專利名稱：用于蜂窩陶瓷體的粘合劑系統(tǒng)以及蜂窩體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及本發(fā)明總的涉及用于成形陶瓷和陶瓷體領(lǐng)域的粘合劑系統(tǒng)以及用該粘合劑系統(tǒng)制造陶瓷或蜂窩陶瓷體的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種粘合劑系統(tǒng)，它含有低分子量油基非溶劑，以及該粘合劑系統(tǒng)在蜂窩陶瓷體制造方法中的應(yīng)用。
2．相關(guān)技術(shù)的描述用來從諸如陶瓷顆粒材料的粉末材料生產(chǎn)制品的粘合劑和粘合劑系統(tǒng)必須滿足許多要求。例如，粘合劑和粘合劑系統(tǒng)必須與陶瓷材料相容，從而能提供在粘合劑中有較高載荷的陶瓷材料的可流動(dòng)分散液。另外，通過對在粘合劑中的陶瓷粉末分散液成形制得的“生”的預(yù)成形坯應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，從而能對其進(jìn)行操作。為了如希望的那樣“燒去(bumout)”，即除去粘合劑，粘合劑應(yīng)當(dāng)能從成形的陶瓷部件中除去且該部件不會(huì)發(fā)生變形或斷裂。另外，除去粘合劑的預(yù)成形坯應(yīng)當(dāng)具有至少最低要求的強(qiáng)度，但是粘合劑殘余物應(yīng)足夠得少，以便容易實(shí)現(xiàn)沒有缺陷的固結(jié)。
滿足這些需求的粘合劑的配方是復(fù)雜的，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)公開了許多不同的粘合劑配方。最近，在制成各種形狀的制品包括蜂窩基材中，已經(jīng)提出使用纖維素醚粘合劑?；旌衔锸敲芮谢旌隙鶆虻?，并產(chǎn)生大小和形狀非常完整且具有均勻的物理性能的生坯。除包含粘合劑外，這些粉末混合物通常還包含某些有機(jī)添加劑，例如表面活性劑、潤滑劑和分散劑，它們起著增強(qiáng)潤濕從而產(chǎn)生均勻批料的加工助劑的作用。
最近，對于壁較薄的、單元密度較高的蜂窩結(jié)構(gòu)體、形狀復(fù)雜的制品以及具有大的正面的制品的需求有所增加。利用目前的粘合劑(即纖維素醚粘合劑)技術(shù)制得的壁薄、形狀復(fù)雜的制品在操作時(shí)很難不引起形狀改變，因?yàn)椤吧摹鳖A(yù)成形坯的強(qiáng)度低。擠壓技術(shù)中的一個(gè)解決方法/最近的趨勢，尤其是對于由高填充量的陶瓷粉末混合物組成的多孔蜂窩體來說，是擠壓出較硬的坯體而不使壓力同比增加。然而，擠壓含目前一些批料組分的較硬陶瓷批料的嘗試，即用上述纖維素醚粘合劑并降低水含量和/或加入諸如牛酯酸鈉(sodium tallowate)或硬脂酸鈉的添加劑，大都并不成功，因?yàn)檩^細(xì)顆粒的碰撞會(huì)產(chǎn)生較高的擠壓壓力，且涉及到材料的磨蝕性。
另一種嘗試性解決方案是利用快凝技術(shù)；即在成形后立即固化蜂窩的單元壁，確保生陶坯的尺寸不會(huì)在隨后的切割和其它操作步驟中改變。現(xiàn)有的快凝方法是采用快速凝蠟的延時(shí)硬化(如美國專利5,568,652中公開的)，和/或在模頭出口施加一個(gè)外場如射頻場。盡管這些快凝方法已經(jīng)用于柔軟批料的擠壓(在歷史上，對于高填充量的陶瓷混合物來說，柔軟批料會(huì)得到較佳的擠出質(zhì)量)，但這些方法用于薄壁型蜂窩結(jié)構(gòu)體并不成功。
最近，共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請No.60/069,637(Chalasni等人)中公開了一種解決方法，它是用一種粉末混合物來成形蜂窩結(jié)構(gòu)體，該混合物包含無機(jī)粉末材料、粘合劑、用于粘合劑的溶劑、表面活性劑和相對于粘合劑、溶劑以及粉末材料而言是非溶劑的組分?；旌显摲勰┗旌衔?，塑化并成形為濕的生坯強(qiáng)度有所改善的陶瓷預(yù)成形坯，因此它特別適合用于加工薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)體。另外，Chalasani公開了一種較佳的水性粘合劑系統(tǒng)混合物，它包含水、纖維素醚和疏水性非溶劑。
盡管Chalasani的這篇文獻(xiàn)為通過擠塑制成復(fù)雜的薄壁陶瓷蜂窩體的工藝能力提供了顯著的進(jìn)步，但在粉末中加入該非溶劑(如輕質(zhì)礦物油)卻在“燒去”或除去粘合劑過程中產(chǎn)生了其它問題。具體地說，很難從成形的陶瓷部件中除去粘合劑組分而不使部件變形或斷裂。在除去粘合劑時(shí)，由于油除去時(shí)的放熱特性，使得薄壁陶瓷蜂窩體的強(qiáng)度降低且尺寸變化相應(yīng)增加，因此在燒制陶瓷蜂窩體時(shí)必須采取一些特殊措施，以避免陶瓷體產(chǎn)生裂縫。已經(jīng)采用特殊設(shè)計(jì)的窯和除去揮發(fā)性物質(zhì)的裝置，減少氣氛中的含氧量，以及采用次數(shù)增加的復(fù)雜的燒制循環(huán)，都可以減少摻入上述粘合劑的薄壁陶瓷蜂窩體在燒制時(shí)的差示收縮和時(shí)常產(chǎn)生的裂縫。
鑒于本領(lǐng)域中的前述不便，需要開發(fā)一種粘合劑系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用來成形薄壁陶瓷體并燒制成所需的陶瓷制品，不會(huì)產(chǎn)生高的差示收縮和裂縫缺陷，且該粘合劑系統(tǒng)能從陶瓷體中迅速方便地除去。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)能用于成形陶瓷的或其它無機(jī)材料的蜂窩體的粘合劑系統(tǒng)，該粘合劑系統(tǒng)使成形成的生坯有足夠高的濕強(qiáng)度，粘合劑系統(tǒng)的至少一部分能由于燒制過程的結(jié)果而除去又不致發(fā)生大的放熱反應(yīng)，從而減少了燒制時(shí)的裂縫發(fā)生率和差示收縮量。
根據(jù)本發(fā)明，通過提供用于對陶瓷粉末或其它粉末成形為生陶坯所用的粘合劑系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，該系統(tǒng)包含粘合劑組分的一些必需組分、粘合劑組分用的溶劑、表面活性劑組分以及相對于粘合劑和溶劑組分而言為非溶劑的組分。該非溶劑組分粘度低于溶劑(在含有粘合劑時(shí))，該非溶劑組分含有低分子量油，該油的90％回收的蒸餾溫度范圍在大約220至400℃之間；即是低分子量油。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案提供一種可模制成形的粉末批料，該批料由無機(jī)粉末組分以及上述粘合劑系統(tǒng)組成，其中無機(jī)粉末組分由易燒結(jié)的無機(jī)顆粒材料組成。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案提供了一種對塑化粉末混合物成型和成形的方法，該方法包括將由易燒結(jié)無機(jī)顆粒材料混合物組成的無機(jī)粉末組分以及本發(fā)明的粘合劑系統(tǒng)混合在一起，然后將這些組分塑化制成塑化混合物，然后將塑化混合物成形制成生坯。
本發(fā)明的最后一個(gè)實(shí)施方案提供一種制造陶瓷制品的方法，該方法包括對無機(jī)粉末和粘合劑系統(tǒng)的組合物成型和成形的上述步驟，隨后對具有所需形狀的該陶瓷生坯進(jìn)行加熱，除去粘合劑系統(tǒng)并將成形的陶瓷體燒制成經(jīng)燒制的陶瓷體的步驟。
該粘合劑系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，它可用來制成具有薄壁和許多單元的堇青石蜂窩結(jié)構(gòu)體。具體地說，如此成形的濕生坯顯示出高的堅(jiān)硬度，這種堅(jiān)硬度是避免壁非常薄(厚度小于150微米)的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體中發(fā)生坍落所需要的。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是以前的粘合劑系統(tǒng)所伴有的燒制裂縫現(xiàn)象減少，同時(shí)仍然保留了以前的粘合劑系統(tǒng)的擠出優(yōu)點(diǎn)。具體地說，用于本發(fā)明中的低分子量油，與以前采用的油基非溶劑組分相比，表現(xiàn)為其除去時(shí)伴隨的放熱強(qiáng)度較低。
附圖簡述為了更好地了解本發(fā)明，參考附圖，在這些圖中

圖1顯示出摻入了本發(fā)明的摻有低分子量油的粘合劑系統(tǒng)的陶瓷體，與含有摻有油基非溶劑的粘合劑系統(tǒng)的陶瓷體相比，正面和側(cè)面的裂縫百分?jǐn)?shù)有所減少。
圖2比較了除去本發(fā)明粘合劑系統(tǒng)時(shí)的放熱強(qiáng)度與含有標(biāo)準(zhǔn)油基非溶劑組分的粘合劑系統(tǒng)除去時(shí)的放熱強(qiáng)度。
發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明，一種用于隨后燒制成陶瓷或其它陶瓷體的生陶加工步驟的粘合劑系統(tǒng)包括下列組分粘合劑、用于該粘合劑的溶劑、表面活性劑以及相對于至少是粘合劑和溶劑組分而言為非溶劑的組分。該非溶劑組分是低分子量油，它表現(xiàn)出粘度比溶劑低(當(dāng)含有粘合劑時(shí))，且其90％回收蒸餾溫度范圍在大約220至400℃之間，較佳的在大約220至320℃，更佳的大約220至280℃；下文稱為低分子量油。
該低分子量油仍然起著如上述Chalasani申請中所述的作用。簡言之，低分子量油代替了部分溶劑，且對塑性沒有作用，但是提供了成形時(shí)所需的流動(dòng)性，同時(shí)仍然使批料保持較硬。這樣，本發(fā)明的粘合劑系統(tǒng)就同樣實(shí)現(xiàn)了比常規(guī)粘合劑所獲得的濕生坯強(qiáng)度有所提高的要求，而加工難度卻沒有同比增加。換言之，本發(fā)明的粘合劑系統(tǒng)能夠擠出較硬的批料，而對諸如擠出壓力、扭矩和流動(dòng)性能等加工性能卻沒有不利影響。
上述Chalasani申請中公開的典型的油基非溶劑所提供的主要優(yōu)點(diǎn)，是能使?jié)裆鸂顟B(tài)的薄壁陶瓷保持其形狀。然而，要在燒制這些可混溶的液體/水為基的高填充量的陶瓷系統(tǒng)時(shí)不產(chǎn)生裂縫是較為困難的。部件產(chǎn)生裂縫的部分原因是，在較高溫度(150-500℃)下難以除去系統(tǒng)中通常用作非溶劑的大量標(biāo)準(zhǔn)油基液體以及其它有機(jī)物。這些有機(jī)物的除去涉及一系列的同時(shí)反應(yīng)，這些反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，例如包括有機(jī)物的氧化、揮發(fā)和熱分解。由于在使用含有這些標(biāo)準(zhǔn)油基非溶劑組分的粘合劑系統(tǒng)時(shí)發(fā)生上述的粘合劑燒去現(xiàn)象，因此蜂窩體中出現(xiàn)大的溫度梯度并發(fā)生劇烈的尺寸變化。用摻入低分子量油作為非溶劑組分的粘合劑系統(tǒng)比以前公開的任何含有標(biāo)準(zhǔn)非溶劑的粘合劑系統(tǒng)(包括上述文獻(xiàn)中公開的那些)都優(yōu)越。本發(fā)明的粘合劑系統(tǒng)提供的優(yōu)點(diǎn)是，能通過揮發(fā)除去粘合劑系統(tǒng)中的低分子量油，這是一個(gè)放熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于除去含有標(biāo)準(zhǔn)油基非溶劑組分的粘合劑系統(tǒng)所需的反應(yīng)。本發(fā)明粘合劑系統(tǒng)所需的除去方法的結(jié)果是，摻入本發(fā)明粘合劑系統(tǒng)的生坯將在燒制時(shí)表現(xiàn)出放熱量減少，這就有可能使隨后制成的蜂窩陶瓷體的裂縫減少。
低分子量油的90％回收蒸餾溫度范圍在大約220至400℃之間(按照ASTM D86定義和測定)的要求確保了油除去時(shí)所伴隨的放熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通常用作非溶劑的標(biāo)準(zhǔn)油基液體(例如輕質(zhì)礦物油)。通常，低分子量油是主要由碳鏈長度分布在14至24范圍內(nèi)的支鏈或直鏈飽和或不飽和烴組成的油；較佳的是至少有70％的碳鏈長度分布，更佳的是90％的碳鏈長度分布在14至24的范圍內(nèi)。低分子量油應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出的特征是在成形/擠出過程中能維持在液體狀態(tài)。另外，低分子量油應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出按照下列Hansen參數(shù)的溶解度參數(shù)，如Allan F.M.Burton在“溶解性參數(shù)和其它內(nèi)聚性參數(shù)手冊”，CRC Press,95-111頁，第2版，1991中所定義的(1)分散度參數(shù)δD，大約12至20范圍內(nèi)，較佳的在14至19之間；(2)極性參數(shù)，δP，小于或等于2，較佳的小于或等于1；(3)氫鍵合參數(shù)，δH，小于等于4，較佳的小于等于2；和(4)總參數(shù)，δT，在大約12至20的范圍內(nèi)，較佳的在大約14至19之間。
可以使用的非溶劑低分子量油包括聚α烯烴，其90％回收蒸餾溫度滿足上述要求的輕質(zhì)礦物油和線形α烯烴。
用于本發(fā)明的較佳的粘合劑是以水為基的，即能與極性溶劑發(fā)生氫鍵鍵合作用。用于本發(fā)明的可接受的粘合劑是甲基纖維素、乙基羥乙基纖維素、羥丁基甲基纖維素、羥甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羥乙基甲基纖維素、羥丁基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、羧甲基纖維素鈉及其混合物。在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，甲基纖維素和/或甲基纖維素衍生物特別適合用作有機(jī)粘合劑，其中甲基纖維素、羥丙基纖維素或其組合是較佳的。較佳的纖維素醚來源是Dow Chemical Co.的Methocel A4M，F(xiàn)4M,F240和K75M纖維素產(chǎn)品。Methocel A4M纖維素是一種甲基纖維素。MethocelF4M、F240和K75M纖維素產(chǎn)品是羥丙基甲基纖維素。
諸如甲基纖維素的較佳纖維素醚粘合劑的性質(zhì)有保水性、水溶性、表面活性或潤濕能力、能使混合物增稠，為生坯提供濕的和干的生坯強(qiáng)度，在水性環(huán)境中產(chǎn)生熱凝膠化和疏水締合。促進(jìn)與非溶劑的疏水締合以及與溶劑的氫鍵鍵合相互作用是對纖維素醚粘合劑希望的。能與非溶劑疏水締合的取代基例子有甲氧基、丙氧基和丁氧基。能疏水締合的這些取代基還為粘合劑提供了凝膠強(qiáng)度。與諸如水的極性溶劑發(fā)生氫鍵鍵合相互作用最大化的取代基是羥丙基和羥乙基，羥丁基的程度稍小。這些性能的組合使得粘合劑處于溶劑和非溶劑之間的界面處。
用于本發(fā)明粘合劑系統(tǒng)的可接受的溶劑應(yīng)以水為基，并使粘合劑組分和無機(jī)顆粒組分發(fā)生水化作用。特別佳的溶劑是水或與水混溶的溶劑。
用于本發(fā)明粘合劑系統(tǒng)的可接受的表面活性劑例如包括，C8-C22脂肪酸和/或它們的衍生物，C8-C22脂肪酯、C8-C22脂肪醇、硬脂酸、月桂酸、亞油酸、棕櫚油酸與月桂基硫酸銨，其中硬脂酸、月桂酸和油酸是特別佳的。
一個(gè)特別佳的粘合劑系統(tǒng)實(shí)施方案包含一種粘合劑組分，該組分含有選自甲基纖維素、甲基纖維素衍生物及其組合的纖維素醚，含有聚α烯烴的非溶劑，選自硬脂酸、月桂基硫酸銨、月桂酸、油酸、棕櫚酸及其組合的表面活性劑，作為溶劑水的水。
本發(fā)明不局限于陶瓷批料配方，還可通用于粉末成形過程；即，也可用于從幾乎任何能以細(xì)分形式獲得或能轉(zhuǎn)變成該形式的易燒結(jié)無機(jī)材料顆粒成形為產(chǎn)品或產(chǎn)品預(yù)制品。本發(fā)明適合的以粉末形式成形的材料包括陶瓷顆粒，包括晶體陶瓷材料，顆粒形式的玻璃和可結(jié)晶的玻璃(玻璃陶瓷)。
陶瓷、玻璃陶瓷和玻璃陶瓷粉末指的是這些材料以及它們在燒制前的前體的粉末。組合物是指物理或化學(xué)組合物，例如混合物或復(fù)合物。這些粉末材料的例子是堇青石、多鋁紅柱石、粘土、滑石、鋯石、氧化鋯、尖晶石、鋁土及其前體，硅石及其前體，硅酸鹽，鋁酸鹽，硅鋁酸鋰，硅酸鋁，長石，氧化鈦，熔融硅石，氮化物，碳化物，硼化物，例如碳化硅，氮化硅，鈉石灰，硅鋁酸鹽，硅硼酸鹽，硅硼酸鈉鋇或它們的混合物，以及其它物質(zhì)。
盡管這種粘合劑系統(tǒng)為常規(guī)無機(jī)物的成形方法提供了很多優(yōu)點(diǎn)，但它為陶瓷材料，尤其是在燒制時(shí)產(chǎn)生堇青石、多鋁紅柱石及其混合物的那些材料，提供了獨(dú)特的加工優(yōu)點(diǎn)，這些混合物的一些例子是約2％至60％的多鋁紅柱石以及約30％至97％的堇青石，允許有其它物相，通常最高約10％(重量)。特別適合實(shí)施本發(fā)明的一些用來制成堇青石的陶瓷批料組合物公開在納入本文作參考的美國專利3,885,977中。
一種特別佳的且最終在燒制時(shí)形成堇青石的陶瓷材料其組成用重量份表示如下假定其為100份重量，則約33-41、最佳約33-40份為氧化鋁，約46-53、最佳約48-52份為硅石，以及約11-17、最佳約12-16份為氧化鎂。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，可選用任何需要量的組分來制造可模制成形的粉末批料組合物，該組合物含有粘合劑系統(tǒng)和由易燒結(jié)無機(jī)顆粒材料組成的無機(jī)粉末組分(諸如陶瓷粉末材料)。
在一個(gè)較佳的實(shí)施方案中，該組合物含有100份重量的無機(jī)粉末，約2-50份重量的低分子量油組分，約0.2-10份重量的表面活性劑，約2-10份重量粘合劑，以及約6-50份重量的溶劑組分。
在一個(gè)特別佳的實(shí)施方案中，組合物含有100份重量的無機(jī)粉末，約5-10份重量低分子量油，約0.2-2份重量的表面活性劑，約2.5-5份重量的粘合劑，和約8-25份重量的溶劑組分。
以合適的已知方式，將粘合劑系統(tǒng)的各個(gè)組分與一定量無機(jī)粉末材料(例如陶瓷粉末材料)混合，制得陶瓷材料和粘合劑系統(tǒng)充分混合的混合物。例如，粘合劑系統(tǒng)的所有組分可以先相互混合，然后將此混合物加入陶瓷粉末材料中。在這種情況下，粘合劑系統(tǒng)的整個(gè)部分可以一次性加入，或可間隔適當(dāng)時(shí)間分批依次加入。或者，也可將粘合劑系統(tǒng)的各個(gè)組分依次加入陶瓷材料中，或是將粘合劑系統(tǒng)的兩種或多種組分的預(yù)先制得的混合物加入陶瓷粉末材料中。另外，粘合劑系統(tǒng)可以首先與一部分陶瓷粉末材料混合。在這種情況下，隨后將其余部分的陶瓷粉末材料加入制得的混合物中。無論如何，粘合劑系統(tǒng)必須以預(yù)定的部分與陶瓷粉末材料均勻混合。粘合劑系統(tǒng)和陶瓷粉末材料的均勻混合可在升高溫度下用已知的捏合方法進(jìn)行。
具體地說，對于陶瓷產(chǎn)品的批料來說，批料的成型是在成形步驟前的兩個(gè)階段中進(jìn)行的。在批料成型的第一階段或潤濕階段，例如在Littleford混合機(jī)中干混無機(jī)粉末顆粒、表面活性劑和粘合劑組分，然后加入溶劑。溶劑的加入量小于對批料塑化所需的量。以水作為溶劑時(shí)，水會(huì)使粘合劑和粉末顆粒水化。然后在混合物中加入低分子量油，以浸濕粘合劑和粉末顆粒。低分子量油的表面張力低于水。因此，它比溶劑更容易浸濕顆粒。在此階段，粉末顆粒被表面活性劑、溶劑和低分子量油包覆和分散。
在一個(gè)較佳的實(shí)施方案中，塑化發(fā)生在第二階段。在此階段，第一階段的濕的混合物在任何合適的混合機(jī)中承受剪切作用，此時(shí)批料將在諸如雙螺桿擠出機(jī)/混合機(jī)、螺旋式混合機(jī)、懸輪混合機(jī)或雙臂機(jī)等中塑化。
然后用任何已知的對塑化混合物成形的方法將得到的硬批料制成生坯形狀，這些方法例如有擠塑、注模、流鑄、離心澆鑄、壓力澆鑄、干壓等。本發(fā)明最適合通過模頭來擠塑。
垂直或水平的擠塑操作可用液壓活塞擠壓機(jī)、或兩級脫氣單螺旋擠出機(jī)、或排料端連有模頭組合件的雙螺桿混合機(jī)來進(jìn)行。在后者中，根據(jù)材料和其它操作條件來選擇適當(dāng)?shù)穆輻U元件，以便產(chǎn)生足夠大的壓力將批料擠壓通過模頭。
然后在所選溫度和合適氣氛下對形成的陶瓷生坯燒制一定時(shí)間，該時(shí)間取決于其組成、大小和幾何形狀，從而得到所需陶瓷的燒制體。例如，對于主要用來制造堇青石的組合物，溫度通常在大約1300-1450℃范圍內(nèi)，在這些溫度下的保溫時(shí)間在大約1-8小時(shí)范圍內(nèi)。燒制時(shí)間和溫度取決于諸如材料的種類和用量以及所用裝置類型等因素，但是通?？偟臒茣r(shí)間在大約20-80小時(shí)范圍內(nèi)。
用本發(fā)明粘合劑系統(tǒng)得到的好處與上述待批共同轉(zhuǎn)讓的申請(該申請?jiān)敿?xì)描述了在陶瓷生坯的制造和成形中使用非溶劑)中所描述的相似。具體地說，這些優(yōu)點(diǎn)包括(1)諸如擠塑等成形方法可在明顯較低的溫度下進(jìn)行，該溫度比常規(guī)粘合劑系統(tǒng)采用的低至少大約25％；(2)在較低溫度加工，因此混合扭矩較低，從而能在大于常規(guī)粘合劑系統(tǒng)所用的進(jìn)料速度(至少大1倍，通常大約大1-1.5倍)下擠塑，同時(shí)仍然保持產(chǎn)品質(zhì)量；(3)加工涉及纖維素醚粘合劑且用水作為溶劑，用與常規(guī)批料相比，它在較高生產(chǎn)量下能產(chǎn)生較高的凝膠強(qiáng)度，且陶瓷批料混合物的加熱速度較小，而較高的生產(chǎn)量能力是通過使用凝膠強(qiáng)度低的纖維素醚來實(shí)現(xiàn)的，并且介電干燥時(shí)會(huì)發(fā)生縮孔缺陷(drying blister)；(4)擠壓過程中會(huì)獲得有益的成形生坯四周的正交單元以及平滑的表皮；(5)在離開模頭后良好地保持形狀，具體地說，在多蜂窩結(jié)構(gòu)的情況下，較接近表皮的部分周圍的的單元正交性有所改善。
如上所述，本發(fā)明表現(xiàn)出許多與例如上述待批申請中公開的非溶劑粘合劑系統(tǒng)相同的優(yōu)點(diǎn)，例如濕強(qiáng)度和擠塑速度增加，然而，如上所述，使用這些標(biāo)準(zhǔn)的油基非溶劑和其它常規(guī)粘合劑系統(tǒng)時(shí)所固有的缺點(diǎn)是，在燒制時(shí)伴隨非溶劑燒去的大量放熱會(huì)引起差示收縮和裂縫的出現(xiàn)。本發(fā)明的粘合劑系統(tǒng)通過摻入90％回收蒸餾溫度在大約220-320℃之間的低分子量油作為非溶劑組分，就克服了現(xiàn)有粘合劑存在這種缺點(diǎn)。本發(fā)明粘合劑系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)于現(xiàn)有粘合劑系統(tǒng)(包括含有以前的非溶劑的系統(tǒng))的主要優(yōu)點(diǎn)包括下列這些(1)粘合劑系統(tǒng)是通過放熱較少的反應(yīng)除去的，因此減少了燒制時(shí)裂縫或缺陷的產(chǎn)生，從而容易制成燒制體；(2)低分子量油的使用減少了在燒制期間需要除去的液體/粘合劑的用量；(3)低分子量油的低粘度(稍稍高于水)以及在某些組合物中減少的表面張力(即由于使用了合適的表面活性劑)降低了擠塑期間的混合扭矩，并表現(xiàn)出成形生坯變形最少，其硬度增加最多；(4)摻入本發(fā)明粘合劑系統(tǒng)的生坯在燒制時(shí)表現(xiàn)出的尺寸變化與具有非油基液體的生坯相似；和(5)本發(fā)明的粘合劑系統(tǒng)容易較快地除去，因此增加了燒制體的生產(chǎn)率。
因此，本發(fā)明適用于制造復(fù)雜的成形部件，尤其是通常擠塑制得的陶瓷部件，且適用于生產(chǎn)相應(yīng)的燒制體，如單元密度高、單元壁尺寸薄的多孔陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體。
實(shí)施例為了進(jìn)一步描述本發(fā)明的發(fā)明原理，下面將描述本發(fā)明粘合劑系統(tǒng)的幾個(gè)例子。然而，應(yīng)當(dāng)理解給予這些實(shí)施例的目的只是為了說明，而本發(fā)明并不局限于這些例子，在不脫離本發(fā)明的精神下可對本發(fā)明作各種改動(dòng)和變化。
實(shí)施例1-11表1中列出了適合制造堇青石陶瓷體的各種無機(jī)粉末批料混合物，以重量份表示。組合物1-11的每一種均是將如表Ⅰ所示指定無機(jī)混合物的組分配合和干混在一起而制得的；Y和Z的不同在于用于氧化鋁組分的細(xì)和粗氧化鋁的比例。然后將表Ⅱ列出的粘合劑系統(tǒng)的量加入每個(gè)無機(jī)干混物中，然后進(jìn)一步混合，形成塑化的陶瓷批料混合物。11個(gè)組合物中有兩個(gè)用來對比。這11種不同的塑化的陶瓷批料混合物的每一種含有100份重量的無機(jī)粉末批料混合物和不同量的粘合劑系統(tǒng)(最高達(dá)39.5份重量)，如表Ⅱ所示。表Ⅲ列出了用于實(shí)施例中的各種非溶劑(即各種類型的油)組分，用符號A-F表示。表Ⅲ中報(bào)道了所列出的這些非溶劑的碳鏈分布和90％回收蒸餾溫度(Durasyn 162為95％回收)。注意，非溶劑A、C和D各自含有低分子量油，該油主要的碳鏈長度在14-24之間，回收90％的蒸餾溫度至少高于220℃；Durasyn 162的95％回收的蒸餾溫度為230℃，它與高于220℃的90％回收蒸餾溫度相對應(yīng)。
將各種不同的塑化混合物擠塑通過雙螺桿擠出機(jī)，制得直徑為5.66″，單元壁尺寸為5.5密爾，長度為4″的陶瓷蜂窩基材；組合物10是一個(gè)例外，它的直徑為4.162″，單元壁尺寸為4密爾，長度為4.5″。擠塑期間維持的條件包括擠塑壓力在150-170千克之間，擠塑溫度在23-25℃之間。從11批組合物的每一批制得大約90個(gè)陶瓷蜂窩生坯，對每批組合物的90個(gè)陶瓷蜂窩的每一個(gè)進(jìn)行足以從中除去有機(jī)粘合劑系統(tǒng)并燒結(jié)蜂窩基材的加熱和燒制循環(huán)。數(shù)出11次燒制(每批組合物總共一次)每次的正面和側(cè)面裂縫總數(shù)。然后將每一組合物的正面和側(cè)面裂縫總數(shù)除以該組合物燒制的基材總數(shù)，得到該組合物的正面和側(cè)面裂縫百分?jǐn)?shù)；該數(shù)值以％記錄在表Ⅱ中。
表Ⅰ
表Ⅱ
1組合物1用INDUSTRENE 9018硬脂酸，而組合物2-13的硬脂酸含有EMORSOLE-120，兩者均為直鏈硬脂酸2見表Ⅲ
表Ⅲ
1-95％回收蒸餾溫度檢查表Ⅱ中報(bào)道的裂縫數(shù)值，結(jié)果揭示，用低分子量油Durasyn 162或Penreco2260/6970作為粘合劑系統(tǒng)組分制得的燒制蜂窩基材，其正面和側(cè)面裂縫百分?jǐn)?shù)幾乎為0，甚至是在含有高達(dá)9.2份重量油的組合物中。比較本發(fā)明組合物4與對比組合物5和7，粘合劑系統(tǒng)中均含有8份油，可以看出組合物4的正面和側(cè)面裂縫百分?jǐn)?shù)為0％，這與裂縫百分?jǐn)?shù)分別為93和2.0％的組合物5和7相比是有利的。在粘合劑系統(tǒng)中采用9.2份油的那些組合物中，正面和裂縫減少的效果更為顯著；組合物2顯示出2％的正面和裂縫百分?jǐn)?shù)，而組合物1顯示出該數(shù)值為119％。本發(fā)明含有低分子量油的粘合劑系統(tǒng)所表現(xiàn)出的減少裂縫百分?jǐn)?shù)的效果在圖1中更加清楚可見；圖中組合物的數(shù)字對應(yīng)于表1中的組合物數(shù)字編號。
如上所述，與摻入常規(guī)含油粘合劑系統(tǒng)的那些相比，摻入本發(fā)明批料系統(tǒng)的蜂窩陶瓷體基材在燒制時(shí)裂縫減少是因?yàn)檎澈蟿┫到y(tǒng)中的有機(jī)物，低分子量油，在燒制期間從生坯中除去時(shí)發(fā)生的反應(yīng)放熱強(qiáng)度要低得多。這一蒸發(fā)和放熱減少的情況得到了圖2所示數(shù)據(jù)的支持，在圖2中描繪了上述組合物中三種組合物的DTA結(jié)果。圖2所示數(shù)據(jù)揭示，摻入含有標(biāo)準(zhǔn)油(輕質(zhì)礦物油)的粘合劑系統(tǒng)(組合物1)表現(xiàn)出在100-500℃的溫度范圍內(nèi)大量放熱。組合物3和4的曲線則與此差別很大，這兩者的曲線揭示了在粘合劑系統(tǒng)除去時(shí)表現(xiàn)出100-200℃之間的吸熱反應(yīng)，然后在200-300℃的溫度范圍內(nèi)有稍稍放熱的反應(yīng)。該圖表明，組合物3和4的粘合劑系統(tǒng)是通過蒸發(fā)然后是一段時(shí)間的揮發(fā)而除去的，這與似乎是組合物1除去機(jī)理的熱解作用相反。應(yīng)注意，組合物3和4的曲線與摻入標(biāo)準(zhǔn)粘合劑系統(tǒng)(含有僅僅一種粘合劑組分，用于該粘合劑組分的溶劑和表面活性劑，例如甲基纖維素，水和硬脂酸)的標(biāo)準(zhǔn)生坯所預(yù)計(jì)的類似。
權(quán)利要求
1．一種和陶瓷體一起使用的粘合劑系統(tǒng)，它包含粘合劑組分，用于該粘合劑組分的溶劑，表面活性劑組分，以及相對于至少粘合劑和溶劑組分而言是非溶劑的組分，在含有粘合劑時(shí)，該非溶劑組分的粘度低于溶劑，該非溶劑組分含有低分子量油，該油的90％回收蒸餾溫度在220至400℃之間。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的粘合劑系統(tǒng)，其中低分子量油表現(xiàn)出的90％回收蒸餾溫度在220至320℃之間。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的粘合劑系統(tǒng)，其中低分子量油表現(xiàn)出的90％回收蒸餾溫度在220至280℃之間。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的粘合劑系統(tǒng)，對于100份無機(jī)物而言，該粘合劑系統(tǒng)所含有的各組分的重量份數(shù)為15至30份低分子量油，0.5至10份表面活性劑，2至20份粘合劑和50至75份溶劑。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的粘合劑系統(tǒng)，它含有各組分的重量份數(shù)為5至10份低分子量油，1至5份表面活性劑，5至15份粘合劑，和60至70份溶劑。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的粘合劑系統(tǒng)，其中低分子量油選自聚α烯烴、表現(xiàn)出具有所需的90％回收蒸餾溫度的輕質(zhì)礦物油和線形α烯烴。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的粘合劑系統(tǒng)，其中粘合劑含有選自甲基纖維素、甲基纖維素衍生物及其組合的纖維素醚，非溶劑組分是聚α烯烴，表面活性劑選自硬脂酸、月桂基硫酸銨、月桂酸、油酸、棕櫚酸及其組合，溶劑是水。
8．一種可模制成形的粉末批料，它含有無機(jī)粉末組分和粘合劑系統(tǒng)，無機(jī)粉末組分由易燒結(jié)的無機(jī)顆粒材料組成，其中粘合劑系統(tǒng)包含粘合劑組分，用于該粘合劑組分的溶劑，表面活性劑組分，以及相對于至少粘合劑和溶劑組分而言是非溶劑的組分，在含有粘合劑時(shí)，該非溶劑組分的粘度低于溶劑，該非溶劑組分含有低分子量油，該油的90％回收蒸餾溫度在220至400℃之間。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的粘合劑系統(tǒng)，其中低分子量油表現(xiàn)出的90％回收蒸餾溫度在220至320℃之間。
10．根據(jù)權(quán)利要求8所述的粘合劑系統(tǒng)，其中低分子量油表現(xiàn)出的90％回收蒸餾溫度在220至280℃之間。
11．根據(jù)權(quán)利要求8所述的可模制成形粉末批料，它含有100份重量的無機(jī)粉末，2至50份重量的非溶劑，0.2至10份重量的表面活性劑，2至10份重量的粘合劑和6至50份重量的溶劑。
12．根據(jù)權(quán)利要求8所述的可模制成形粉末批料，它含有100份重量的無機(jī)粉末，5至10份重量的非溶劑，0.2至2份重量的表面活性劑組分，2.5至5份重量的粘合劑組分，8至25份重量的溶劑組分。
13．根據(jù)權(quán)利要求8所述的粘合劑系統(tǒng)，其中低分子量油選自聚α烯烴，表現(xiàn)出具有所需的90％回收蒸餾溫度的輕質(zhì)礦物油和線形α烯烴。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的可模制成形粉末，其中粘合劑含有選自甲基纖維素、甲基纖維素衍生物及其組合的纖維素醚，非溶劑組分是聚α烯烴，表面活性劑選自硬脂酸、月桂基硫酸銨、月桂酸、油酸、棕櫚酸及其組合，溶劑是水。
15．一種對塑化粉末混合物成型和成形的方法，該方法包括混合含有無機(jī)粉末組分以及粘合劑系統(tǒng)的組分，無機(jī)粉末組分由易燒結(jié)的無機(jī)顆粒材料混合物組成，粘合劑系統(tǒng)包含粘合劑組分，用于該粘合劑組分的溶劑，表面活性劑組分，以及相對于至少粘合劑和溶劑組分而言是非溶劑的組分，在含有粘合劑時(shí)，該非溶劑組分的粘度低于溶劑，該非溶劑組分含有低分子量油，該油的90％回收蒸餾溫度在220至400℃之間，混合并塑化這些組分，制成塑化的混合物；然后，將塑化混合物成形制成生坯。
16．根據(jù)權(quán)利要求15所述的粘合劑系統(tǒng)，其中低分子量油表現(xiàn)出的90％回收蒸餾溫度在220至320℃之間。
17．根據(jù)權(quán)利要求15所述的粘合劑系統(tǒng)，其中低分子量油表現(xiàn)出的90％回收蒸餾溫度在220至280℃之間。
18．根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中混合和塑化包括將無機(jī)粉末混合物、表面活性劑和粘合劑干混成均勻的干混合物，將溶劑加入得到的干混合物中，形成中間的塑化混合物，隨后在中間的塑化混合物中加入非溶劑，形成塑化混合物。
19．根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中塑化混合物包含100份重量的無機(jī)粉末，2至50份重量的非溶劑，0.2至10份重量的表面活性劑，2至10份重量的粘合劑和6至50份重量的溶劑。
20．根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中塑化混合物包含100份重量的無機(jī)粉末，5至10份重量的非溶劑，0.2至2份重量的表面活性劑組分，2.5至5份重量的粘合劑組分，和8至25份重量的溶劑組分。
21．根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中成形步驟是，使混合物通過雙螺桿擠出機(jī)，然后通過模頭，形成蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯。
22．一種制造陶瓷制品的方法，該方法包括對生產(chǎn)陶瓷用的組合物成型和成形的步驟，以及燒制所得成形生坯的步驟，其中用來生產(chǎn)陶瓷的組合物含有無機(jī)粉末組分以及粘合劑系統(tǒng)，無機(jī)粉末組分由易燒結(jié)的無機(jī)顆粒材料組成，粘合劑系統(tǒng)包含粘合劑，用于該粘合劑的溶劑，表面活性劑，以及相對于至少粘合劑和溶劑組分而言是非溶劑的組分，在含有粘合劑時(shí)，該非溶劑組分的粘度低于溶劑，該非溶劑組分含有低分子量油，該油的90％回收蒸餾溫度在220至400℃之間。
23．根據(jù)權(quán)利要求22所述的粘合劑系統(tǒng)，其中低分子量油表現(xiàn)出的90％回收蒸餾溫度在220至320℃之間。
24．根據(jù)權(quán)利要求22所述的粘合劑系統(tǒng)，其中低分子量油表現(xiàn)出的90％回收蒸餾溫度在220至280℃之間。
25．根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中成型包括混合和塑化，而混合和塑化包括將無機(jī)粉末混合物、表面活性劑和粘合劑干混成均勻的干混合物，將溶劑加入得到的干混合物中，形成中間的塑化混合物，隨后在中間的塑化混合物中加入非溶劑，形成塑化混合物。
26．根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中塑化混合物包含100份重量的無機(jī)粉末，2至50份重量的非溶劑，0.2至10份重量的表面活性劑，2至10份重量的粘合劑和6至50份重量的溶劑。
27．根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中塑化混合物包含100份重量的無機(jī)粉末，5至10份重量的非溶劑，0.2至2份重量的表面活性劑，2.5至5份重量的粘合劑，和8至25份重量的溶劑。
28．根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中成形的步驟是，使混合物通過雙螺桿擠出機(jī)，然后通過模頭，形成蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯。
全文摘要
一種用于對陶瓷粉末或其它粉末成型為生陶坯的粘合劑系統(tǒng),它包含粘合劑、用于該粘合劑的溶劑、表面活性劑以及相對于粘合劑和溶劑而言是非溶劑的組分。非溶劑組分表現(xiàn)出粘度低于溶劑(在含有粘合劑時(shí)),此非溶劑組分含有低分子量油,該油的90%回收蒸餾溫度在220—400℃的范圍內(nèi)。本發(fā)明還公開了塑化粉末混合物成型和成型的方法以及一種用該粘合劑系統(tǒng)制造陶瓷制品的方法。
文檔編號B28B3/20GK1304389SQ99807075
公開日2001年7月18日 申請日期1999年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月6日
發(fā)明者D·M·比爾, D·沙拉薩尼, C·J·瑪拉凱 申請人:康寧股份有限公司