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上海矽諾國際貿易有限公司 2020-06-24 點擊6417次
為獲得分散均勻、穩定性高的氧化鋁懸浮液，分別考察了固含量、溫度和ｐＨ 值對懸浮液黏度的影響．實驗結果表明，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 值對氧化鋁懸浮液黏度影響不大．同時研究了溫度依賴性機理，通過對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、高硬度、高耐磨性及耐氧化等優點，廣泛應用于各領域，但高精度、復雜結構的陶瓷制件加工難度大，成本較高［１］．近年來隨著制造技術的發展，出現了不依賴模具，將快速成型技術直接應用于陶瓷零件的制造，其中面曝光快速成型技術（Ｍａｓｋｅｄ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｔｅｒｅｏ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ Ａｐｐａｒａｔｕｓ，
ＭＰＳＬＡ）制作出的陶瓷零件表面質量較好，特別是在微小零件的成型上更加便于精度的控制［２－３］．該技術作為光固化成型的一種，其設備結構和工藝更加簡單化［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雜陶瓷件的技術，國內外尚處于探索階段．國內楊飛等［６］人利用面曝光快速成型系統研究了磷酸鈣陶瓷懸浮液的固化性能，實現了具有復雜網狀結構的多孔陶瓷支架的制造．國外也有許多專家學者開展了相關研究，文獻［７－８］使用面曝光技術分別制作出氮化硅陶瓷與壓電陶瓷，文獻［９］通過懸浮液與氣動泵連接的注射方式得到了分散均勻的陶瓷懸浮液，文獻［１０－１６］對不同樹脂基陶瓷懸浮液的制備進行了研究．制作高質量的陶瓷制件，陶瓷懸浮液的制備是首要步驟，且分散均勻、穩定性高的懸浮液也是陶瓷面曝光固化的基礎．張立明通過對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定性的一個主要參數［１７］．
為配制出分散均勻、穩定性高的陶瓷懸浮液，本文通過實驗研究了固含量、溫度及ｐＨ 值對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于固含量的函數關系式，研究了懸浮液黏度溫度依賴性的原因．
實 驗
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，化學成分技術指標如表１所示）；光敏樹脂（工業級，紅色，荷蘭Ｆｕｎ Ｔｏ Ｄｏ公司）；氨水（分析純，天
津市天力化學試劑有限公司）；鹽酸（分析純，洛陽昊華化學試劑有限公司）；無水乙醇（分析純，天津市富宇精細化工有限公司）．
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
市大地自動化儀器廠的ＣＪＪ７８－１型（溫度≤７５℃，調速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型數字旋轉黏度計測定懸浮液的黏度；采用北京繡福容科技有限責任公司的ｐＨ 廣泛試紙測量ｐＨ 值．
１．２ 實驗方法與步驟
１．２．１ 固含量對氧化鋁懸浮液黏度的影響 量取一定體積光敏樹脂（整個實驗過程中避光處理），將一定質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攪拌５ｍｉｎ，得到實驗所需的氧化鋁懸浮液．根據式（１）計算出配制相應體積分數所需要的氧化鋁粉體質量，計算公式［１８－１９］為
式中：為固含量；ｍ粉為氧化鋁粉體質量；ρ粉為氧化鋁粉體密度（１．１６ｇ／ｃｍ３）；ｍ脂為光敏樹脂質量；ρ脂
為光敏樹脂密度（０．９９ｇ／ｃｍ３）．
配制固含量（體積分數）分別為１０％，２０％，３０％，４０％和５０％的氧化鋁懸浮液，利用黏度計測量懸浮
液的動力黏度，記錄實驗數據．實驗在ｐＨ＝５，室溫下進行．
１．２．２ 溫度對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，并在不斷攪拌下對其進
行緩慢加熱，使用溫度計依次測出２０℃，３０℃，４０℃，５０℃和６０℃時氧化鋁懸浮液的黏度并記錄實驗數
據．實驗在ｐＨ＝５條件下進行．
１．２．３ ｐＨ 值對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
水調節ｐＨ 值，依次測出ｐＨ＝２，４，６，８，１０五種情況下懸浮液的黏度，記錄實驗數據．實驗在室溫下進行．
２ 結果與討論
２．１ 固含量的影響
圖１顯示了氧化鋁懸浮液在ｐＨ＝５，室溫下固含量對黏度的影響結果．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，具體可分為３個階段．前增長階段：當固含量的體積分數在３０％
以下時，懸浮液黏度呈現緩慢增長態勢；增長階段：當固含量的體積分數在３０％至４０％時，黏度急劇增大，
這是因為隨著連續相光敏樹脂體積的減少，氧化鋁顆粒間間距減小，相對運動變得困難，所以懸浮液體系
的流動性降低，黏度急劇增加；后增長階段：當固含量的體積分數超過４０％時，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，因此黏度的增長又變得緩慢．實驗表明，懸浮體
系的最大固含量的體積分數為５５％，當大于５５％時，懸浮體系出現凝固現象，黏度值無法測量．
２．２ 溫度的影響
圖２顯示了溫度對固含量為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，這是因為隨溫度的升高，伴隨著分子熱運動及布朗運動的加劇［２０］，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整體呈降低趨勢，黏度隨固含量的變化關系與溫度有關，即存在溫度依賴性．
２．３ ｐＨ 值的影響
圖４顯示了ｐＨ 值對３０％固含量氧化鋁懸浮液黏度的影響結果．根據膠體穩定的ＤＬＶＯ理論［１９］，當
粉體表面所帶的正、負電荷相等時，粒子表面沒有多余的電荷，靜電排斥作用消失，此時粉體顆粒易發生凝
聚或絮凝，黏度值較大，將這時體系的ｐＨ 值稱作等電點（ＩＥＰ）．由實驗結果可知，在ｐＨ＝２時為等電點，
此時黏度出現極大值；當滴加氨水后，由于產生負的電荷，打破了等電點顆粒所帶凈電荷趨近于零的狀態，
顆粒凝聚趨勢減弱，因此ｐＨ＝２～４區間黏度值降低；由于氧化鋁是一種兩性氧化物，在酸性介質中顆粒
表面帶正的靜電荷，當滴加氨水后與其中的負電荷相互作用，因此在ｐＨ＝４～６區間，黏度值會增加；在堿
性介質中，顆粒表面帶負的靜電荷，隨著ｐＨ 值增大ＯＨ－ 離子濃度增加，顆粒表面所帶的負電荷增多，因
此在ｐＨ＝６～１０區間，黏度值保持在７ｍＰａ·ｓ，黏度較小．
２．４ 氧化鋁陶瓷懸浮液相對黏度模型
顆粒體積分數與最大體積分數對體系黏度的作用可用Ｋｒｉｅｇｅｒ－Ｄｏｕｇｈｅｒｔｙ［２１］公式（簡稱Ｋ－Ｄ公式）來
描述：
ηｒ ＝（１－Φ／Φｍ）－［η］Φｍ． （２）
式中：ηｒ
為相對黏度；Φ 為固含量；Φｍ
為最大固含量；［η］為特征黏度．此關系式表明體系黏度隨顆粒含量增加而增大．當顆粒含量增加時，顆粒堆積緊密，間距減小，很難自由移動，顆粒間的相互作用力增大，由此引起的流動阻力變大，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力學模型，在室溫下使用旋轉黏度計測量不同固含量懸浮液的相對黏度ηｒ，將所得數據按式（２）在Ｍａｔｌａｂ上擬合可求得［η］及Φｍ，擬合結果為：Φｍ＝０．５５，［η］＝５．２８，由此獲得２５℃時氧化鋁懸浮液的Ｋ－Ｄ方程：
２．５ 氧化鋁懸浮液黏度的溫度依賴性
由實驗結果知，黏度隨固含量的變化關系與溫度有關，即存在溫度依賴性．隨著溫度升高，懸浮液中基體發生熱膨脹，顆粒間距變大，由此引起流動阻力減小，黏度降低，因此呈現溫度依賴性．由于基體的熱膨脹，固含量隨溫度也發生變化，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（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略微降低，導致懸浮液黏度降低．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．對一定的Φｎｏｍ值，可以得到每個溫度的熱稀釋Ｉ 因子，某一溫度下氧化鋁懸浮液相對黏度除以該溫度的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系．利用該式可以消除溫度對Ｋ－Ｄ公式的影響，即對于特定的懸浮液，該式反映的黏度和固含量的關系與溫度無關，即經過修正，不同溫度下，懸浮液的黏度和固含量的關系可用一條曲線來表示．
３ 結 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黏度與固含量關系的Ｋ－Ｄ模型．
出自：（西安工程大學機電工程學院，陜西西安７１００４８）
喬 伍，胥光申，陳 振，孔雙祥，羅時杰