陶瓷漿料的制作

陶瓷漿料：來自臺大課程
陶瓷成形的方式可依工件制成的形態概分為：
主要成形技術與次要成形技術兩大類。
主要成形術計有：
A、鑄漿成形(包括實心鑄漿(Solid Casting)、空心鑄漿(Drain Casting)、真空鑄漿、加壓鑄漿、雕心鑄漿、脫蠟鑄漿、電泳鑄漿、低壓鑄漿、推擠鑄漿等變化形態)。
B、塑性成形：(包括擠出、射出、滾壓、軋壓)。
C、壓制成形(包括單向干壓、雙向干壓、熱壓法、熱均壓法)。
D、刮刀成形(包含刮刀成形法(Doctor Blading)及傾瀑法(Waterfall)，液體注滲(Liquid Infiltration).(如重力法、惰性氣體加壓法、及真空注滲(vacuum Infiltration)等變化)。
E、鍍膜或被覆方式成形(如化學蒸鍍(CVD)、物理蒸鍍(PVD)、化學電鍍、與化學涂層)。

    .陶瓷原料的制成需經一連串繁復手續，諸如粉碎、研磨、洗滌、化學溶解、靜置與懸浮、磁力分級、液體分散、混合、層級分類、除氣、過濾、噴霧干燥。

    不論實行何種成形技術，基本的材料配方除了含約70wt%的陶瓷粉末外，另需加入溶劑(solvents)、黏結劑(Binders)、及分散劑(dispersants)。
溶劑：
可用純水、有機液體(如MEK、Xylene、酒精)或兩者混合液，其目的在于提升原料混合的效果以獲得所需要的漿料特性。
黏結劑：
種類頗多，以高分子聚合物為主，在三軸坯體系亦有利用一些無機添加物來呈現黏結劑之效果，黏結劑用于提供適當的塑性及生坯強度。
分散劑：
的選用是為達較佳的粉粒分散效應以減少不適的粉團黏聚現象，常用的分散劑計有表面活化劑(Surfactants)、潤濕劑(Wetting Agents)如Darvan-C及Tergital、具有長鍵的高分子聚合物、鈉鹽或酸酸一類的電解物質、魚油(Fish Oil)、以及聚磷酸鹽等。

液體飽和度：
在陶瓷原料配方中，所含液體飽和度(SL) Saturation of Liquid可用下列公式表之:
　　　液體的體積
SL＝-----------------x100%
　　胚體中孔隙的體積
 

一般對單一的圓球狀粉末而言：
其孔隙度約為：
48%,(簡單立方堆積.SCP).
39% (隨機堆積)
31%(體心更加密堆積，BBC)
26％(面心更加密堆積. FCC及六方更加密堆積，HCP)。
若以各種大小的粉粒分布，則可使孔隙度減至12%~15%的水平，對不同成形方法，其SL值由30%增至150%。
 

黏結劑飽和度：
陶瓷原料配方中，含黏結劑的飽和度(Saturation of Binder)以類似上述公式表示之:
　　　　黏結劑的體積
SB＝--------------------×100％
　　　坯體中孔隙的體積
SB值的大小依各種成形方法而異，低至10%或高達110%左右。
黏結劑在溶液中之濃度(CB) Concentration of Binder可借著前述的SL與SB值及溶液與黏結劑的比重(ρL及ρB)值計算求出:
     SB×ρB
CB＝---------×100％
     SL×ρL
對干壓或冷均壓法其CB為8%,，然對射出成形則CB值可高達50%以上，故接在射出成形后之生坯的脫脂步驟(Debinder或Dewax)，CB值實具成形成敗之關鍵因素。
 

陶瓷漿料之制備與特性：
調制陶瓷漿料之設備雖然很多，但仍以球磨機為更加普遍。
球磨機之特性:有三個主要因素會影響球磨機之調漿效率。
（一）球磨機之轉速
（二）磨球量與漿料量
（三）漿料的濃度或黏度
濃度或黏度是影響調制漿料的重要因素之一。

    黏度太低時會增加磨球在球磨桶內的滾動速度，同時由于黏度低，磨球表面的漿料膜也相對的薄，會造成球磨桶及磨球的異常磨耗，污染漿料及升高溫度。故低黏度的漿料應減少磨球量以避免上述缺失的發生，理想的漿料黏度依所用磨球材質的不同而有所差異，依經驗及試驗結果如下:
1、使用一般瓷球時黏度范圍為600~1100 cp :
2、使用高密度瓷球時黏度范圍為1100~2100 cp ;
3、使用鋼球時其黏度范圍為l100~2400 cp。
 

    對于磨球尺寸的選擇、對高粘度漿料采用較大尺寸之磨球，而低黏度之漿料用小尺寸磨球，黏度太高也會造成研磨困難，減低黏度之方法有二:
1.使用分散劑;
2.減少粉體含量。
 

使用分散劑的目的：
1、使原料及其添加物能均勻的混合，如果原料配方中含有二種以上之原料及一)些少許的添加物時，在調制漿料過程中使其相互問能完全而均勻的混合變得非常重要，不當的調制不但造成成分的不均一，同時也造成收縮的不均一，因而難以獲得高質量之成品。
 

2、增加固體的含量，如果沒有使用分散劑，固體物含量只有在50wt%以下才能在球磨桶中調制，高于50wt%時漿料均黏在球磨桶內壁上，如果使用分散劑，則固體物含量可以高至85wt%尚能很順利的調制，增加固體物含量就是增加調漿以及下一制程噴霧造粒之效率，同時也可以減少許多能源的消耗。
分散劑的用量：
對96% 氧化鋁基板而言:
65% 氧化鋁粉(平均粉粒粒徑為1.5μm)
3% 滑石粉
1% PVA( Polyviny Alcohol) Grade 205聚乙烯醇
2% PEG(Polyethylene Glycol) 聚乙二醇
2% DARVAN C
27% 水
 

黏結劑之添加：
    干式成形用黏結劑更加常用的是PVA，一般市購PVA均為固狀物，使用前務必先用攪拌器攪拌到PVA完全溶解為止。
    將所有無機原料加入球磨桶后，加入PVA溶液，再加一倍的水量及其它有機添加物，開動球磨機，依所需時間加以混合研磨。黏結劑的用量可以依需求給予增減，用多了會在燒結過程中造成脫脂困難，用少了會在成形過程中造成太弱的坯體，不易處理，其用量介于1%~3% (與無機重量百分比)，任意增減。

.陶瓷漿料主要物性是:低粘度、高固體物含量、低氣泡含有率等。
(A)低黏度:
黏度當然和固體物含量有關，一般而言，高固體物含量必得較高之黏度，所以在有機配方中，如何得高固體物含量低黏度之漿料愛得非常重要，一但配方確定，就務必用黏度來管制制程，要使生產批次之問的黏度一致，可以使用黏度測定的數值作成統計制程圖，以便分析管制。
(B)高固含量:
高固含量在制漿造粒干燥過程中可以節省能源提高生產效率，為了確定配方的正確性，避免人為的錯誤，測定固體物含量務必為管制頂目之一，測定固體物含量很簡單，只要測定其比重即可。

φsl：泥漿固體含量is the solids fraction of the slurry
ρs ：固體密度is the solids density
ρsl ：泥漿密度is the slurry density
ρl ：液體密度is the liquid density
(C)氣泡含量:
氣泡也是影響造粒質量的因素之一，但單獨測定氣泡含量比較困難，但氣泡含量會影響漿料黏度及漿料比重，所以前二項之測定值即可判定氣泡含量，再者亦可以用透明之燒杯以目視觀察之。
 

.陶瓷漿料制程中有機添加劑之分類及其功能說明：
(1)黏結劑：保持成形體生坯強度，賦予成形性
(2)分散劑：分散陶瓷顆粒
(3)潤滑劑：脫模性及粒子間滑動性良好而改善成形性
(4)潤濕劑：降低表面張力，改良潤濕性
(5)可塑劑：賦予流變性及提供可塑性與柔軟性
(6)保護膠體劑：賦予微粒子安定性，改善成形性
(7)減水劑：制作粉體(水系)漿料時減少水份含量之用
(8)靜電防止劑：電荷的調整，防止火氣的爆發
(9)消泡劑：防上漿料中氣泡之發生
(10)殺菌劑：防止泥漿時效處理時，發生細菌
(11)螫合劑及隱蔽劑：有害離子之不活性化
(12)發泡劑：制作多孔性物品時加入
(13)界面活性劑：解膠、分散、消泡、潤濕等作用

漿料特性: 比重1.80 ~ 1.85、黏度200 ~ 500 cp。
造粒是.陶瓷工業制程中非常重要的一個環節，造粒的目的是使陶瓷原料具有良好流動性與充填性，使坯體在制作過程中質量能夠穩定均