PL234779B1 - Sposób otrzymywania tworzyw ceramicznych metodą odlewania żelowego - Google Patents
Sposób otrzymywania tworzyw ceramicznych metodą odlewania żelowego Download PDFInfo
- Publication number
- PL234779B1 PL234779B1 PL423258A PL42325817A PL234779B1 PL 234779 B1 PL234779 B1 PL 234779B1 PL 423258 A PL423258 A PL 423258A PL 42325817 A PL42325817 A PL 42325817A PL 234779 B1 PL234779 B1 PL 234779B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- ceramic
- amount
- parts
- temperature
- ceramic powder
- Prior art date
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 238000005266 casting Methods 0.000 title abstract description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000012190 activator Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000003999 initiator Substances 0.000 claims abstract description 13
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M Acrylate Chemical compound [O-]C(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 10
- GPLRAVKSCUXZTP-UHFFFAOYSA-N diglycerol Chemical compound OCC(O)COCC(O)CO GPLRAVKSCUXZTP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000010526 radical polymerization reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims abstract description 3
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N ammonium persulfate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 9
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 claims description 8
- KLOIYEQEVSIOOO-UHFFFAOYSA-N carbocromen Chemical group CC1=C(CCN(CC)CC)C(=O)OC2=CC(OCC(=O)OCC)=CC=C21 KLOIYEQEVSIOOO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229940105990 diglycerin Drugs 0.000 claims description 8
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 8
- KWYHDKDOAIKMQN-UHFFFAOYSA-N N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine Chemical compound CN(C)CCN(C)C KWYHDKDOAIKMQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 5
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 claims description 4
- -1 anionic ester Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000007870 radical polymerization initiator Substances 0.000 claims description 3
- SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 2-(2-methoxy-5-methylphenyl)ethanamine Chemical compound COC1=CC=C(C)C=C1CCN SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 2-Propenoic acid Natural products OC(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 101100055113 Caenorhabditis elegans aho-3 gene Proteins 0.000 claims description 2
- JIGUQPWFLRLWPJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acrylate Chemical compound CCOC(=O)C=C JIGUQPWFLRLWPJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002211 L-ascorbic acid Substances 0.000 claims description 2
- 235000000069 L-ascorbic acid Nutrition 0.000 claims description 2
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 claims description 2
- 150000003863 ammonium salts Chemical class 0.000 claims description 2
- 229960005070 ascorbic acid Drugs 0.000 claims description 2
- 150000001732 carboxylic acid derivatives Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- PNJWIWWMYCMZRO-UHFFFAOYSA-N pent‐4‐en‐2‐one Natural products CC(=O)CC=C PNJWIWWMYCMZRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 19
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 10
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 10
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 8
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 8
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 7
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 5
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- OMIGHNLMNHATMP-UHFFFAOYSA-N 2-hydroxyethyl prop-2-enoate Chemical compound OCCOC(=O)C=C OMIGHNLMNHATMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- OWPUOLBODXJOKH-UHFFFAOYSA-N 2,3-dihydroxypropyl prop-2-enoate Chemical group OCC(O)COC(=O)C=C OWPUOLBODXJOKH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CYUZOYPRAQASLN-UHFFFAOYSA-N 3-prop-2-enoyloxypropanoic acid Chemical compound OC(=O)CCOC(=O)C=C CYUZOYPRAQASLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 2
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 2
- 239000006259 organic additive Substances 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- GNWBLLYJQXKPIP-ZOGIJGBBSA-N (1s,3as,3bs,5ar,9ar,9bs,11as)-n,n-diethyl-6,9a,11a-trimethyl-7-oxo-2,3,3a,3b,4,5,5a,8,9,9b,10,11-dodecahydro-1h-indeno[5,4-f]quinoline-1-carboxamide Chemical compound CN([C@@H]1CC2)C(=O)CC[C@]1(C)[C@@H]1[C@@H]2[C@@H]2CC[C@H](C(=O)N(CC)CC)[C@@]2(C)CC1 GNWBLLYJQXKPIP-ZOGIJGBBSA-N 0.000 description 1
- PXRKCOCTEMYUEG-UHFFFAOYSA-N 5-aminoisoindole-1,3-dione Chemical compound NC1=CC=C2C(=O)NC(=O)C2=C1 PXRKCOCTEMYUEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N Acrylamide Chemical compound NC(=O)C=C HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 230000000711 cancerogenic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000315 carcinogenic Toxicity 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 1
- 229920006037 cross link polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 230000009969 flowable effect Effects 0.000 description 1
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 229910001867 inorganic solvent Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003049 inorganic solvent Substances 0.000 description 1
- 238000004421 molding of ceramic Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 150000003254 radicals Chemical class 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Polymerisation Methods In General (AREA)
Abstract
Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania tworzyw ceramicznych na drodze polimeryzacji in situ w masie ceramicznej polegający na zmieszaniu proszku ceramicznego z wodnym roztworem monomeru organicznego, upłynniaczem, aktywatorem polimeryzacji rodnikowej, odpowietrzeniu masy, dodaniu inicjatora, uformowaniu masy, suszeniu i spiekaniu kształtek, według zgłoszenia charakteryzuje się tym, że jako organiczny monomer sieciujący stosuje się akrylan digliceryny w ilości 3 - 7 cz. wag. w stosunku do ilości proszku ceramicznego, proszek ceramiczny stosuje się w ilości 40 - 65%obj, upłynniacz stosuje się w ilości 0,2 - 3 cz. wag., aktywator stosuje się w ilości 0,2 - 2,5 cz. wag., inicjator stosuje się w ilości 0,2 - 3 cz. wag., a reakcję polimeryzacji w ceramicznej masie lejnej prowadzi się w temperaturze od 20 do 35°C.
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem zgłoszenia patentowego jest sposób otrzymywania tworzyw ceramicznych metodą odlewania żelowego (ang. gelcasting), pozwalający na zwiększenie stężenia fazy stałej w zawiesinie ceramicznej, a co za tym idzie poprawę właściwości tworzyw w stanie surowym i po spiekaniu, oraz dodatkowo zminimalizowanie negatywnego efektu inhibicji tlenowej i rozwarstwiania się wyrobów ceramicznych w stanie surowym.
Stężenie fazy stałej w ceramicznej masie lejnej jest o tyle istotne, że wpływa ono na stopień i jednorodność zagęszczenia materiału w stanie surowym, a co za tym idzie na jakość finalnego materiału po obróbce wysokotemperaturowej. Z tego względu coraz więcej uwagi poświęca się metodom formowania proszków ceramicznych opartym na układach koloidalnych, w których jednym z etapów jest przygotowanie stabilnej ceramicznej masy lejnej. Jedną z takich metod jest odlewanie żelowe (ang. gelcasting), które służy do otrzymywania materiałów ceramicznych o skomplikowanym kształcie i wysokiej jednorodności zagęszczenia bez stosowania kosztownej aparatury ciśnieniowej. Głównym założeniem metody jest przeprowadzenie wewnątrz ceramicznej masy lejnej kontrolowanej reakcji polimeryzacji monomeru organicznego, stanowiącego niewielki udział procentowy w stosunku do ilości proszku ceramicznego, w wyniku czego powstaje związek wielocząsteczkowy o strukturze liniowej lub usieciowanej. Powstała sieć polimerowa konsoliduje cząstki proszku ceramicznego, co pozwala na uzyskanie odlewu odwzorowującego skomplikowany kształt formy. W procesie tym przygotowuje się masę lejną składającą się z fazy dyspergującej, którą stanowi rozpuszczalnik organiczny lub nieorganiczny wraz z monomerem i upłynniaczem oraz fazy rozproszonej - proszku ceramicznego (Szafran M., Bednarek P., Jach D., Formowanie tworzyw ceramicznych metodą „gelcasting, Materiały Ceramiczne, 1 (2007) 17-25). Ze względów technologicznych pożądane jest stosowanie jako rozpuszczalnika wody, gdyż pozwala to na zmniejszenie kosztów i eliminuje konieczność pracy z toksycznymi rozpuszczalnikami. Zawiesinę miesza się na przykład w planetarnym młynie kulowym. Po procesie homogenizacji mieszaninę odgazowuje się i dodaje środka inicjującego powstawanie wolnych rodników. Tak przygotowaną masę wlewa się do wcześniej przygotowanych form, gdzie zachodzi proces polimeryzacji. Po zżelowaniu i wysuszeniu kształtek poddaje się je procesowi spiekania w odpowiednio dobranych warunkach. Główną zaletą metody gelcasting jest możliwość otrzymywania jednorodnych kształtek o skomplikowanej geometrii przy niewielkim nakładzie finansowym. W procesie tym można wytwarzać takie elementy jak: wirniki turbin, łopatki turbin, tygle, płytki półprzewodzące, części samochodów (Omatete O.O., Janney M.A., Nunn S.D., Gelcasting: from laboratory development toward industrial production, Journal of the European Ceramic Society, 17 (1997) 407-413).
W literaturze można znaleźć przykłady zastosowania metody gelcasting (odlewanie żelowe) dla różnych proszków ceramicznych. Jednak w większości prac stężenie fazy stałej w otrzymywanych masach lejnych nie było wystarczająco wysokie. Przykładowo dla kompozytów ZTA (tlenek glinu wzmacniany tlenkiem cyrkonu ang. zirconia taughened alumina) stężenie mieszaniny proszków w zawiesinie nie przekracza 50%obj (czyli około 80 cz. wag.). (Zhang C., Yang J., Qiu T., Guo J., Preparation of ZTA ceramic by aqueous gelcasting with a low-toxic monomer DMAA, Ceramics International 38 (2012) 3063-3068), dla nanometrycznego tlenku cyrkonu stężenie mieszaniny proszków w zawiesinie nie przekracza 45%obj (czyli około 83 cz. wag.). (Liu G., Attallah M.M., Jiang Y., Button T.W., Rheological characterization and shape control in gel-casting of nano-sized zirconia powders, Ceramics International 40 (2014) 14405-14412), natomiast dla węglika krzemu stężenie nie przekracza 40%obj (czyli około 68 cz. wag.). (Pochwała T., Psiuk B., Tworzywa ceramiczne z węglika krzemu otrzymywane metodą gelcasting, Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych 20 (2015) 58-67). W literaturze naukowej dotyczącej materiałów ceramicznych często stosuje się „procent objętościowy” (%obj) przy opisie stężenia fazy stałej w zawiesinach, ponieważ proszki ceramiczne znacznie różnią się gęstością. Przykładowo, gęstość ZrO2 wynosi 5,8-6,0 g/cm3, a gęstość SiC 3,2 g/cm3. Zatem 80 cz. wag. ZrCk zajmowałoby 40%obj zawiesiny, a 80 cz. wag. SiC 56%obj zawiesiny. W celu zwiększenia stężenia proszków w zawiesinach dąży się do udoskonalenia składu masy lejnej poprzez stosowanie nowych, dotychczas nie stosowanych dodatków organicznych, takich jak monomery organiczne, upłynniacze itp.
Pierwszym szeroko przebadanym i stosowanym monomerem był akryloamid. Niestety mimo wielu zalet jest on związkiem toksycznym oraz prawdopodobnie kancerogennym. Dodatkowo, rozkłada się podczas procesów wysokotemperaturowych do szkodliwych dla atmosfery tlenków azotu. Z tego powodu wielu badaczy zrezygnowało ze stosowania tego monomeru i prowadziło badania nad poszu
PL 234 779 B1 kiwaniem nowych, lepszych wodororozpuszczalnych monomerów, które dodatkowo byłyby niskotoksyczne. Z tej grupy związków najpowszechniej stosowany jest akrylan 2-hydroksyetylu (Ma L.G., Huang Y., Yang J.L., Le H.R., Sun Y., Control of the inner stresses in ceramic green bodies formed by gelcasting, Ceramic International, 32 (2006) 93-98), który niestety jest podatny na negatywny wpływ inhibicji tlenowej podczas procesu polimeryzacji. Innym przykładem akrylanu stosowanego w metodzie odlewania żelowego, jest akrylan 2-karboksyetylu, który pozwala zminimalizować negatywny wpływ inhibicji tlenowej, natomiast umożliwia otrzymanie masy lejnej z AI2O3 o mikrometrycznej wielkości cząstek o stężeniu fazy stałej nie większej niż 55%obj (czyli około 82,7 cz. wag.). (Pietrzak E., Wiecinska P., Szafran M., 2-carboxyethyl acrylate as a new monomer preventing negative effect of oxygen inhibition in gelcasting of alumina, Ceramamic International 42 (2016) 13682-13688). W literaturze można znaleźć również przykłady zastosowania 3-O-akryloilo-D-glukopiranozy i 3-O-akryloilo-D-fruktofuranozy, które oprócz tego, że stanowią rolę monomerów, posiadają również właściwości upłynniające dla wybranych nanoproszków ceramicznych. W przypadku tych związków stężenie fazy stałej dla mikro-Al2C3 nie przekraczało 50-55%obj (czyli około 79,8-82,7 cz. wag.). (Wiecińska P., Szafran M., Sakka Y., Mizerski T., Gelcasting of alumina with a newmonomer sunthesized from glucose, Journal of the European Ceramic Society, 30 (2010) 1795-1801; PL 213 043 B1). Kolejnym przykładem monomeru jest monoakrylan glicerolu, który w swojej budowie posiada dwie grupy wodorotlenowe, co miało pozytywny wpływ na właściwości kształtek w stanie surowym (zwiększenie gęstości i wytrzymałości mechanicznej wyrobów) (PL 210 130 B1). Stosując monoakrylan glicerolu można uzyskać maksymalne stężenie AI2O3 o mikrometrycznej wielkości cząstek wynoszące 70-85 cz. wag.
Sposób wytwarzania tworzyw ceramicznych na drodze polimeryzacji in situ w masie ceramicznej polega na zmieszaniu proszku ceramicznego z wodnym roztworem monomeru organicznego, upłynniaczem, aktywatorem, odpowietrzeniu masy, dodaniu inicjatora, uformowaniu masy, suszeniu i wypaleniu kształtek po wyjęciu z formy. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że jako organiczny monomer sieciujący stosuje się akrylan digliceryny w ilości 3-7 cz. wag. w stosunku do ilości proszku ceramicznego, proszek ceramiczny stosuje się w ilości 40-65%obj, upłynniacz stosuje się w ilości 0,2-3 cz. wag., aktywator stosuje się w ilości 0,2-2,5 cz. wag., inicjator stosuje się w ilości 0,2-3 cz. wag., a reakcję polimeryzacji w ceramicznej masie lejnej prowadzi się w temperaturze od 20 do 35°C.
Jako proszek ceramiczny stosuje się AI2O3 lub ZrO2 lub SiC lub TiO2 lub mieszaninę proszków AI2O3/ZrO2 tworzącą po spiekaniu kompozyt tlenku glinu wzmacniany tlenkiem cyrkonu (kompozyt ZTA). Korzystnie stosuje się proszek ceramiczny o średniej wielkości cząstek poniżej 1 μm.
Jako upłynniacz korzystnie stosuje się wodorocytrynian diamonu (DAC) lub kwas cytrynowy (CA). Można także stosować upłynniacze na bazie kwasu akrylowego lub akrylanu etylu lub soli amonowej poli(kwasu akrylowego) lub anionowego estru kwasu karboksylowego. Przykładami są związki o nazwach handlowych Syntran, Aron A-6114, Dispex A-40, Byk-LP C 22116.
Rolę aktywatora polimeryzacji rodnikowej korzystnie pełni kwas L-askorbinowy lub N,N,N’,N’-tetrametyloetylenodiamina (TEMED). Jako inicjator polimeryzacji rodnikowej korzystnie stosuje się nadsiarczan amonu (APS).
Wyroby w stanie surowym spieka się w temperaturze charakterystycznej dla danego proszku ceramicznego. Kompozyty ZTA (AhO3/ZrO2) spieka się w temperaturze 1400°C-1600°C, tworzywa ceramiczne z AI2O3 spieka się w temperaturze 1350°C-1600°C, tworzywa ceramiczne z ZrO2 spieka się w temperaturze 1450°C-1600°C, tworzywa ceramiczne z SiC spieka się w temperaturze 2100-2200°C a tworzywa ceramiczne z TiO2 spieka się w temperaturze 900-1200°C.
W celu dokładnego wymieszania wszystkich składników zawiesiny ceramiczną masę lejną miesza się w planetarnym młynie kulowym. Po procesie mieszania masa jest poddana odpowietrzeniu, w celu usunięcia pęcherzyków powietrza, które mogłyby powodować powstanie dużych porów w kształtkach w stanie surowym oraz po spiekaniu, co mogłoby obniżyć jakość otrzymanych próbek. Do tak przygotowanej masy lejnej jest dodawany inicjator polimeryzacji rodnikowej i masa jest ponownie mieszana w celu homogenizacji. Po wymieszaniu masy z inicjatorem, zawiesina jest odlana do form z tworzywa sztucznego, będącej negatywem kształtu wyrobu. Po zżelowaniu i wysuszeniu kształtek, są one usuwane z form i poddawane ewentualnej obróbce mechanicznej. Kolejnym etapem jest wypalenie dodatków organicznych i spiekanie materiału. Produkt po spiekaniu charakteryzuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną, jednorodną powierzchnią oraz wysokim stopniem zagęszczenia.
W sposobie według wynalazku zastosowano niskotoksyczny, nowo zsyntezowany monomer organiczny, który nie był dotychczas stosowany w szeroko rozumianej technologii ceramiki. Akrylan digliceryny w swojej budowie posiada trzy grupy wodorotlenowe tworzące wiązania wodorowe pomiędzy
PL 234 779 B1 grupami OH polimeru. Fakt ten umożliwia otrzymanie usieciowanego polimeru, co powoduje silniejsze związanie proszku ceramicznego z polimerem bez stosowania dodatkowych środków sieciujących. Zastosowany monomer posiada również właściwości upłynniające, co powoduje możliwość uzyskania większego stężenia proszku ceramicznego w masie lejnej. Zatem użyty w wynalazku akrylan digliceryny jest związkiem wielofunkcyjnym, gdyż pełni on potrójną funkcję w zawiesinach ceramicznych: upłynniającą, żelującą i sieciującą, przy czym maksymalne stężenie fazy stałej w zawiesinach jest wyższe niż w przypadku dotychczas poznanych monomerów organicznych. Ma to przełożenie na wyższy stopień zagęszczenia wyrobów w stanie surowym i po spiekaniu, ograniczenie negatywnego wpływu tzw. inhibicji tlenowej podczas formowania, wyższą wytrzymałość mechaniczną wyrobów w stanie surowym oraz zminimalizowanie wad w finalnych spiekach ceramicznych.
Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach wykonania.
P r z y k ł a d 1
Do otrzymania masy lejnej jako proszek ceramiczny zastosowano AI2O3 o symbolu TM-DAR (Taimei Chemicals, Japonia) o gęstości 3,98 g/cm3 oraz ZrO2 o symbolu TZ-PX-245 (TOSOH Corporation) o gęstości 5,86 g/cm3. Przygotowano zawiesinę zawierającą 54,18 g mieszaniny proszków AI2O3 i ZrO2 (w stosunku 90%obj:10%obj co stanowiło 65%obj fazy stałej w ceramicznej masie lejnej, równe 88,6 cz. wag.), 5,08 g wody (rozpuszczalnik), 0,1625 g wodorocytrynianiu diamonu (upłynniacz), 4,09 g 53% wodnego roztworu akrylanu digliceryny (monomer) oraz 260 ąl 10% wodnego roztworu N,N,N’,N’-tetrametyloetylenodiaminy (aktywator). Masę lejną mieszano w planetarnym młynie kulowym z szybkością 300 obr/min przez 60 min. Następnie całość odpowietrzono przy użyciu urządzenia do automatycznego odpowietrzania i mieszania zawiesin przez 2 min. z szybkością 1500 obr/min. Do odpowietrzonej masy lejnej dodano 174 ąl 10% wodnego roztworu nadsiarczanu amonu (inicjator) i mieszano przez 30 sekund z szybkością 500 obr/min. Przygotowaną zawiesinę wlano do form z PVC i odstawiono do zżelowania. Polimeryzacja zachodziła w temperaturze pokojowej (25°C). Po procesie żelowania kształtki wyjęto z form i wysuszono w temperaturze pokojowej. Kolejnym etapem był proces spiekania kształtek w temperaturze 1550°C/1h.
Uzyskane kształtki w stanie surowym charakteryzowały się wysoką jednorodnością, brakiem spękań, rozwarstwień, wad powierzchniowych oraz gęstością względną 64,00%.
Uzyskane kształtki po spiekaniu charakteryzowały się wysoką jednorodnością, gładką powierzchnią, brakiem spękań, wad powierzchniowych, gęstością względną 99,70%.
P r z y k ł a d 2
Do otrzymania masy lejnej jako proszek ceramiczny zastosowano AI2O3 symbolu TM-DAR (Taimei Chemicals, Japonia) o gęstości 3,98 g/cm3. Przygotowano zawiesinę zawierającą 51,74 g AI2O3 co stanowiło 65%obj (równe 88,1 cz. wag.) ceramicznej masy lejnej, 5,17g wody (rozpuszczalnik), 0,1552 g wodorocytrynianiu diamonu (upłynniacz), 3,90 g 53% wodnego roztworu akrylanu digliceryny (monomer) oraz 248 ąl 10% wodnego roztworu N,N,N’,N’-tetrametyloetylenodiaminy (aktywator). Masę lejną mieszano w planetarnym młynie kulowym z szybkością 300 obr/min przez 60 min. Następnie całość odpowietrzono przy użyciu urządzenia do automatycznego odpowietrzania i mieszania zawiesin przez 2 min z szybkością 1500 obr/min. Do odpowietrzonej masy lejnej dodano 166 ąl 10% wodnego roztworu nadsiarczanu amonu (inicjator) i mieszano przez 30 sekund z szybkością 500 obr/min. Przygotowaną zawiesinę wlano do form z PVC i odstawiono do zżelowania. Polimeryzacja zachodziła w temperaturze pokojowej (25°C). Po procesie żelowania kształtki wyjęto z form i wysuszono w temperaturze pokojowej. Kolejnym etapem był proces spiekania kształtek w temperaturze 1500°C/1h.
Uzyskane kształtki w stanie surowym charakteryzowały się wysoką jednorodnością, brakiem spękań, rozwarstwień, wad powierzchniowych, brakiem tzw. „skórki”, wynikającej z występowania negatywnego zjawiska tzw. inhibicji tlenowej oraz gęstością względną 60,00%.
Uzyskane kształtki po spiekaniu charakteryzowały się wysoką jednorodnością, gładką powierzchnią, brakiem spękań, wad powierzchniowych, gęstością względną 99,50%.
P r z y k ł a d 3
Do otrzymania masy lejnej jako proszek ceramiczny zastosowano ZrO2 o symbolu TZ-PX-245 (TOSOH Corporation, Japonia) o gęstości 5,86 g/cm3. Przygotowano zawiesinę zawierającą
62,12 g ZrO2 co stanowiło 53%obj (równe 86,9 cz. wag.), ceramicznej masy lejnej, 7,20 g wody (rozpuszczalnik), 0,1864 g wodorocytrynianiu diamonu (upłynniacz), 4,69 g 53% wodnego roztworu akrylanu digliceryny (monomer) oraz 298 ąl 10% wodnego roztworu N,N,N’,N’-tetrametyloetylenodiaminy (aktywator). Masę lejną mieszano w planetarnym młynie kulowym z szybkością 300 obr/min przez 60 min. Następnie całość odpowietrzono przy użyciu urządzenia do automatycznego odpowietrzania
PL 234 779 B1 i mieszania zawiesin przez 2 min z szybkością 1500 obr/min. Do odpowietrzonej masy lejnej dodano 198 μ! 10% wodnego roztworu nadsiarczanu amonu (inicjator) i mieszano przez 30 sekund z szybkością 500 obr/min. Przygotowaną zawiesinę wlano do form z PVC i odstawiono do zżelowania. Polimeryzacja zachodziła w temperaturze pokojowej (25°C). Po procesie żelowania kształtki wyjęto z form i wysuszono w temperaturze pokojowej. Kolejnym etapem był proces spiekania kształtek w temperaturze 1450°C/2h.
Uzyskane kształtki w stanie surowym charakteryzowały się wysoką jednorodnością, brakiem spękań, rozwarstwień, wad powierzchniowych, brakiem tzw. „skórki”, wynikającej z występowania negatywnego zjawiska tzw. inhibicji tlenowej oraz gęstością względną 59,00%.
Uzyskane kształtki po spiekaniu charakteryzowały się wysoką jednorodnością, gładką powierzchnią, brakiem spękań, wad powierzchniowych oraz gęstością względną 99,30%.
P r z y k ł a d 4
Do otrzymania masy lejnej jako proszek ceramiczny zastosowano SiC o gęstości 3,2 g/cm3. Przygotowano zawiesinę zawierającą 27,52 g SiC co stanowiło 43%obj (równe 70,7 cz. wag.), ceramicznej masy lejnej, 10,01 g wody (rozpuszczalnik), 0,69 g 40% wodnego roztworu BYK-LP C 22116 (upłynniacz), 2,08 g 53% wodnego roztworu akrylanu digliceryny (monomer) oraz 88 μl 10% wodnego roztworu Ν,Ν,Ν’,Ν’-tetrametyloetylenodiaminy (aktywator). Masę lejną mieszano w planetarnym młynie kulowym z szybkością 300 obr/min przez 60 min. Następnie całość odpowietrzono przy użyciu urządzenia do automatycznego odpowietrzania i mieszania zawiesin przez 2 min z szybkością 1500 obr/min. Do odpowietrzonej masy lejnej dodano 132 μl 10% wodnego roztworu nadsiarczanu amonu (inicjator) i mieszano przez 30 sekund z szybkością 500 obr/min. Przygotowaną zawiesinę wlano do form z PVC i odstawiono do zżelowania. Polimeryzacja zachodziła w temperaturze pokojowej (25°C). Po procesie żelowania kształtki wyjęto z form i wysuszono w temperaturze pokojowej. Kolejnym etapem był proces spiekania kształtek w temperaturze 2200°C/2h.
Uzyskane kształtki w stanie surowym charakteryzowały się wysoką jednorodnością, brakiem spękań, rozwarstwień, wad powierzchniowych, gęstością względną 52,00%.
Uzyskane kształtki po spiekaniu charakteryzowały się wysoką jednorodnością, gładką powierzchnią, brakiem spękań, wad powierzchniowych, gęstością względną 97,90%.
P r z y k ł a d porównawczy 1.
Do otrzymania masy lejnej jako proszek ceramiczny zastosowano AI2O3 symbolu TM-DAR (Taimei Chemicals, Japonia) o gęstości 3,98 g/cm3. Przygotowano zawiesinę zawierającą 51,74 g AI2O3 co stanowiło 65%obj (równe 88,1 cz. wag.), ceramicznej masy lejnej, 7 g wody (rozpuszczalnik), 0,1552 g wodorocytrynianiu diamonu (upłynniacz), 2,07 g akrylanu 2-hydroksyetylu (monomer) oraz 248 μl 10% wodnego roztworu Ν,Ν,Ν’,Ν’-tetrametyloetylenodiaminy (aktywator). Masę lejną mieszano w planetarnym młynie kulowym z szybkością 300 obr/min przez 60 min. Masa przy takim stężeniu proszku, z użyciem akrylanu 2-hydroksyetylu nie była płynna, co uniemożliwiło odlanie kształtek ceramicznych.
P r z y k ł a d porównawczy 2
Do otrzymania masy lejnej jako proszek ceramiczny zastosowano AI2O3 symbolu TM DAR (Taimei Chemicals, Japonia) o gęstości 3,98 g/cm3. Przygotowano zawiesinę zawierającą 39,80 g AI2O3 co stanowiło 50%obj (równe 79,9 cz. wag.), ceramicznej masy lejnej, 10,0 g wody (rozpuszczalnik), 0,1194 g wodorocytrynianiu diamonu (upłynniacz), 1,59 g akrylanu 2-hydroksyetylu (monomer) oraz 191 μl 10% wodnego roztworu Ν,Ν,Ν’,Ν’-tetrametyloetylenodiaminy (aktywator). Masę lejną mieszano w planetarnym młynie kulowym z szybkością 300 obr/min przez 60 min. Wstępnie całość odpowietrzono przy użyciu urządzenia do automatycznego odpowietrzania i mieszania zawiesin przez 2 min z szybkością 1500 obr/min. Do odpowietrzonej masy lejnej dodano 127 μl 10% wodnego roztworu nadsiarczanu amonu (inicjator) i mieszano przez 30 sekund z szybkością 500 obr/min. Przygotowaną zawiesinę wlano do form z PVC i odstawiono do zżelowania. Polimeryzacja zachodziła w temperaturze pokojowej (25°C). Po procesie żelowania kształtki wyjęto z form i wysuszono w temperaturze pokojowej. Kolejnym etapem był proces spiekania kształtek w temperaturze 1500°C/1h.
Uzyskane kształtki w stanie surowym charakteryzowały się spękaną i niejednorodną powierzchnią, pojawieniem się tzw. „skórki”, wynikającej z występowania negatywnego zjawiska tzw. inhibicji tlenowej oraz gęstością względną 56,00%.
Uzyskane kształtki po spiekaniu charakteryzowały się, gęstością względną 97,50%. Wady widoczne w kształtkach surowych były obecne także w kształtkach po spiekaniu.
Claims (12)
- Zastrzeżenia patentowe1. Sposób wytwarzania tworzyw ceramicznych na drodze polimeryzacji in situ w masie ceramicznej polegający na zmieszaniu proszku ceramicznego z wodnym roztworem monomeru organicznego, upłynniaczem, aktywatorem polimeryzacji rodnikowej, odpowietrzeniu masy, dodaniu inicjatora, uformowaniu masy, suszeniu i spiekaniu kształtek, znamienny tym, że jako organiczny monomer sieciujący stosuje się akrylan digliceryny w ilości 3-7 cz. wag. w stosunku do ilości proszku ceramicznego, proszek ceramiczny stosuje się w ilości 40-65%obj, upłynniacz stosuje się w ilości 0,2-3 cz. wag., aktywator stosuje się w ilości 0,2-2,5 cz. wag., inicjator stosuje się w ilości 0,2-3 cz. wag., a reakcję polimeryzacji w ceramicznej masie lejnej prowadzi się w temperaturze od 20 do 35°C.
- 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako proszek ceramiczny stosuje się AI2O3 lub ZrO2 lub SiC lub TiO2 lub mieszaninę proszków AhO3/ZrO2.
- 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się proszek ceramiczny o średniej wielkości cząstek poniżej 1 μm.
- 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako upłynniacz stosuje się wodorocytrynian diamonu lub kwas cytrynowy.
- 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się upłynniacze na bazie kwasu akrylowego lub akrylanu etylu lub soli amonowej poli(kwasu akrylowego) lub anionowego estru kwasu karboksylowego.
- 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako aktywator polimeryzacji rodnikowej stosuje się kwas L-askorbinowy lub N,N,N’,N’-tetrametyloetylenodiaminę.
- 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako inicjator polimeryzacji rodnikowej stosuje się nadsiarczan amonu.
- 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyrób zawierający mieszaninę proszku AI2O3/ZrO2 spieka się w temperaturze 1400°C-1600°C.
- 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyrób zawierający AI2O3 spieka się w temperaturze 1350°C-1600°C.
- 10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyrób zawierający ZrO2 spieka się w temperaturze 1450°C-1600°C.
- 11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyrób zawierający SiC spieka się w temperaturze 2100-2200°C.
- 12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyrób zawierającyTiO2 spieka się w temperaturze 900-1200°C.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL423258A PL234779B1 (pl) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | Sposób otrzymywania tworzyw ceramicznych metodą odlewania żelowego |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL423258A PL234779B1 (pl) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | Sposób otrzymywania tworzyw ceramicznych metodą odlewania żelowego |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL423258A1 PL423258A1 (pl) | 2019-05-06 |
| PL234779B1 true PL234779B1 (pl) | 2020-03-31 |
Family
ID=66341893
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL423258A PL234779B1 (pl) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | Sposób otrzymywania tworzyw ceramicznych metodą odlewania żelowego |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL234779B1 (pl) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101423397A (zh) * | 2008-11-20 | 2009-05-06 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种控制陶瓷浆料固化进程的方法 |
| PL210130B1 (pl) * | 2006-05-29 | 2011-12-30 | Politechnika Warszawska | Sposób wytwarzania kształtek ceramicznych |
| CN105314986A (zh) * | 2015-05-13 | 2016-02-10 | 洛阳名力科技开发有限公司 | 碳化硅陶瓷坯体半水基凝胶注模成型方法 |
| PL416473A1 (pl) * | 2016-03-11 | 2017-09-25 | Politechnika Warszawska | Sposób otrzymywania tworzyw ceramicznych metodą odlewania żelowego |
-
2017
- 2017-10-24 PL PL423258A patent/PL234779B1/pl unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PL210130B1 (pl) * | 2006-05-29 | 2011-12-30 | Politechnika Warszawska | Sposób wytwarzania kształtek ceramicznych |
| CN101423397A (zh) * | 2008-11-20 | 2009-05-06 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种控制陶瓷浆料固化进程的方法 |
| CN105314986A (zh) * | 2015-05-13 | 2016-02-10 | 洛阳名力科技开发有限公司 | 碳化硅陶瓷坯体半水基凝胶注模成型方法 |
| PL416473A1 (pl) * | 2016-03-11 | 2017-09-25 | Politechnika Warszawska | Sposób otrzymywania tworzyw ceramicznych metodą odlewania żelowego |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| C. TALLON: "2007", GELCASTING PERFORMANCE OF ALUMINA AQUEOUS SUSPENSIONS WITH GLYCEROL MONOACRYLATE: A NEW LOW-TOXICITY ACRYLIC MONOMER * |
| M. SZAFRAN: "2010", NEW LOW TOXIC WATER-SOLUBLE MONOMERS FOR GELCASTING OF CERAMIC POWDERS * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL423258A1 (pl) | 2019-05-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH11165309A (ja) | バインダー凝固を用いるセラミックの製造方法 | |
| Szudarska et al. | Fabrication of textured alumina by magnetic alignment via gelcasting based on low-toxic system | |
| CN111331527B (zh) | 一种超高气孔率陶瓷结合剂金刚石超精磨磨具及其制备方法 | |
| Shen et al. | Aluminum nitride shaping by non-aqueous gelcasting of low-viscosity and high solid-loading slurry | |
| CN103922748A (zh) | 一种多孔氮化硅陶瓷的制备方法 | |
| CN106518095B (zh) | 一种表面活性剂疏水改性分散剂制备泡沫陶瓷的方法 | |
| CN108395240B (zh) | 磷酸镧的制备方法、磷酸镧多孔陶瓷及其制备方法和应用 | |
| CN109761614A (zh) | 一种AlON陶瓷的凝胶注模成型方法 | |
| Ananthakumar et al. | Effect of boehmite and organic binders on extrusion of alumina | |
| Santacruz et al. | Application of alginate gelation to aqueous tape casting technology | |
| Xie et al. | Formation of silicon nitride bonded silicon carbide by aqueous gelcasting | |
| CN116425564B (zh) | 一种氧化铝耐火材料及其制备方法 | |
| Akhondi et al. | Gelcasting of alumina–zirconia–yttria nanocomposites with Na-alginate system | |
| Jun-hui et al. | Study of gel-tape-casting process of ceramic materials | |
| CN108863435B (zh) | 一种由铝溶胶自凝胶成型制备氧化铝泡沫陶瓷的方法 | |
| PL234779B1 (pl) | Sposób otrzymywania tworzyw ceramicznych metodą odlewania żelowego | |
| Yu et al. | A novel gel tape casting process based on gelation of sodium alginate | |
| CN104311089B (zh) | 一种利用凝胶注模制备致密氧化铬耐火材料的方法 | |
| Szafran et al. | NEW MULTIFUNCTIONAL COMPOUNDS IN GELCASTING PROCESS- INTRODUCTION TO THEIR SYNTHESIS AND APPLICATION | |
| Santacruz et al. | Gel casting of aqueous suspensions of BaTiO3 nanopowders | |
| CN119038990A (zh) | 氧化钇稳定氧化锆陶瓷坯体及氧化钇稳定氧化锆增韧氧化铝陶瓷坯体的制备方法 | |
| PL238558B1 (pl) | Sposób otrzymywania tworzyw ceramicznych metodą odlewania żelowego | |
| Tabrizian et al. | The influence of gel-casting parameters on the preparation of Si porous bodies | |
| Pietrzak et al. | Dense alumina ceramics obtained by gelcasting and cold isostatic pressing with the use of 2-carboxyethyl acrylate | |
| Yang et al. | New gelling systems to fabricate complex-shaped transparent ceramics |