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上海矽諾國(guó)際貿(mào)易有限公司 2020-06-24 點(diǎn)擊5241次
為獲得分散均勻、穩(wěn)定性高的氧化鋁懸浮液，分別考察了固含量、溫度和ｐＨ 值對(duì)懸浮液黏度的影響．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著固含量的增加，氧化鋁懸浮液黏度增大；隨著溫度的上升，氧化鋁懸浮液黏度逐漸降低；而ｐＨ 值對(duì)氧化鋁懸浮液黏度影響不大．同時(shí)研究了溫度依賴性機(jī)理，通過對(duì)Ｋ－Ｄ（Ｋｒｉｅｇｅｒ－Ｄｏｕｇｈｅｒｔｙ）公式修正，消除了溫度依賴性．
引 言
陶瓷材料因其具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性及耐氧化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，但高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷制件加工難度大，成本較高［１］．近年來隨著制造技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了不依賴模具，將快速成型技術(shù)直接應(yīng)用于陶瓷零件的制造，其中面曝光快速成型技術(shù)（Ｍａｓｋｅｄ?。校颍铮辏澹悖簦椋铮睢。樱簦澹颍澹铩。蹋椋簦瑁铮纾颍幔穑瑁。粒穑穑幔颍幔簦酰?，
ＭＰＳＬＡ）制作出的陶瓷零件表面質(zhì)量較好，特別是在微小零件的成型上更加便于精度的控制［２－３］．該技術(shù)作為光固化成型的一種，其設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝更加簡(jiǎn)單化［４］．將陶瓷粉末加入可光固化的溶液中，通過高速攪拌使陶瓷粉末在溶液中分散均勻，由此制備出高固相含量流動(dòng)性好的陶瓷懸浮液，再在光源輻照下逐層固化，累加得到陶瓷零件素坯，最后通過干燥、脫脂和燒結(jié)等后處理工藝得到陶瓷零件［５］．
面曝光快速成型工藝在樹脂原型的制作方面已比較成熟，但利用該工藝直接制作復(fù)雜陶瓷件的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外尚處于探索階段．國(guó)內(nèi)楊飛等［６］人利用面曝光快速成型系統(tǒng)研究了磷酸鈣陶瓷懸浮液的固化性能，實(shí)現(xiàn)了具有復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷支架的制造．國(guó)外也有許多專家學(xué)者開展了相關(guān)研究，文獻(xiàn)［７－８］使用面曝光技術(shù)分別制作出氮化硅陶瓷與壓電陶瓷，文獻(xiàn)［９］通過懸浮液與氣動(dòng)泵連接的注射方式得到了分散均勻的陶瓷懸浮液，文獻(xiàn)［１０－１６］對(duì)不同樹脂基陶瓷懸浮液的制備進(jìn)行了研究．制作高質(zhì)量的陶瓷制件，陶瓷懸浮液的制備是首要步驟，且分散均勻、穩(wěn)定性高的懸浮液也是陶瓷面曝光固化的基礎(chǔ)．張立明通過對(duì)氧化鋁懸浮液剪切流變特性的研究指出，黏度是表征懸浮液分散穩(wěn)定性的一個(gè)主要參數(shù)［１７］．
為配制出分散均勻、穩(wěn)定性高的陶瓷懸浮液，本文通過實(shí)驗(yàn)研究了固含量、溫度及ｐＨ 值對(duì)氧化鋁懸浮液黏度的影響，采用Ｋ－Ｄ（Ｋｒｉｅｇｅｒ－Ｄｏｕｇｈｅｒｔｙ）方程，建立了氧化鋁懸浮液黏度關(guān)于固含量的函數(shù)關(guān)系式，研究了懸浮液黏度溫度依賴性的原因．
實(shí) 驗(yàn)
１．１ 材料與儀器
１．１．１ 材料 氧化鋁粉體（純度９９％以上，粒徑４０μｍ，分析純，分子量：１０１．９６，天津市鼎盛鑫化工有限
公司，化學(xué)成分技術(shù)指標(biāo)如表１所示）；光敏樹脂（工業(yè)級(jí)，紅色，荷蘭Ｆｕｎ?。裕铩。模锕荆话彼ǚ治黾?，天
津市天力化學(xué)試劑有限公司）；鹽酸（分析純，洛陽(yáng)昊華化學(xué)試劑有限公司）；無(wú)水乙醇（分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司）．
１．１．２ 儀器與表征 采用梅特勒－托利多儀器（上海）有限公司的ＡＬ１０４型電子天平稱量氧化鋁粉體；采用金壇
市大地自動(dòng)化儀器廠的ＣＪＪ７８－１型（溫度≤７５℃，調(diào)速０～２ ０００ｒ／ｍｉｎ）磁力加熱攪拌器攪拌加熱懸浮液；采用上海方瑞儀器有限公司的ＳＮＢ－１Ａ－Ｊ型數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定懸浮液的黏度；采用北京繡福容科技有限責(zé)任公司的ｐＨ 廣泛試紙測(cè)量ｐＨ 值．
１．２ 實(shí)驗(yàn)方法與步驟
１．２．１ 固含量對(duì)氧化鋁懸浮液黏度的影響 量取一定體積光敏樹脂（整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中避光處理），將一定質(zhì)量的粉體與光敏樹脂在燒杯中混合后，置于磁力加熱攪拌器中充分?jǐn)嚢瑁担恚椋?，得到?shí)驗(yàn)所需的氧化鋁懸浮液．根據(jù)式（１）計(jì)算出配制相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)所需要的氧化鋁粉體質(zhì)量，計(jì)算公式［１８－１９］為
式中：為固含量；ｍ粉為氧化鋁粉體質(zhì)量；ρ粉為氧化鋁粉體密度（１．１６ｇ／ｃｍ３）；ｍ脂為光敏樹脂質(zhì)量；ρ脂
為光敏樹脂密度（０．９９ｇ／ｃｍ３）．
配制固含量（體積分?jǐn)?shù)）分別為１０％，２０％，３０％，４０％和５０％的氧化鋁懸浮液，利用黏度計(jì)測(cè)量懸浮
液的動(dòng)力黏度，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．實(shí)驗(yàn)在ｐＨ＝５，室溫下進(jìn)行．
１．２．２ 溫度對(duì)氧化鋁懸浮液黏度的影響 配制固含量為３０％的氧化鋁懸浮液，并在不斷攪拌下對(duì)其進(jìn)
行緩慢加熱，使用溫度計(jì)依次測(cè)出２０℃，３０℃，４０℃，５０℃和６０℃時(shí)氧化鋁懸浮液的黏度并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)
據(jù)．實(shí)驗(yàn)在ｐＨ＝５條件下進(jìn)行．
１．２．３?。穑?值對(duì)氧化鋁懸浮液黏度的影響 配制固含量為３０％的氧化鋁懸浮液，通過滴加少量鹽酸或氨
水調(diào)節(jié)ｐＨ 值，依次測(cè)出ｐＨ＝２，４，６，８，１０五種情況下懸浮液的黏度，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行．
２ 結(jié)果與討論
２．１ 固含量的影響
圖１顯示了氧化鋁懸浮液在ｐＨ＝５，室溫下固含量對(duì)黏度的影響結(jié)果．由圖１可知，隨著固含量的增
加，懸浮液黏度總體上呈不斷增大的趨勢(shì)，具體可分為３個(gè)階段．前增長(zhǎng)階段：當(dāng)固含量的體積分?jǐn)?shù)在３０％
以下時(shí)，懸浮液黏度呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)；增長(zhǎng)階段：當(dāng)固含量的體積分?jǐn)?shù)在３０％至４０％時(shí)，黏度急劇增大，
這是因?yàn)殡S著連續(xù)相光敏樹脂體積的減少，氧化鋁顆粒間間距減小，相對(duì)運(yùn)動(dòng)變得困難，所以懸浮液體系
的流動(dòng)性降低，黏度急劇增加；后增長(zhǎng)階段：當(dāng)固含量的體積分?jǐn)?shù)超過４０％時(shí)，由于氧化鋁懸浮液逐漸趨
于飽和，顆粒間的間距接近極值，減小的范圍大幅度降低，因此黏度的增長(zhǎng)又變得緩慢．實(shí)驗(yàn)表明，懸浮體
系的最大固含量的體積分?jǐn)?shù)為５５％，當(dāng)大于５５％時(shí)，懸浮體系出現(xiàn)凝固現(xiàn)象，黏度值無(wú)法測(cè)量．
２．２ 溫度的影響
圖２顯示了溫度對(duì)固含量為３０％氧化鋁懸浮液黏度的影響．由圖２可知，隨著溫度的上升，氧化鋁懸浮液黏度逐漸降低，這是因?yàn)殡S溫度的升高，伴隨著分子熱運(yùn)動(dòng)及布朗運(yùn)動(dòng)的加?。郏玻埃?，使得粒子間相互作用力減弱，所以懸浮液黏度逐漸降低．圖３為在２０℃，４０℃，６０℃３個(gè)溫度下，隨著固含量增加，黏度的變化情況．由圖３分析可知，隨著溫度不斷升高，懸浮液黏度在固含量變化時(shí)整體呈降低趨勢(shì)，黏度隨固含量的變化關(guān)系與溫度有關(guān)，即存在溫度依賴性．
２．３?。穑?值的影響
圖４顯示了ｐＨ 值對(duì)３０％固含量氧化鋁懸浮液黏度的影響結(jié)果．根據(jù)膠體穩(wěn)定的ＤＬＶＯ理論［１９］，當(dāng)
粉體表面所帶的正、負(fù)電荷相等時(shí)，粒子表面沒有多余的電荷，靜電排斥作用消失，此時(shí)粉體顆粒易發(fā)生凝
聚或絮凝，黏度值較大，將這時(shí)體系的ｐＨ 值稱作等電點(diǎn)（ＩＥＰ）．由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在ｐＨ＝２時(shí)為等電點(diǎn)，
此時(shí)黏度出現(xiàn)極大值；當(dāng)?shù)渭影彼?，由于產(chǎn)生負(fù)的電荷，打破了等電點(diǎn)顆粒所帶凈電荷趨近于零的狀態(tài)，
顆粒凝聚趨勢(shì)減弱，因此ｐＨ＝２～４區(qū)間黏度值降低；由于氧化鋁是一種兩性氧化物，在酸性介質(zhì)中顆粒
表面帶正的靜電荷，當(dāng)?shù)渭影彼笈c其中的負(fù)電荷相互作用，因此在ｐＨ＝４～６區(qū)間，黏度值會(huì)增加；在堿
性介質(zhì)中，顆粒表面帶負(fù)的靜電荷，隨著ｐＨ 值增大ＯＨ－ 離子濃度增加，顆粒表面所帶的負(fù)電荷增多，因
此在ｐＨ＝６～１０區(qū)間，黏度值保持在７ｍＰａ·ｓ，黏度較小．
２．４ 氧化鋁陶瓷懸浮液相對(duì)黏度模型
顆粒體積分?jǐn)?shù)與最大體積分?jǐn)?shù)對(duì)體系黏度的作用可用Ｋｒｉｅｇｅｒ－Ｄｏｕｇｈｅｒｔｙ［２１］公式（簡(jiǎn)稱Ｋ－Ｄ公式）來
描述：
ηｒ ＝（１－Φ／Φｍ）－［η］Φｍ． （２）
式中：ηｒ
為相對(duì)黏度；Φ 為固含量；Φｍ
為最大固含量；［η］為特征黏度．此關(guān)系式表明體系黏度隨顆粒含量增加而增大．當(dāng)顆粒含量增加時(shí)，顆粒堆積緊密，間距減小，很難自由移動(dòng)，顆粒間的相互作用力增大，由此引起的流動(dòng)阻力變大，即黏度上升．
利用上述Ｋ－Ｄ公式建立氧化鋁陶瓷懸浮液流體動(dòng)力學(xué)模型，在室溫下使用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量不同固含量懸浮液的相對(duì)黏度ηｒ，將所得數(shù)據(jù)按式（２）在Ｍａｔｌａｂ上擬合可求得［η］及Φｍ，擬合結(jié)果為：Φｍ＝０．５５，［η］＝５．２８，由此獲得２５℃時(shí)氧化鋁懸浮液的Ｋ－Ｄ方程：
２．５ 氧化鋁懸浮液黏度的溫度依賴性
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，黏度隨固含量的變化關(guān)系與溫度有關(guān)，即存在溫度依賴性．隨著溫度升高，懸浮液中基體發(fā)生熱膨脹，顆粒間距變大，由此引起流動(dòng)阻力減小，黏度降低，因此呈現(xiàn)溫度依賴性．由于基體的熱膨脹，固含量隨溫度也發(fā)生變化，溫度校正后的固含量可表示為
式中：Φ（Ｔ）為溫度在Ｔ 時(shí)校正的固含量；ＶＳ為固體顆粒體積；ＶＬ為基體體積；α 為基體的體積熱膨脹系
數(shù)（１０－４／℃）．由式（４）可知，隨著溫度的上升，氧化鋁懸浮液的固含量會(huì)略微降低，導(dǎo)致懸浮液黏度降低．綜合以上，懸浮液黏度的溫度依賴性既包括基體黏度的溫度依賴性，還包括懸浮液固含量的溫度依賴性，也可看成是由于熱稀釋效應(yīng)引起的．為得到不受溫度依賴性影響的氧化鋁懸浮液黏度值，可通過公式
（２）給出的Ｋ－Ｄ模型，綜合考慮得到Ｋ－Ｄ方程校正因子Ｉ［２３］：
式中：ｎｏｍ
為名義上室溫下的固含量；φ（Ｔ）為溫度在Ｔ 時(shí)熱稀釋校正的固含量；Φｍ為最大固含量；［η］為特征黏度；Ｉ 為校正因子．對(duì)一定的Φｎｏｍ值，可以得到每個(gè)溫度的熱稀釋Ｉ 因子，某一溫度下氧化鋁懸浮液相對(duì)黏度除以該溫度的Ｉ 因子，得到校正的懸浮液黏度，即
式（６）反映了不同溫度下黏度和固含量的關(guān)系．利用該式可以消除溫度對(duì)Ｋ－Ｄ公式的影響，即對(duì)于特定的懸浮液，該式反映的黏度和固含量的關(guān)系與溫度無(wú)關(guān)，即經(jīng)過修正，不同溫度下，懸浮液的黏度和固含量的關(guān)系可用一條曲線來表示．
３ 結(jié) 論
（１）隨著固含量的增加，氧化鋁懸浮液黏度不斷增大；隨著溫度的上升，氧化鋁懸浮液黏度逐漸降低；ｐＨ 值對(duì)氧化鋁懸浮液黏度影響不大．
（２）建立了可消除溫度依賴的氧化鋁懸浮液相對(duì)黏度與固含量關(guān)系的Ｋ－Ｄ模型．
出自：（西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安７１００４８）
喬 伍，胥光申，陳 振，孔雙祥，羅時(shí)杰