1、塑料成型论文1塑料成型工艺与模具设计论文姓 名：高海建指导老师：徐建伟专 业：材料成型及控制工程学 号：080118021日 期：2011 年 5 月 5 日塑料成型论文2有机添加剂对多孔氮化硅陶瓷挤出成型工艺的影响摘 要通过添加不同的有机添加剂，采用挤出成型工艺，制备出性能优良的多孔氮化硅陶瓷。研究有机添加剂对多孔氮化硅陶瓷挤出成型工艺的影响，比较分析挤出后生坯及烧成品的各项性能，得到优化、适合工厂大规模生产的挤出泥料配方。实验表明：采用皂化蓖麻油为润滑剂，浓度15%且相对分子质量1 000的聚乙二醇(PEG)为增塑剂，浓度4%的甲基纤维素(MC)及羟丙基甲基纤维素(HPMC)为粘结剂，泥料
2、固相含量在70% 75%时配成的泥料最适宜于挤出成型，挤出力在0.51.0MPa间挤出的生坯及烧成品性能优良；与甲基纤维素(MC)相比，保湿性强的羟丙基甲基纤维素(HPMC)更适用于工厂大规模生产关键词：无机非金属材料；多孔氮化硅陶瓷；挤出成型；影响；有机添加剂氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、抗热震、电绝缘等一系列的优良性能，而且还具有良好的热稳定性、低介电损耗、高耐冲蚀性能，引起国内外众多学者的关注和研究1。多孔氮化硅陶瓷的电学、热学和机械性能十分优良，在氧化气氛中可以使用到1 400 ，在中性或者还原气氛中可以使用到1 850 2。它既突出了一般陶瓷材料的坚硬、耐热、耐磨、耐
3、腐蚀的优点，又具备抗热震、耐高温蠕变、自润滑、化学稳定等特性，与氧化铝陶瓷、堇青石陶瓷、石英玻璃等同类材料相比，多孔氮化硅陶瓷具有明显的优点3。作为一种性能优良、前景广阔的新型多孔材料，可广泛应用于化工、环保、生物等行业作为过滤、分离、吸音、敏感及生物陶瓷等材料4。目前制备多孔氮化硅的成型方法主要有模压成型、冷等静压成型、注射成型、流延成型及凝胶注模成型等5-10，但这些方法工业生产效率低，而且不塑料成型论文3适用于制备复杂形状的部件，因此注浆成型及挤出成型越来越引起众多的关注及研究11-12。挤出成型工艺由于其速度快、效率高、可连续生产，尤其适于生产形状复杂部件等优点成为工业生产的主要工艺1
4、3。泥料所具有的良好的可塑性、延展性和保水性是多孔陶瓷坯体挤出成型的关键。物料的塑性是挤压成型工艺中的重要指标，而物料中的液体粘结剂含量则是控制泥料塑性的主要手段14-15。物料挤压的顺利实现取决于物料的流变特性以及挤压力的大小，因此研究有机添加剂对挤出成型工艺制备多孔氮化硅陶瓷有重要意义。本文通过添加不同的有机添加剂，采用挤出成型工艺，制备出性能优良的多孔氮化硅陶瓷。实验研究了有机添加剂对多孔氮化硅陶瓷挤出成型工艺的影响，比较分析挤出后生坯和烧成品的各项性能，得到优化的挤出泥料配方。1 实 验1.1 样品制备采用-Si3N4（纯度99%，-Si3N4质量分数95%，平均粒度 1 m）为原料，
5、Lu2O3 （纯度99.9%，粒度 1m为烧结助剂。相对分子质量为1 000和10 000的聚乙二醇(PEG)为增塑剂；羧甲基纤维素(CMC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)及甲基纤维素(MC)为粘结剂；蓖麻油为润滑剂。制备工艺如图1所示。将w = 95% -Si3N4粉与5%Lu2O3按一定的配比配料，加入有机添加剂及去离子水，经混料、陈腐、挤出成型制得条状生坯，生坯干燥排胶后在多功能高温炉 (High multi-5000 日本Fijidempa公司) 中烧结，烧结温度为1 750 ，烧结时间为2 h，氮气压力为0.225 MPa塑料成型论文4图 1 多孔氮化硅陶瓷制备流程1.2 性能测试采
6、用Archimedes 法测试样品的气孔率，用3 点弯曲法测量抗弯强度。用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD, D/MAX-34) 分析物相。用扫描电镜(scanningelectron microscope, SEM, JSM-35C, JEOL, 日本)观察试样的显微结构。2 结果与讨论此次实验在模压机上模拟挤出，模具设计挤出角为31.8，挤出段长径比为1.5根据工厂经验，用蓖麻油作润滑剂，同时也具有增粘作用。采用不同的粘结剂及增塑剂，考察氮化硅泥料的各项性能。实验结果表明，挤出泥料的固相含量适宜范围为70% 75%当固相含量过小时，泥料太湿，不利于成型，并且挤出过程
7、中易产生泌水现象；反之，当固相含量过大时，泥料太干，粘结性变差，也不利于成型。实验发现80% 固相含量的泥料在2.5 MPa挤出压力下仍然挤不出来。同时，不同固相含量的泥料在挤出过程中所需要的挤出力也不同，当泥料的固相含量在70% 75%，挤出力在0.5 1.0MPa时挤出的生坯及烧成品性能优良。下面研究不同有机添加剂对多孔氮化硅泥料、素坯在挤出、干燥（固化）、排胶及烧成过程中各项性能的影响。2.1 CMC 作粘结剂对多孔氮化硅的影响将CMC 配成浓度为2.5%的溶液，增塑剂采用浓度15%的聚乙二醇(PEG)，相对分子质量为10 000，采用皂化蓖麻油为润滑剂， 0.05%丙三醇为保湿剂，其P
8、EG 溶液、CMC 溶液及蓖麻油质量比分别为35%，20%及8%烧结试样品的密度，开气孔率q及弯曲强度f如表1 所示。从表1 中可以看出，所得到的多孔氮化硅陶瓷密度较小，气孔率较大，且强度较低。与Lu2O3作烧结助剂的文献16-18相比，烧结试样的强度低，主要因为添加CMC为粘结剂、15%浓度相对分子质量10 000的PEG为增塑剂，挤出成型的生坯及烧结后的试样有微裂纹缺陷。CMC的分子结构式如图2所示。塑料成型论文5CMC所带的极性基团为CH2OCH2COONa和OH, 极性较强，极性越强，跟水越容易互溶，可以吸附的水量越多，粉料表面的水膜越厚，那么粉料之间的粘结性就会变差，因此CMC 的加
9、入可以使粉料易于分散，起到分散剂的作用，注浆成型时料浆成分更加均匀，而对于挤出则略显极性过大。同时，泥料粘结性不好在成型过程中容易产生缺陷。表1 添加CMC及PEG的试样烧结后的各项性能固相含量/% 添加剂 成品密度/ (gcm-3) 成品开气孔率/% 弯曲强度/MPa75% 2.5%CMC+10 000PEG 1.73 46.15 42.58图 2 CMC 分子结构式PEG 作增塑剂时，不会生成硬壳状或黏泥状沉积物。PEG的各项性能受相对分子质量的影响较大，它的相对吸湿性和水的保持能力随相对分子质量增大迅速下降，同时，相对分子质量越大，分子链刚性越大，越不利于成型。成型的试样因为分子链的抵抗
10、变形而产生残余应力，产生的残余应力在生坯的干燥、排胶、烧成过程中释放，导致试样产生大量微裂纹，烧成后多孔氮化硅各项性能较差，所以相对分子质量为10 000的PEG不适合作为增塑剂，应选用相对分子质量为1 000 的PEG为增塑剂。2.2 MC 作粘结剂对多孔氮化硅陶瓷的影响选用浓度2%及4%的MC 作为粘结剂，固相含量为75%，MC、PEG及蓖麻油的质量比分别为25%，5%及4%试样生坯及烧结后的各项性能如表2所示。从表2中可以看出，试样有较高的气孔率及弯曲强度，力学性能优异。对于添加2%浓塑料成型论文6度MC试样的生坯密度较小，烧成后密度却与4%浓度的MC试样的相差不大，说明此类试样在烧结过
11、程中产生了比较大的收缩，而且试样的强度也较低，对于工厂生产不利。表2 添加不同浓度黏结剂试样的生坯及烧结品的各项性能添加剂 生坯密度/(gcm-3) 生坯开气孔率/% 成品密度/ (gcm-3) 成品开气孔率/% 弯曲强度/MPa2%MC+1000PEG 1.66 37.36 1.86 42.92 141.024%MC+1000PEG 1.69 35.39 1.85 43.08 166.532.3 HPMC 作粘结剂对多孔氮化硅陶瓷的影响浓度4%的HPMC作为粘结剂，固相含量选70% 及75%，相对分子质量为1 000的PEG为增塑剂。HPMC，PEG及蓖麻油的质量比分别为25%，5%及4%固
12、相含量为75%的试样X 射线衍射(XRD)如图3所示， SEM微观组织如图4所示。从图3可以看出，主晶相为-Si3N4，表明-相变已经完全完成，没观察到烧结助剂结晶相，这表明Lu2O3作为烧结助剂时，最终烧结样品中晶界相可能是无定形相。塑料成型论文7图3 固相含量为75%试样的XRD图谱图4 固相含量为75%试样的SEM从图4中可以看出，试样呈现均匀的棒状组织，且棒状-Si3N4晶粒的长径比高，这对力学性能是非常有利的。因为通过相转变和致密化原位形成的增韧微观组织是形成优良力学性能氮化硅陶瓷的最主要的原因19。当晶粒尺寸塑料成型论文8呈双峰分布，并且晶粒的长径比超过4时，可以获得最好的韧性20
13、。对任何一种 -Si3N4 材料，其室温强度及断裂韧性首先取决于 -Si3N4 晶粒的长径比，其次取决于晶粒尺寸大小。高长径比的棒状晶粒可以产生裂纹扩展阻力使材料增韧。固相含量为70%及75%试样的生坯及烧成后的各项性能如表3所示。从表3中可以看出，试样的气孔率及弯曲强度高，力学性能优良。而固相含量为75%的力学性能与70%试样相比，固相含量为75%所得试样的力学性能较高。固相含量过小，泥料中水量过大，水越多，粘结性越差，泥料在挤出过程中容易产生组分的不均匀分布，导致烧成后多孔氮化硅的各项性能较差。表3 固相含量不同试样的生坯及烧结品的各项性能固相含量/% 生坯密度/(gcm-3) 生坯开气孔
14、率/% 成品密度/ (gcm-3) 成品开气孔率/% 弯曲强度/MPa75 1.71 35.62 1.91 41.70 160.3570 1.70 36.43 1.95 40.29 152.70MC 和HPMC 的分子结构式如图5 所示。图5(b)中MC 所带得-OH 基很接近环，而(a)中HPMC 的-OH基跟环之间还有很长的一个分子基团相连，所以MC分子的极性要弱于HPMC分子，因此HPMC更容易吸附并保持水分，这个性能对于工厂生产非常重要，因为在生坯挤出成型后，若可以保持一定的水分，那么在后续的干燥排胶过程中试样可以有很好的性能，不容易变形、开裂。因此，固相含量为75%，添加浓度4%的M
15、C与HPMC的试样相比，4% HPMC为黏结剂更易于挤出实现，而且干燥、排胶及烧成过程中不发生变形开裂现象，生坯有一定的强度，更适用于工厂生产。塑料成型论文9图5 HPMC及MC 分子结构式3 结 论模具挤出角设计为31.8 ，挤出段长径比为1.5，泥料固相含量为70% 75%，挤出力控制在0.5 1.0 MPa时，在模压机上泥料可以顺利挤出成型，挤出的生坯及烧成品的各项性能优良；采用浓度15%且相对分子质量1 000的PEG为增塑剂、皂化蓖麻油为润滑剂，改变粘结剂的种类及浓度可以获得具有不同流变性能的泥料，浓度4%的MC及HPMC作粘结剂时，泥料较适合于挤出成型，且生坯及烧成品的各项性能优良
16、，但是具有保湿性的HPMC更适用于工厂大规模生产。参考文献(References)1 BARTA J, MANELA M, FISCHE R. Si3N4 and Si2N2O for highperformance radomes J. Materials Science and Engineering, 1985,71: 265-272.2 ZHANG C R, HAO Y K. Ceramic Composites-theory, Processing,Property and Design M. Changsha: National University of DefenseTechn
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