喂料制備
喂料是粉末和粘結劑的混合物。注射工藝要求注射喂料有良好的流動性,這就須選擇符合要求的粉末和適當的粘結劑體系,按一定的裝載量配比,在一定的溫度下采用適當的方法混煉成均勻的注射成型喂料,這樣才能保證后續工藝的順利進行,其產品才有可能從實驗室走向高技術市場。所以喂料制備在整個工序中非常關鍵。
脫脂工藝
脫脂是通過加熱及其他物理方法將成型件體內的有機物排除并產生少量燒結的過程。與配料、成型、燒結及陶瓷部件的后加工過程相比,脫脂是注射成型中最困難和最重要的因素。脫脂過程不正確的工藝方式和參數使產品收縮不一致,導致變形、開裂、應力和夾雜。脫脂對之后的燒結工藝也很重要,在脫脂過程中產生的裂紋和變形不能通過燒結來彌補。粘結劑和脫脂是聯系在一起的,粘結劑決定脫脂方式。目前的脫脂工藝除了傳統的熱脫脂、溶劑脫脂外,還有近幾年發展起來的催化脫脂以及水基萃取脫脂。
(1)熱脫脂
熱脫脂是比較常用的一種脫脂方法,通過加熱方法把坯體中的有機粘結劑熔融、揮發和裂解來脫除。具體過程是將成形坯加熱到一定的溫度,使粘結劑蒸發或熱分解生成氣體小分子,氣體小分子通過擴散或滲透方式傳輸到成形坯表面,最后粘結劑的分解氣體從成形坯表面脫離進入外部氣氛。熱脫脂時由于粘結劑部分受熱軟化,坯體在重力和熱應力的作用下易產生粘性流動變形,因此脫脂速率太慢、耗時長。尤其是在脫脂初期,低熔點的有機物無法排除坯體而在坯體內部產生較高壓力,容易導致坯體產生鼓泡、裂紋和變形等缺陷。同時,熱脫脂有尺寸厚度的限制,適合比較小的精密陶瓷部件。
優點:價格低廉、理論發展比較成熟,應用比較廣泛;
缺點:效率低、時間長,且易產生缺陷,僅限于小截面產品(通常在5mm以內)如陶瓷插芯、套管以及智能穿戴消費電子產品等。
(2)溶劑脫脂
溶劑脫脂首先是溶劑分子擴散進入CIM成型坯,然后粘結劑溶解于溶劑中形成粘結劑—溶劑溶體,粘結劑分子在成型坯內通過粘結劑—溶劑溶體擴散至成型坯表面,擴散到成型坯表面的粘結劑分子脫離成型坯進入溶劑溶液中。
溶劑脫脂有兩部分組成,第一組分的有機物(如石蠟、植物油等),可以很好的溶解在某些烷烴溶劑(如煤油、正庚烷、石油醚、或溶劑油)中;另一組分是不溶于溶劑的高分子(聚乙烯,聚丙烯等),在可溶性組分脫除后起到支撐坯體強度的作用。殘存的有機載體和溶劑可最后通過快速加熱完全脫除。
優點:1)效率高,脫脂時間短;2)聚合物不溶解,脫脂時仍可保持坯體不變形;3)化學萃取后,在坯體中形成連續通道,能將后續熱脫脂過程縮短至數小時。
缺點:易產生溶脹現象,造成坯體開裂;增加了溶劑的排除過程,且一些有機溶劑含有毒性,不環保,這些溶劑都必須進行回收處理,增加了部分成本。
應用:有機溶劑(油)脫脂效率高于熱脫脂,且有利于較厚截面和較大尺寸陶瓷產品制備,如陶瓷表圈、齒輪、陶瓷杯等;手機及智能穿戴產品,喂料制備和脫脂成本較低,實用性強。
(3)催化脫脂
利用一種催化劑把有機載體分子分解為較小的可揮發的分子,這些分子比其他脫脂過程中的有機載體分子有較高的蒸汽壓,能迅速地擴散出坯體。這種技術是由德國BASF公司開發的。
特點:粘結體系一般是由聚甲醛樹脂和起穩定作用的添加劑組成,催化脫脂是直接氣固反應,反應溫度一般在110~150℃,低于聚甲醛樹脂的熔點,防止液相生成。這樣就避免了熱脫脂過程中由于生成液相而導致生坯軟化,或由于重力、內應力或粘性流動影響而產生的變形和缺陷。所以它最大的優點是可以坯體的缺陷非常好控制,適合做大尺寸的產品。
優點:脫脂速度快,坯體變形和缺陷少,精度高,更適合大尺寸或厚截面陶瓷產品的制備,如陶瓷噴嘴、軸承球、汽車裝飾件等;
缺點:特制的粘結劑,喂料制備難度大,流動性較差,成本較高,目前國內應用較少。
(4)水基萃取脫脂
水基萃取脫脂是在萃取脫脂工藝的基礎上,經過改進而發展起來的一種新型的脫脂方法。美國TPT公司已把這種工藝應用于生產(Thermal方法)。
水基萃取脫脂所用的粘結劑體系分為兩部分:一部分是水溶性的,如聚乙二醇(PEG)、聚環氧乙烷(PEO)等,可通過水的濾取排除;另一部分是不溶于水的,如采用交聯聚合物如聚乙烯醇縮丁醛(PVB)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等,一般采用加熱的方式脫除。
脫脂也分為兩個階段進行:首先坯體浸于水,水溶性的粘結劑通過水的瀝取作用而被脫除,然后部分不溶于水的粘結劑可通過加熱等方法進行脫除。這要求水溶性和不溶的兩部分粘結劑在液態下能完全混溶,且混溶過程快,在不需要很多能量下30分鐘內就可以完成,并形成均勻的異相溶液。坯體在40~60℃的水中脫脂,為控制瀝取速度和水對坯體的影響,水要經過去離子處理或加入一些特殊的添加劑,如抗腐蝕劑、抗氧化劑等,此外水要不停的攪動。一般在3小時之內就可把水溶性粘結劑脫完,這時坯體內已形成連續的孔道,為不溶性粘結劑的脫脂提供便利的路徑,一般熱脫除時間為2小時左右。
水脫脂對于厚截面陶瓷部件脫脂有優勢,具備脫脂速度快、時間短、無污染,設備投資相對較少等優點,因此成為脫脂的重要研究方向。目前清華大學和德國陶瓷公司正在開發和測試該技術。