陶瓷浆料的制作

陶瓷浆料：来自台大课程
陶瓷成形的方式可依工件制成的形态概分为：
主要成形技术与次要成形技术两大类。
主要成形术计有：
A、铸浆成形(包括实心铸浆(Solid Casting)、空心铸浆(Drain Casting)、真空铸浆、加压铸浆、雕心铸浆、脱蜡铸浆、电泳铸浆、低压铸浆、推挤铸浆等变化形态)。
B、塑性成形：(包括挤出、射出、滚压、轧压)。
C、压制成形(包括单向干压、双向干压、热压法、热均压法)。
D、刮刀成形(包含刮刀成形法(Doctor Blading)及倾瀑法(Waterfall)，液体注渗(Liquid Infiltration).(如重力法、惰性气体加压法、及真空注渗(vacuum Infiltration)等变化)。
E、镀膜或被覆方式成形(如化学蒸镀(CVD)、物理蒸镀(PVD)、化学电镀、与化学涂层)。

    .陶瓷原料的制成需经一连串繁复手续，诸如粉碎、研磨、洗涤、化学溶解、静置与悬浮、磁力分级、液体分散、混合、层级分类、除气、过滤、喷雾干燥。

    不论实行何种成形技术，基本的材料配方除了含约70wt%的陶瓷粉末外，另需加入溶剂(solvents)、黏结剂(Binders)、及分散剂(dispersants)。
溶剂：
可用纯水、有机液体(如MEK、Xylene、酒精)或两者混合液，其目的在于提升原料混合的效果以获得所需要的浆料特性。
黏结剂：
种类颇多，以高分子聚合物为主，在三轴坯体系亦有利用一些无机添加物来呈现黏结剂之效果，黏结剂用于提供适当的塑性及生坯强度。
分散剂：
的选用是为达较佳的粉粒分散效应以减少不适的粉团黏聚现象，常用的分散剂计有表面活化剂(Surfactants)、润湿剂(Wetting Agents)如Darvan-C及Tergital、具有长键的高分子聚合物、钠盐或酸酸一类的电解物质、鱼油(Fish Oil)、以及聚磷酸盐等。

液体饱和度：
在陶瓷原料配方中，所含液体饱和度(SL) Saturation of Liquid可用下列公式表之:
　　　液体的体积
SL＝-----------------x100%
　　胚体中孔隙的体积
 

一般对单一的圆球状粉末而言：
其孔隙度约为：
48%,(简单立方堆积.SCP).
39% (随机堆积)
31%(体心更加密堆积，BBC)
26％(面心更加密堆积. FCC及六方更加密堆积，HCP)。
若以各种大小的粉粒分布，则可使孔隙度减至12%~15%的水平，对不同成形方法，其SL值由30%增至150%。
 

黏结剂饱和度：
陶瓷原料配方中，含黏结剂的饱和度(Saturation of Binder)以类似上述公式表示之:
　　　　黏结剂的体积
SB＝--------------------×100％
　　　坯体中孔隙的体积
SB值的大小依各种成形方法而异，低至10%或高达110%左右。
黏结剂在溶液中之浓度(CB) Concentration of Binder可借着前述的SL与SB值及溶液与黏结剂的比重(ρL及ρB)值计算求出:
     SB×ρB
CB＝---------×100％
     SL×ρL
对干压或冷均压法其CB为8%,，然对射出成形则CB值可高达50%以上，故接在射出成形后之生坯的脱脂步骤(Debinder或Dewax)，CB值实具成形成败之关键因素。
 

陶瓷浆料之制备与特性：
调制陶瓷浆料之设备虽然很多，但仍以球磨机为更加普遍。
球磨机之特性:有三个主要因素会影响球磨机之调浆效率。
（一）球磨机之转速
（二）磨球量与浆料量
（三）浆料的浓度或黏度
浓度或黏度是影响调制浆料的重要因素之一。

    黏度太低时会增加磨球在球磨桶内的滚动速度，同时由于黏度低，磨球表面的浆料膜也相对的薄，会造成球磨桶及磨球的异常磨耗，污染浆料及升高温度。故低黏度的浆料应减少磨球量以避免上述缺失的发生，理想的浆料黏度依所用磨球材质的不同而有所差异，依经验及试验结果如下:
1、使用一般瓷球时黏度范围为600~1100 cp :
2、使用高密度瓷球时黏度范围为1100~2100 cp ;
3、使用钢球时其黏度范围为l100~2400 cp。
 

    对于磨球尺寸的选择、对高粘度浆料采用较大尺寸之磨球，而低黏度之浆料用小尺寸磨球，黏度太高也会造成研磨困难，减低黏度之方法有二:
1.使用分散剂;
2.减少粉体含量。
 

使用分散剂的目的：
1、使原料及其添加物能均匀的混合，如果原料配方中含有二种以上之原料及一)些少许的添加物时，在调制浆料过程中使其相互问能完全而均匀的混合变得非常重要，不当的调制不但造成成分的不均一，同时也造成收缩的不均一，因而难以获得高质量之成品。
 

2、增加固体的含量，如果没有使用分散剂，固体物含量只有在50wt%以下才能在球磨桶中调制，高于50wt%时浆料均黏在球磨桶内壁上，如果使用分散剂，则固体物含量可以高至85wt%尚能很顺利的调制，增加固体物含量就是增加调浆以及下一制程喷雾造粒之效率，同时也可以减少许多能源的消耗。
分散剂的用量：
对96% 氧化铝基板而言:
65% 氧化铝粉(平均粉粒粒径为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
 

黏结剂之添加：
    干式成形用黏结剂更加常用的是PVA，一般市购PVA均为固状物，使用前务必先用搅拌器搅拌到PVA完全溶解为止。
    将所有无机原料加入球磨桶后，加入PVA溶液，再加一倍的水量及其它有机添加物，开动球磨机，依所需时间加以混合研磨。黏结剂的用量可以依需求给予增减，用多了会在烧结过程中造成脱脂困难，用少了会在成形过程中造成太弱的坯体，不易处理，其用量介于1%~3% (与无机重量百分比)，任意增减。

.陶瓷浆料主要物性是:低粘度、高固体物含量、低气泡含有率等。
(A)低黏度:
黏度当然和固体物含量有关，一般而言，高固体物含量必得较高之黏度，所以在有机配方中，如何得高固体物含量低黏度之浆料爱得非常重要，一但配方确定，就务必用黏度来管制制程，要使生产批次之问的黏度一致，可以使用黏度测定的数值作成统计制程图，以便分析管制。
(B)高固含量:
高固含量在制浆造粒干燥过程中可以节省能源提高生产效率，为了确定配方的正确性，避免人为的错误，测定固体物含量务必为管制顶目之一，测定固体物含量很简单，只要测定其比重即可。

φsl：泥浆固体含量is the solids fraction of the slurry
ρs ：固体密度is the solids density
ρsl ：泥浆密度is the slurry density
ρl ：液体密度is the liquid density
(C)气泡含量:
气泡也是影响造粒质量的因素之一，但单独测定气泡含量比较困难，但气泡含量会影响浆料黏度及浆料比重，所以前二项之测定值即可判定气泡含量，再者亦可以用透明之烧杯以目视观察之。
 

.陶瓷浆料制程中有机添加剂之分类及其功能说明：
(1)黏结剂：保持成形体生坯强度，赋予成形性
(2)分散剂：分散陶瓷颗粒
(3)润滑剂：脱模性及粒子间滑动性良好而改善成形性
(4)润湿剂：降低表面张力，改良润湿性
(5)可塑剂：赋予流变性及提供可塑性与柔软性
(6)保护胶体剂：赋予微粒子安定性，改善成形性
(7)减水剂：制作粉体(水系)浆料时减少水份含量之用
(8)静电防止剂：电荷的调整，防止火气的爆发
(9)消泡剂：防上浆料中气泡之发生
(10)杀菌剂：防止泥浆时效处理时，发生细菌
(11)螫合剂及隐蔽剂：有害离子之不活性化
(12)发泡剂：制作多孔性物品时加入
(13)界面活性剂：解胶、分散、消泡、润湿等作用

浆料特性: 比重1.80 ~ 1.85、黏度200 ~ 500 cp。
造粒是.陶瓷工业制程中非常重要的一个环节，造粒的目的是使陶瓷原料具有良好流动性与充填性，使坯体在制作过程中质量能够稳定均