性介質(zhì)的溫度是90℃，在表面張力的作用下，水基漿料在油性介質(zhì)中自動(dòng)成球形。經(jīng)閥門(6)收集于網(wǎng)狀收集器(7)中，然后進(jìn)行清洗、烘干、燒結(jié)成球。該實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在后面的表中。實(shí)施例3氧化鋯陶瓷小球的制備ZrO2為市售商業(yè)粉體，平均粒徑為0.5μm。具體方法是在100毫升的預(yù)混液(79.6wt％水+20wt％甲基丙烯酸羥乙酯單體+0.4wt％亞甲基雙丙烯酰胺)中配置58vol％的氧化鋯漿料，即氧化鋯的體積占加入氧化鋯后溶液總體積的58％，充分?jǐn)嚢?，然后加入消泡劑脂肪酸，用量是氧化鋯質(zhì)量的0.1％，稍微攪拌，然后將100微升的引發(fā)劑過硫酸鉀的濃度為5％的水溶液加入到漿料中。將上述漿料通過漏斗(1)經(jīng)調(diào)節(jié)漏斗直徑閥(2)注入直立管(8)熱的油性介質(zhì)(4)中，油性介質(zhì)的溫度是60℃，在表面張力的作用下，水基漿料在油性介質(zhì)中自動(dòng)成球形。經(jīng)閥門(6)收集于網(wǎng)狀收集器(7)中，然后進(jìn)行清洗、烘干、燒結(jié)成球。該實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在后面的表中。實(shí)施例4碳化硅陶瓷小球的制備SiC為市售商業(yè)粉體，平均顆粒尺寸0.7μm。具體方法是在100毫升的預(yù)混液(79.8wt％水+20wt％甲基丙烯酸羥丙酯單體+0.2wt％亞甲基雙丙烯酰胺)中配置60vol％的碳化硅漿料，即碳化硅的體積占加入碳化硅后溶液總體積的60％，充分?jǐn)嚢瑁蚰?6小時(shí)，真空除泡，然后將250微升的催化劑四甲基乙二胺和100微升的引發(fā)劑過硫酸銨的濃度為5％的水溶液加入到漿料中。將上述漿料通過漏斗(1)經(jīng)調(diào)節(jié)漏斗直徑閥(2)注入直立管(8)熱的油性介質(zhì)(4)中，油性介質(zhì)的溫度是80℃，在表面張力的作用下，水基漿料在油性介質(zhì)中自動(dòng)成球形。經(jīng)閥門(6)收集于網(wǎng)狀收集器(7)中，然后進(jìn)行清洗、烘干、燒結(jié)成球。該實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在后面的表中。
下表是實(shí)施例1-4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)有技術(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比表。

從上表中可以看出，本發(fā)明大大提高了小球的球形度、相對(duì)密度，降低了制造成本。
權(quán)利要求
1.一種制備陶瓷小球的方法，其特征在于它包括以下步驟a、將可產(chǎn)生自由基的有機(jī)單體和交聯(lián)劑與水混合溶解，可產(chǎn)生自由基的有機(jī)單體和交聯(lián)劑的總體的濃度是2-50％，有機(jī)單體與交聯(lián)劑的質(zhì)量比是10-80∶1；b、將陶瓷粉料加入上述溶液并攪拌，加入陶瓷粉料的體積占加入陶瓷粉料后溶液總體積的百分比不小于50％，制備出高固相含量的漿料，進(jìn)行消泡處理，形成懸浮體；c、將引發(fā)劑邊攪拌邊加入上述懸浮體中，引發(fā)劑的用量是每100毫升的懸浮體中加入50-200微升的濃度為1-10％的引發(fā)劑水溶液；d、將加入引發(fā)劑的懸浮體注入能夠調(diào)節(jié)直徑的漏斗，從漏斗滴下液態(tài)小球進(jìn)入加熱的液體油性介質(zhì)，形成陶瓷小球，收集小球、清洗、烘干、燒結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備陶瓷小球的方法，其特征在于步驟a中，可產(chǎn)生自由基的有機(jī)單體是丙烯酰胺、丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸羥乙酯、丙烯酸羥丙酯、甲基丙烯酸羥丙酯中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備陶瓷小球的方法，其特征在于步驟a中，交聯(lián)劑是亞甲基雙丙烯酰胺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備陶瓷小球的方法，其特征在于步驟b中，陶瓷粉料是氧化鋁、氮化硅、碳化硅、氧化鋯中的一種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備陶瓷小球的方法，其特征在于步驟b中，將陶瓷粉料加入上述溶液的同時(shí)還加入分散劑，分散劑是聚丙烯酸、聚丙烯酸銨、聚丙烯酰胺、檸檬酸銨的一種或幾種，用量是陶瓷粉料質(zhì)量的0.5-2.0％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備陶瓷小球的方法，其特征在于步驟b中，所述的消泡處理是加入消泡劑，該消泡劑是異辛醇、脂肪酸、磷酸三丁脂的一種或幾種，用量是陶瓷粉料質(zhì)量的0.1-1％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備陶瓷小球的方法，其特征在于步驟b中，所述的消泡處理是通過球磨后真空除泡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備陶瓷小球的方法，其特征在于步驟c中，引發(fā)劑是過硫酸鉀或過硫酸銨中的一種或兩種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備陶瓷小球的方法，其特征在于步驟c中，引發(fā)劑加入懸浮體的同時(shí)還加入催化劑四甲基乙二胺，其用量每100毫升的懸浮體中加入50-400微升的四甲基乙二胺。
10.一種制備陶瓷小球的裝置，它是將權(quán)利要求1所述的加入引發(fā)劑的懸浮體制得陶瓷小球的裝置，其特征在于它包括漏斗(1)和漏斗(1)上的調(diào)節(jié)漏斗直徑的裝置(2)，漏斗下面是裝有液體油性介質(zhì)(4)的直立管(8)，直立管(8)的下部有閥門(6)，直立管(8)的下面有收集器(7)，直立管(8)的上部包有與加熱器相連的加熱套管(9)。
全文摘要
一種制備陶瓷小球的方法，它將可產(chǎn)生自由基的有機(jī)單體和交聯(lián)劑與水混合溶解，將陶瓷粉料加入上述溶液并攪拌，經(jīng)球磨后制備出高固相含量的漿料，進(jìn)行消泡處理，形成懸浮體；將引發(fā)劑邊攪拌邊加入上述懸浮體中；將加入引發(fā)劑的懸浮體注入能夠調(diào)節(jié)直徑的漏斗，從漏斗滴下液態(tài)小球進(jìn)入加熱的液體油性介質(zhì)，形成陶瓷小球，收集小球、清洗、烘干、燒結(jié)。通過本發(fā)明的方法能夠制備出高密度、耐磨的高質(zhì)量低成本的陶瓷小球。本發(fā)明還公開了其制備陶瓷小球的裝置。
文檔編號(hào)C04B35/622GK1468826SQ0212522
公開日2004年1月21日 申請(qǐng)日期2002年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月17日
發(fā)明者楊金龍, 黃勇, 蔡鍇 申請(qǐng)人:楊金龍