一种湿法改性纳米氧化锆粉体方法
阅读说明：本技术 一种湿法改性纳米氧化锆粉体方法 (Method for modifying nano zirconium oxide powder by wet method ) 是由 王敬轩 侯永改 侯超 李文凤 王延铭 冯鑫 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种湿法改性纳米氧化锆粉体方法,属于功能陶瓷领域。改性后的氧化锆烧结后粉体流失量要远低于原始氧化锆陶瓷,陶瓷均匀致密,而且没有大尺寸的孔隙,且改性氧化锆陶瓷的力学性能以及致密度都有优于原始氧化锆陶瓷,达到了提高烧结性能的目的。凝胶注模作为一种新颖的成型方法,为制备大尺寸及复杂形状的陶瓷制品提供了有效的技术途径。(The invention discloses a method for modifying nano zirconia powder by a wet method, belonging to the field of functional ceramics. The loss of the sintered powder of the modified zirconia is far lower than that of the original zirconia ceramic, the ceramic is uniform and compact, large-size pores do not exist, the mechanical property and the compactness of the modified zirconia ceramic are superior to those of the original zirconia ceramic, and the purpose of improving the sintering property is achieved. Gel casting is used as a novel forming method, and provides an effective technical approach for preparing ceramic products with large sizes and complex shapes.)
技术领域
本发明属于无机非金属材料与功能陶瓷领域，涉及到一种湿法改性纳米氧化锆粉体方法。
背景技术
凝胶注模成型工艺把聚合物化学和传统陶瓷工艺巧妙的结合在了一起，并在陶瓷成型中运用了有机单体聚合成高分子的方法，对成型出能够直接通过机械加工制作出复杂型装的陶瓷零件的高密度、高强度、近尺寸的坯体提供了更大的机会。 凝胶注模成型工艺是先制备出低粘度、高固相含量的陶瓷料浆，再诱发料浆中的有机单体发生聚合反应，这种在一定条件下发生的聚合反应可使料浆进行原位凝固，通过这种方法可以获得高强度、高相对体积密度、均匀性好的陶瓷生坯。在对坯体进行了干燥、排胶和烧结的操作后，可以得到不含杂质残留并且形状复杂的部件，目前是比较先进的成型技术。最早被开发出来的凝胶注模成型是非水基凝胶成型工艺， 随后又成功开发出更为绿色环保的水基凝胶成型工艺，水基凝胶成型工艺比非水基凝胶成型工艺对环境更友好。
表面改性是通过对粉体的表面进行化学、物理或机械等的加工方法，使加工后的粉体表面的物理性质和化学性质发生变化，从而使粉体在介质中的分散性得到提高。对粉体进行表面改性有许多种作用，主要包括改善或改变粉体粒子的分散性，改变了粉体粒子的分散性后不易发生团聚。同时表面改性还能够提高粉体例子的表面活性并使粉体表面产生新的功能和物理、化学、机械性能。 以及改善粉体粒子和其他物质的相容性和粉体的耐久度的作用。改性可以通过在粉体表面涂覆一层化学组成不同的覆盖层,并改善微粒和其它物质的相容性,能够使其具有生物兼容性提高其热稳定性、机械稳定性及化学稳定性,改善其光、磁、电、催化、亲水、疏水以及烧结特性,提高使用寿命，改善抗腐蚀性。
湿法改性纳米氧化锆粉体中面临问题如下：
稳定的氧化锆材料有独特的物理和化学性质，具有高熔点、强硬度等优良特性，同时还具有酸性、碱性以及氧化性和还原性，是P型半导体，容易产生空穴。本发明主要针对硅烷偶联剂KH550对氧化锆粉体表面性能的影响，以及凝胶注模工艺进行研究。探究了硅烷偶联剂KH550的体积百分含量、反应温度和反应时间对氧化锆表面改性效果的影响。
发明内容
发明目的：本研究以未经处理的氧化锆粉体作为原料，使用硅烷偶联剂KH550对其进行表面改性处理，通过改善粉体的团聚和表面性能来提高粉体的成型和烧结性能，并通过凝胶注模成型工艺得到的烧结体更加致密，抗弯强度更高氧化锆陶瓷。
技术方案：为解决以上问题，采用以下技术方案实现：
A、取水、无水乙醇和氧化锆搅拌后制备预混液，放入超声波清洁器中30分钟。依次加入不同含量的硅烷偶联剂KH550(氧化锆质量的0.1％到1.0％)，将配置好的溶液在搅拌机中搅拌两个小时。将搅拌均匀的浆料倒入研钵中，放入干燥箱烘干6小时后研磨。
B、配置好的预混液中加入氧化锆粉体（体积含量44%~50%），球磨4.5小时配置浆料，加入消泡剂、引发剂与催化剂搅拌后注模，置于真空干燥箱70℃固化。
C、将制备好的浆料加入球磨机中球磨5个小时（球料比1：2）制成氧化锆浆料，在球磨后的浆料中依次加入浆料质量0.1％的消泡剂正辛醇、浆料质量0.5％的引发剂过硫酸铵和浆料体积0.3％的催化剂四甲基乙二胺，每次加入试剂都要搅拌2min后再加入下一个，最后将配置好的浆料倒入模具中，放入干燥箱70℃固化，并记下固化时间。干燥过程需将生坯放入电热鼓风干燥箱中进行，干燥曲线设置如下如下：25℃下干燥72h，然后升温到40℃干燥48h，升温到60℃干燥12h，接下来升温到80℃干燥6h，最后升温到100℃干燥4h。
D、生坯干燥好之后，根据TG-DTA曲线设置烧结曲线，生坯的排胶即有机物的排除，将干燥后的凝胶做差热分析，在有机物分解阶段应当缓慢升温，最终得到烧结曲线如下：60min从25℃升到150℃，80min升到300℃，240min升到400℃，200min升到800℃，然后800℃保温90min， 接下来200min升到1200℃，在1200℃保温30min，150min升到1520℃，最后在1520℃保温120min。
如上述的方法，优选的，氧化锆粉体含量为50%。
如上述的方法，优选的，硅烷偶联剂为KH550。
如上述的方法，优选的，催化剂为四甲基乙二胺。
如上述的方法，优选的，引发剂为过硫酸铵。
如上述的方法，优选的，分散剂为1,2,4-三羧酸。
有益效果：
1.原始氧化锆陶瓷存在许多严重的缺陷，而改性氧化锆陶瓷结构均匀致密，同时气孔率、密度以及力学性能改性氧化锆陶瓷都要优于原始氧化锆陶瓷。
对改性烧结体的相组成以及烧结前后粉体流失与原始氧化锆烧结体进行对比，改性粉末烧结前后的粉体流失要远低于原始氧化锆粉体的烧结流失率。
附图说明
图1为改性前SEM图。
图2为改性后SEM图。
具体实施方式
该发明具体实施步骤如下：
量取150毫升水、150毫升无水乙醇和150氧化锆搅拌后制备预混液，放入超声波清洁器中30分钟。依次加入不同含量的硅烷偶联剂KH550(氧化锆质量的0.1％到1.0％)和KH550和KH560(氧化锆质量的0.1％到0.5％)，将配置好的溶液在搅拌机中搅拌两个小时。将搅拌均匀的浆料倒入研钵中，放入干燥箱烘干6小时后研磨。
量取20毫升蒸馏水、3g甲基丙烯酰胺、0.2g亚甲基双丙烯酰胺（交联剂）、0.56g聚乙烯质量吡咯烷酮混合搅拌15min，使用氨水将搅拌后的溶液调ph至10到11后加入粉体0.2％的1.2.4三羧酸（分散剂）最后分三次称取117g（50g、50g、17g）改性后的氧化锆粉体加入。
将制备好的浆料加入球磨机中球磨5个小时（球料比1：2）制成氧化锆浆料，在球磨后的浆料中依次加入浆料质量0.1％的消泡剂正辛醇、浆料质量0.5％的引发剂过硫酸铵和浆料体积0.3％的催化剂四甲基乙二胺，每次加入试剂都要搅拌2min后再加入下一个，最后将配置好的浆料倒入模具中，放入干燥箱70℃固化，并记下固化时间。干燥过程需将生坯放入电热鼓风干燥箱中进行，干燥曲线设置如下如下：25℃下干燥72h，然后升温到40℃干燥48h，升温到60℃干燥12h，接下来升温到80℃干燥6h，最后升温到100℃干燥4h。生坯烧结曲线：生坯干燥好之后，根据TG-DTA曲线设置烧结曲线，生坯的排胶即有机物的排除，将干燥后的凝胶做差热分析，在有机物分解阶段应当缓慢升温，最终得到的烧结曲线如下：60min从25℃升到150℃，80min升到300℃，240min升到400℃，200min升到800℃，然后800℃保温90min， 接下来200min升到1200℃，在1200℃保温30min，150min升到1520℃，最后在1520℃保温120min。
对所制备的氧化锆生坯及氧化锆陶瓷进行SEM分析和X射线衍射分析，改性氧化锆烧结后粉体流失量要远低于原始氧化锆陶瓷， 陶瓷均匀致密，而且没有大尺寸的孔隙，且改性氧化锆陶瓷的力学性能以及致密度都有优于原始氧化锆陶瓷，KH550加入量为0.7％时气孔率含量最低只有0.17％，且密度达6.07g/cm3，0.6％时改性氧化锆陶瓷的力学性能最佳。达到了提高烧结性能的目的。经过KH550改性后的粉体成型与原始粉体相比有很明显的提升。通过比较图1，图2，改性后的粉体烧结陶瓷得到的坯体均匀致密，而且没有大尺寸的孔隙，与原始氧化锆粉体相比，原始氧化锆粉体粉体烧结到的坯体结构疏松，且能够看到较大的孔隙。所以经过改性后的氧化锆粉体进行烧结成型，性能得到了相当明显的优化。