温度响应凝胶注模成型技术的应用基础研究

在过去的20多年里，凝胶注模成型技术作为一种制备高性能复杂形状陶瓷部件的近净成型技术，无论是工艺技术的研究，还是应用领域的研究都取得了较大的进展。但是凝胶注模坯体干燥困难且耗时长，这一瓶颈问题限制其更广泛的应用，特别是大尺寸复杂形状陶瓷部件的成型。针对该问题，本项目提出温度响应凝胶注模成型技术- - 采用温敏性凝胶体系并引入具有亲水性/疏水性转变性能的高分子支链制备坯体，然后在温度的刺激作用下排出坯体中的水分，从而将坯体快速干燥，并就PEO-IPAM-MBAM（聚环氧乙烷-异丙基丙烯酰胺-亚甲基双丙烯酰胺）温敏性凝胶体系，进行温敏性支链合成、悬浮液流变学和坯体干燥机理等方面的研究，探明PEO支链的引入对成型工艺和干燥过程的影响规律，并揭示温度响应凝胶注模成型技术的干燥机理，为该技术用于大尺寸复杂形状陶瓷部件的成型提供基础理论。

针对传统凝胶注模坯体干燥困难的瓶颈问题，本项目提出温度响应凝胶注模成型技术，使凝胶注模坯体能够快速干燥（1h 内几乎完全干燥）。本项目系统地研究了温度响应凝胶注模成型技术的基本规律和干燥机理等基础理论，为该技术的应用提供明确的指导。本项目合成了具有亲水性/疏水性转变性能的高分子支链，研究了不同条件下温敏性支链的引入对悬浮液流变性能和成型工艺的影响规律，探究了温度响应凝胶注模成型坯体的干燥过程，并分析了其干燥机理。.研究表明：温敏性物质PNIPAM在32.5℃左右发生亲疏水转变；随着温度的增加，PNIPAM水溶液的粘度先增加而后又减低，内粘度[η]和水合半径(Rh) 均随温度升高而降低，且碱性条件下的粘度均低于中性条件下的；温敏性大单体支链的引入不改变粉体表面的电荷，仅通过空间位阻作用影响粉体间的相互作用；含温敏物质的悬浮液仍表现为剪切变稀流变行为，但会使其粘度小幅度上升；温度响应凝胶注模凝胶体系较合适的反应温度范围为15–20 °C，优化的催化剂加入量为4 mL/L，引发剂加入量范围为0.25–0.5 mg/mL；温度响应凝胶注模成型坯体的干燥随着温敏性大单体支链加入量和长度的增加而增加，总有机物对干燥影响不大，但固相体积分数的影响最大；温度响应凝胶注模成型坯体的干燥机理为温敏性高分子网络结构与温敏性大单体支链的协同亲-疏水作用下的快速干燥；研究还发现含温敏性物质的陶瓷粉体悬浮液流变性能具备十分明显的温敏性，将该温敏悬浮液用于直写成型技术，获得微米尺度的三维结构。