在電力、礦山、煤炭等行業(yè)中，物料的輸送都是采用遠(yuǎn)距離 管道壓力管道輸送，管道承受著相當(dāng)大的壓力并經(jīng)受很嚴(yán)重的磨損。近幾年陶瓷貼片復(fù)合管應(yīng)用較廣，它是采用化學(xué)粘接方法 制作的，即在鋼管或PPR 管內(nèi)用粘接劑粘結(jié)陶瓷片而成。這種 復(fù)合管的外管用于管道的連接，內(nèi)層陶瓷貼片用于提高管道的 耐磨性，因此陶瓷片本身的質(zhì)量和性能將影響到復(fù)合管的質(zhì)量。 目前陶瓷片坯體是利用凝膠注射成型技術(shù)（Colloidal injection moulding of ceramic，簡稱CIMC），即先將陶瓷顆粒分散于有 機單體和交聯(lián)劑的水溶液中制備出低粘度、高固相體積分?jǐn)?shù)的 漿料，再加入引發(fā)劑和催化劑，利用有機單體的交聯(lián)反應(yīng)，將陶瓷顆粒顆粒原位均勻地凝固在高分子彈性體中，利用該成型工 藝能成型復(fù)雜形狀陶瓷部件，得到均勻性好、強度高的坯體。為 此，本文以95氧化鋁陶瓷為研究對象，采用凝膠注射成型技術(shù)， 研究固相含量、單體含量和分散劑比例對陶瓷坯體力學(xué)性能的影響，以期制備出性能優(yōu)異的復(fù)合管道。
氧化鋁采用河南鑫源鋁業(yè)公司生產(chǎn)的高溫氧化鋁顆粒；有 機單體丙烯酞胺（AM）、交聯(lián)劑N，N- 亞甲基丙烯酞胺、引發(fā)劑 過硫酸銨、催化劑四甲基乙二胺及pH 值調(diào)節(jié)劑氨水均為化學(xué) 純或分析純試劑；分散劑為30%- 40%聚甲基丙烯酸銨溶液。
將有機單體AM、交聯(lián)劑和分散劑混合得到預(yù)混液，和 Al2O3 陶瓷顆粒一起攪拌，球磨后得到低粘度、高固相的漿料， 再加入催化劑和引發(fā)劑，并快速攪拌均勻后注入模具，在60℃ 下懸浮體中的有機單體聚合交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使液態(tài)漿 料固化變成凝膠，形成固態(tài)坯體。脫模后的坯體在80℃烘干 6h，烘干時為了保證表面質(zhì)量，采用氮氣保護(hù)；試樣尺寸為 36mm×4mm×3mm。
使用上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的精密PHS- 25 型酸度計測定pH 值；在湘潭湘儀儀器有限公司生產(chǎn)的SWG 數(shù) 顯式工程陶瓷抗彎強度綜合試驗儀上，按照GB/T4741- 1999陶瓷材料抗彎強度試驗標(biāo)準(zhǔn)，采用三點彎曲法測定試樣的抗彎 強度，測試跨距為30mm，以平均20N/s 的速度等速加載。
為固相氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與試樣坯體彎曲強度的關(guān)系圖。其中有機單體占氧化鋁質(zhì)量比例為15%，交聯(lián)劑占單體 質(zhì)量比例為10%，分散劑占氧化鋁質(zhì)量比例為1%，漿料的pH 值控制在9.5左右，引發(fā)劑、催化劑占氧化鋁體積比例為1%。 從圖1 中可以看出，隨著氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，試樣抗彎 強度呈先增大而后下降趨勢。產(chǎn)生這種變化的原因是開始時隨 著固相含量的增多，自由水的量相應(yīng)減少，漿料中連續(xù)相也隨 之減少，使陶瓷顆粒間距明顯降低，相互間作用力更強，大分子 吸附引起粒子的有效體積增大，坯體的致密度逐步提高[3]，因此 坯體尺寸更穩(wěn)定，抗彎強度增大；但是固相質(zhì)量含量很過60% 后，有機單體聚合形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不足，無法將所有的陶 瓷顆粒很好地結(jié)合起來，坯體內(nèi)部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)局部結(jié)合不良， 反而導(dǎo)致坯體強度降低。
提高料漿的固相含量，不僅能夠提高成型坯體和較終制品 的致密度，還可以減少干燥和燒成過程中的收縮變形、防止開 裂，在保證料漿流動性和強度的前提下，應(yīng)盡可能提高料漿的 固相含量。
為有機單體含量與試樣坯體彎曲強度的關(guān)系圖。其中 氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，漿料pH 值為9.5，分散劑、引發(fā)劑與 催化劑加入量不變，均占氧化鋁質(zhì)量比例為1%，交聯(lián)劑占單體 質(zhì)量比例為10%。 實驗結(jié)果表明：坯體彎曲強度隨有機單體含量的增加而增加，并穩(wěn)定在一定數(shù)值。隨著有機單體用量的增加，在適量引發(fā) 劑的作用下，可使有機單體的長鏈增加，且增加了長鏈間的鉸 鏈和纏繞，氧化鋁顆粒能與高分子長鏈更緊密地結(jié)合，把氧化 鋁顆粒固化，從而提高了坯體強度。在單體含量為15%時彎曲 強度基本穩(wěn)定，主要是因為隨著單體含量的提高，坯體固化時 間縮短[4]；由于在凝膠固化過程中有機物的聚合反應(yīng)會放出氣 體，若固化速度過快，氣體來不及排除就被包裹在坯體中，坯體 內(nèi)部常常留有氣孔，從而限制了陶瓷坯體抗彎強度的進(jìn)一步提 高。為獲得良好的成型坯體，在成型過程中固化速度應(yīng)控制在 適當(dāng)范圍內(nèi)，氧化鋁凝膠注射成型較適宜的單體含量為15% - 20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
由于陶瓷顆粒具有較高的表面能，在成型過程中容易發(fā)生 團(tuán)聚或絮凝，降低坯體的力學(xué)性能，為提高陶瓷漿料的均勻性，加入適量的分散劑往往是十分有效的方法，同時分散劑也可提 高漿料的固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)而不增大漿料的粘度。采用聚甲基丙烯酸銨分散劑，研究了固相含量為60%，有 機單體含量為15%，pH 值為9.5 時，分散劑加入量的變化對坯 體抗彎強度的影響。
隨著分散劑含量的增大，坯體抗彎強度 呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)分散劑含量為1%時，坯體抗彎強 度較大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是: 陶瓷顆粒表面為很性表面，分 散劑在水溶液中電離出帶有負(fù)電的有機酸根離子，能吸附在陶 瓷顆粒表面，顆粒間的排斥力增大，使?jié){料更均勻穩(wěn)定。在分散 劑加入量達(dá)到較佳值時，分散劑在陶瓷顆粒表面上呈單層排 列，能充分使陶瓷顆粒分散，且分散劑分子長鏈垂直于顆粒表 面排列[5]。當(dāng)分散劑低于較佳值時，單層吸附濃度不夠，這時長 鏈分散劑分子排列不規(guī)則；反之，分散劑加入量過多，就可能產(chǎn) 生多層吸附，致使相鄰兩層很性相反，結(jié)果原來已改變的顆粒 表面很性再次改變，使?jié){料分布不均勻，穩(wěn)定性變差，同時加入 量過多又易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象而堆積，產(chǎn)生團(tuán)聚體間孔隙及團(tuán)聚體 內(nèi)孔隙。
（1）隨著固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)和分散劑含量的增加，陶瓷坯體的抗彎強度均呈現(xiàn)出先增大而后減小的趨勢，當(dāng)固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 60%、分散劑含量為1%時達(dá)到較佳值。
（2）隨有機單體含量的增加，陶瓷坯體的彎曲強度也增加并逐步穩(wěn)定，氧化鋁凝膠注射成型較適宜的單體含量為15% - 20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)。