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日本开发出一种环保陶瓷成型技术

日本开发出一种环保陶瓷成型技术

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2021-04-28

环保瓷砖。

日本产业技术综合研究所尖端制造工艺研究部门,在与日本NGKINSULATORS公司的联合研究中,日前成功地开发出了只需添加不足过去一半的有机粘合剂,即可形成陶瓷的全新工艺技术。其特点是直接使有机粘合剂的单分子层在陶瓷原料粒子的表面发生化学胶合,然后通过外部刺激,再使粘合剂层之间相互发生胶合。由于有机粘合剂通过更牢固的化学胶合,将原材料粒子相互粘接起来,从而就形成一种可有效减少粘合剂在陶瓷生产工艺中用量的手段。

目前,为了使陶瓷成型,必须添加有机高分子粘合剂。聚乙烯醇(polyvinylalcohol)、甲基纤维素(methylcellulose)、丙烯酸树脂(acrylicresin)、琼脂(agar)等最常用的粘合剂在烧结过程中被燃料后,作为其分解物就会而排放出二氧化碳。为了降低环境负荷,必须减少有机粘合剂的用量。为了实现环保型陶瓷生产工艺,产综研与NGKINSULATORS公司自平成15年度起,就各自投入一定的资金开始了联合研究。具体的研究课题包括减少或不使用有机粘合剂的技术、低温烧结技术,以及无烧结技术。过去的高分子有机粘合剂只是吸附在原料粒子的表面,或者接合不够紧密,因此原料粒子之间的胶合强度不够。另外,由于高分子有机粘合剂与原料粒子表面的亲和性差,二者之间相互分离后,就会部分地发生凝固,因而就使有机粘合剂起不到有效的作用。为此,要想实现良好的成型特性,确保成型后的形状保持特性,就必须大量添加有机粘合剂。

此次,首先在单分子层状态下将反应性非常高的有机分子固定到陶瓷原料粒子的表面,然后再利用外部刺激使单分子层的有机粘合剂发生化学胶合,从而在全世界首次成功地实现了原料粒子之间直接通过化学胶合进行接合的结构。另外,由于有机粘合剂是以单分子层的状态在原料粒子表面接合的,因此就能防止原料粒子与有机粘合剂的相互分离。这是一项对陶瓷原料粒子的表面处理技术进行研究的过程中,通过提高粒子表面的化学活性而实现的技术。

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日本近期开发出袖珍型陶瓷辊道窑炉


最近日本著名陶瓷窑炉公司——高砂窑炉公司开发出一种新型辊道窑炉,其特点为辊道窑小型化,烧成方法采取侧面上下夹烧方式,烧成气氛可以很方便地任意调整为还原焰与氧化焰,并且具有很高的节能效果和烧成优品率。

这种新型的窑炉,其窑体的建筑方式均采取了预制件构筑方法,可使窑炉的设置能在短时内完工投产。由于大量采取高科技新技术及点脑操作系统,具有操作方便、烧成热效高与大幅度节能等特点。该产品被国际窑炉界称之为“新一代辊道窑”,其使用的燃料为液化气、城市煤气等。袖珍型辊道窑炉长度度为18米,炉内宽为0.58米,可运用于连续烧制宽度为0.40米、高0.15米的陶瓷制品。烧成温度为1300度,烧成气氛可以用于还原焰和氧化焰。烧成时间根据产品不同为2~4小时不等,烧成温度控制方式为窑位微分PID控制。该窑炉配备有能够应付晚间16小时欲烧产品的储存储备设施。

据悉此种窑炉非常适合于中小型瓷厂多种小批量的生产方式,适于现在国际市场变化快,定货品种多、但定货量小等特点。

英国发明一种制造陶瓷新技术


英国莱斯特大学的工程技术人员最近发明了一种制造陶瓷的新技术,它有可能因此节省大量的时间和成本,同时减少浪费。这种新方法抛弃了传统使用的试错的办法来制造陶瓷,而是采用一种新的计算机建模技术的制造工艺。

据报道,英国莱斯特大学的研究人员在工程系潘静哲(音译)教授领导下,集中在一个制造陶瓷过程中的烧成的关键步骤。潘教授解释说:“陶瓷是工业和建筑产品中的重要构成部分,也是我们的现代社会不可缺少的。然而,即使在这个精度技术的时代,制造先进陶瓷还只是一个试错的过程。”陶瓷生产首先是把粉末压缩成固体,然后在烧结过程中烧这个粉末块,藉此把粉末加热到相互粘附的温度。在这一阶段,材料基本上更密实,整体体积缩小而密度增加。陶瓷内在的脆性决定了后期制作方面变得非常困难,而且因为未能准确估计陶瓷部件的烧成最终尺寸,因此导致材料以及时间和金钱的浪费。潘教授的技术则可帮助减少烧结过程的错误。他说:“预测尺寸的变化是具有挑战性的,需要对有问题的材料的广泛数据。获取所需要的物理数据已经非常困难和昂贵。我们的方法是用计算机软件在不同陶瓷烧结过程中使用密度测量,可以预测尺寸变化,这种方法不依赖于任何一种陶瓷材料的物理性能,它只是使用从一个小的材料样本来推断该密度的数据,它可以适用于大量制造,适用于广泛的陶瓷制品”。

据悉在过去10年里潘教授一直在研究这一进程,他说现在陶瓷行业已意识到计算机和数学模型的巨大潜力,并从历史数据和更多的预测方法中得到好处,然而这种方法达到每天在工业中应用,之前还有一些挑战需要克服。

日本企业开发出反复使用不变形陶瓷棚板


陶瓷棚板以往主要用堇青石——莫来石或氧化铝制作,广泛用于建筑卫生陶瓷、日用陶瓷、电瓷、多孔陶瓷等的烧成。但这类材质的棚板在高温下反复使用,容易翘曲变形,产生裂纹,表面变得粗糙,还出现粘附现象,从而造成烧成物产生不良反应、变形或破损,致使产品质量降低,同时还存在抗污性和抗热冲击性低,难以适应急剧升温的技术问题。

有鉴于此,最近日本一家陶业公司研制出一种高性能新型陶瓷硼板。这种棚板系一种硅线石结晶粒子与以莫来石为主要成分结晶粒子相结合的复合体,由硅线石与莫来石配料混合,成型、烧结而成。与原用的堇青石——莫来石陶瓷棚板相比,以优选比率配料制成的硅线石——莫来石陶瓷棚板在高温下结晶形态变化小,反复加热下不翘曲变形,其表面不会变得粗糙,与各类材质的陶瓷如氧化物类陶瓷、碳化物类陶瓷的坯体直接接触,也不会产生不良反应,而且抗热冲击性能大幅提高,能经受急剧升温,因而其使用寿命大幅延长。由于这种棚板具有这些优良特性,放置各材质的陶瓷坯体入窑烧成,不会与坯体产生不良反应及粘附,避免坯体翘曲变形、开裂或破损,有助于提高产品质量。

日本开发出反复蓄热新陶瓷 有望用于太阳能发电


日本筑波大学13日发表的一份公报称,该校与东京大学合作,开发出了一种能反复蓄热散热的新型陶瓷,有望用于太阳能发电和工厂排热系统。

筑波大学副教授所裕子和东京大学研究生院教授大越慎一领导的研究小组,利用特殊条件烧结用于制造白色颜料的二氧化钛,制作出一种名为“λ-五氧化三钛”的陶瓷。当这种陶瓷受到光照或有电流通过时,它就能积蓄热能。此后若向这种蓄满热能的陶瓷施加一定的压力,其结构就会发生变化,转变成“β-五氧化三钛”。这时,其内部积累的热能也会随之散发出来。

反之,如果加热“β-五氧化三钛”,它就会在一定温度下又恢复为“λ-五氧化三钛”且继续吸热。由于这种转变能反复发生,因此可以反复蓄热和散热。

在利用太阳能热量驱动涡轮机的发电中,为了在夜间稳定发电,蓄热材料的作用非常关键。虽然很多科研人员在尝试用蓄热效率很高的熔盐,但难以解决熔盐腐蚀管道等难题。

研制上述新陶瓷的专家认为,这种新材料很廉价,散热条件不高,因此有望将其开发成太阳能发电所需的蓄热材料或用于收集工厂排放的废热。

这一研究小组还准备继续改良工艺,以增大新陶瓷的蓄热量。有关这一研究成果的论文已刊登在最新一期英国《自然·通讯》杂志网络版上。

陶瓷成型的新技术


随着现代科学技术的迅猛发展,陶瓷成型技术不断取得突破性进展。近年来,发展起来的胶态原位成型技术就是这类陶瓷新技术之一。该技术工艺设备简单,成本低廉,能净尺寸成型复杂的陶瓷制品,而且制品组分均匀,缺陷少,强度大,易于机械加工,已在国内外得到广泛应用。如国外利用注凝成型制造汽车零件;制造电磁材料,如PZT陶瓷和高能变速器中的圆形磁铁。我国的科技工作者也成功地使用该技术生产出高质量的氧化铝、碳化硅、氮化硅陶瓷零件,氧化铝、PTC陶瓷薄片以及耐火材料等。

胶态原位成型技术主要包括:注射成型、直接凝固注模成型和注凝成型。现在分别予以介绍。

1、陶瓷注射成型技术

注射成型技术是陶瓷粉料与热塑性树脂等有机物混练后得到混合料,装入注射机于一定温度注入模具,迅速冷凝后脱模而制成坯体。该技术适合制备湿坯强度大,尺寸精度高,机械加工量少,坯体均一的产品,适于大规模生产。对形状复杂、厚度较薄产品的制备有着明显的优越性。但由于成型中加入的有机添加剂量大,脱模时间长,不适合大尺寸部件的成型。

陶瓷注射成型使用的有机载体包括粘接剂、增塑剂、润滑剂等。有机载体的选择应重点考虑:体系内的相容性;注射悬浮体的流变特性;脱模特性与生坯强度。通常有机载体与陶瓷粉体混练后的结合强度主要取决于热塑性树脂高聚物;脱脂特性亦可由耐热性好的高聚物调节;可塑剂和润滑剂可改善体系流动性及脱模性能;表面活性剂具有综合调节作用。

在熔体注射充模冷凝形成坯体的过程中,坯体内产生的应力有两种,即温度应力和成型应力。对异型、大尺寸坯体的注射参数和充模过程的研究表明,过高的注射压力和注射温度使坯体内产生较大的成型应力和温度应力,增大了坯体变形和开裂的危险性。

由于注射成型加入大量有机载体,烧结前必须将其排除,即进行脱脂。脱脂耗时较长,容易使坯体产生缺陷。因此,脱脂是注射成型工艺的关键。影响脱脂过程的因素主要有:气氛、压力和温度制度。惰性气氛可避免有机物的氧化分解。一定的气氛压力,可缩小有机物挥发及分解产生的有效体积,从而减少由于体积膨胀引起的坯体开裂。另外,脱脂速率也直接受温度影响。在坯体软化,内部尚未形成气孔通道的温度段150~300℃,升温速率必须严格控制。否则,坯体易发生变形、产生鼓泡及开裂等缺陷。

2、陶瓷的直接凝固注模成型技术

陶瓷直接凝固注模成型技术是在陶瓷粉料中加入反絮凝剂和分散剂,利用胶体颗粒的静电或位阻效应制备出高固相体积分数、分散均匀、流动性好的浆料,同时引入生物酶作为陶瓷浆料的催化剂。利用生物酶催化反应来控制陶瓷浆料的PH值和电解质浓度,使其在放电层排斥能最小时依靠范德华力而原位凝固。

该技术的优点是,浆料中只加入少量生物酶外,不用或只需微量有机添加剂。凝固的陶瓷坯体密度高而且均匀,有较高的强度,无须脱脂。陶瓷坯体在整个成型和烧结过程中,尺寸、形状变化微小,烧结密度高。而且,模具选择范围广,加工成本低。

在直接凝固注模成型过程中,陶瓷浆料的固相含量一般要达到50%以上,同时,浆料浓度不能太高。成型中,一般不加入有机表面活性剂,它会导致酶催化剂失效,也会改变陶瓷微粒表面的电荷状态和等电点位置。在选择好最佳微粒尺寸后,可采用造粒和过筛方法制备所需微粒尺寸的陶瓷粉体。

酶催化剂反应不仅改变浆料的PH值,而且随着反应的进行,浆料的离子强度也不断加强,使浆料的放电层电位减小,促使浆料凝固。但过高的离子强度会增加浆料中的电解质含量,对制品的烧结及力学性能有不利影响。所以,对酶催化反应应进行严格控制,主要是控制加入量。一般酶催化剂含量越高,凝固时间越短。不同的酶催化反应都有不同的最佳温度,低于或高于此温度,都会延长凝固时间。

3、陶瓷的注凝成型技术

陶瓷的注凝成型因溶剂的不同分为:水基凝胶注模成型和有机基凝胶注模成型,但它们的原理基本相同。现仅就水基凝胶注模成型予以介绍。

水基凝胶注模成型技术的核心是使用低浓度的有机单体水溶液,加入较高体积分数的陶瓷粉末且具有良好的流动性,在催化剂和引发剂的作用下,浇注后浆料中的有机单体交联聚合成三维网状结构,从而使浓悬浮体原位固化成型。然后脱模、干燥、烧除有机结合剂进行烧结,即获得所需的陶瓷部件。

该工艺技术的优点是,对粉体没有特殊要求,适合各类复杂形状陶瓷制品的生产,注模操作与凝胶定型过程完全分离,浆料凝胶胶化时间完全可控,湿凝胶坯体坚韧且有弹性,容易脱模,给生产带来便利。坯体定型靠有机单体原位聚合反应形成凝胶体,坯体各组分结构均匀、缺陷少、坯体密度大。因粉料中有机物含量低,坯体干燥脱水及有机物烧除简单,成型坯体内在质量的,成品率高。另外,干燥后坯体非常坚固,可以采用各类机械进行加工,从而真正实现陶瓷部件的净尺寸精密成型。

在水基凝胶注模成型中,通常选用丙烯酰胺作为有机单体,亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂,过硫酸铵水溶液作为引发剂,四甲基乙二胺作为催化剂,同时使用JA—281作为分散剂。

水基凝胶注模成型技术的关键是配制出高陶瓷粉体含量还具有良好流动性的浆料,分散剂对颗粒的稳定分散作用下仅与分散剂性质有关,还与其用量,使用条件有关。对复相陶瓷来说,影响悬浮体流变性的还有各相的胶体特性。为制备分散均匀的低粘度、高固相混合悬浮体,需对各相进行表面修饰改性,即调整各相的胶体特性,使悬浮体中的各固相均具有相似的胶体稳定性和近似的等电点。

引发剂、催化剂和温度条件对不同陶瓷浆料凝胶化有着不同的影响。有效、准确地控制浆料的凝胶化时间,是水基凝胶注模成型的重要一环。凝胶的形成是通过氢键机理,高分子骨架上的亲水基团与凝胶网中水分子强烈反应,从而把水分子固定。近年来,采用天然水溶性凝胶物质,如琼脂糖、明胶等的热熔胶特性,即加热时溶解,冷却时形成凝胶而产生固化,将其用于胶态成型,收到了良好的效果。

排胶是水基凝胶注模成型极为重要的环节,排胶速度过快会导致坯体开裂,形成在烧成后期难以消除的孔洞。排胶速度慢,则会影响生产效率。对于不同的有机结合剂,需对它的热分解温度、不同温度下的分解速度及完全烧除的最高温度进行认真观测、研究,才能制定出合理的烧除工艺制度。

陶瓷也是一种民俗艺术


陶瓷是一种工艺美术,也是一种民俗艺术,民俗文化,因此,它与民俗文化的关系极为密切,表现出相当浓厚的民俗文化特色,广泛地反映了我国人民的社会生活、世态人情和我国人民的审美观念、审美价值、审美情趣与审美追求。我国人民有一个好传统,不管处于何种时代、何种处境,都热爱生活,追求幸福、和谐、吉祥。因而,表现喜庆、幸福的祥瑞题材,自古及今,一直是陶瓷的一个重要的题材和一个基本的文化特征。

祥瑞题材,主要围绕着“福、禄、寿、喜、和合、吉祥如意”等内容而展开。因此,在选择题材表现寓意时,经常选用如下一些事物:珍禽类,经常选用凤凰(百鸟之王,象征大富大贵、大吉大利,凤凰相偕喻爱情),白鹤(有清高、纯洁、长寿之喻),白头翁,喜鹊,鸳鸯,雄鹰(159);名花类,经常选用(160)牡丹(百花之王,象征富贵繁荣)、芙蓉(象征雍容华贵),莲花,梅花,菊花(161);在芳草类中,经常选用兰草(有香祖之喻、兰孙贵子),灵芝(象征延年益寿)竹木类中,松(象征长寿、气节),竹(竹与祝同音,寓意百岁志喜、百寿安康),天竹(喻天祝,寓意天祝平安、天祝升平);在瑞果类中,(162)常用桃子(常称寿桃,象征寿)、(163)石榴(象征福,有榴开百子之说);在异兽类中,常选用(164)、(165)龙(王、权威、吉祥的象征)、狮(狮与师、诗同音,象征权势和诗书传家)、鹿(鹿禄同音);在鱼藻类中,喜用鲤鱼(鲤与礼同音,鱼与裕谐音,寓意腾达、富裕)、鳜鱼(鳜与贵音),另外,这种祥瑞题材在约定俗成中,形成了一整套特有的具有象征意义的纹样体系。如莲生贵子(166)(婴儿抱莲花)、福寿双全(蝙蝠寿字)、竹报平安(小儿放爆竹)、吉祥如意(小儿骑白象执如意)、喜上眉梢(梅花喜鹊)、福在眼前(蝙蝠、喜鹊)、六合同春(鹿鹤、梅花)、麒麟送子(小儿骑麒麟)、连年有余(莲花、鱼)(167)、(168)、五子登科(五小儿)(169)、天官赐福(天宫、蝙蝠)、五福捧寿(五蝙蝠围寿字)、多福多寿(一群蝙蝠、堆桃)、福、寿(老人骑鹿持桃)(170)、麻姑献寿(麻姑担桃篮)(171)、鱼跳龙门(172)、丹凤朝阳(凤凰、太阳)、龙凤呈祥(龙、凤)。

祥瑞意识的产生,也是很久远的事了。早在商周时代,就有凤凰的造型出现于殷商玉器上。传说,当商纣王将亡、周文王将兴之时,人们用凤凰将临表示贤王要临世的美好愿望,“凤鸣于西周岐山”的记载,便是这种传说的反映。

中国古代社会以血缘关系为单位的社会并以此为基础结成相应的故乡。因此,企求光宗耀祖、门庭昌盛、富贵荣华便成了一个普遍的社会心理。在祥瑞题材中有许多这样的内容。祥瑞题材的产生,与先民对自然崇拜的原始信仰有着密切关系。像某些云气纹样和鱼纹等的出现,与对大自然的颂赞有着密切关系。祥禽瑞兽的出现,也是我们人民抚爱万物、与万物同其节奏的一种反映。

祥瑞题材的产生就是一种民族心理的表现,也是一种民族文化和民族哲学。对中国民族心理和文化影响最大的是儒家哲学。儒家是讲天人合一的,认为人与自然的关系不是一种对立的关系,而是一种亲和的关系,赋于花、鸟、虫、鱼、兽等以祥瑞寓意,便是这种亲和关系的表现。

另外,象瑞鸟(173)、哪吒闹海(174)、龙舟(175)、女寿星(176)等,在瓷都景德镇也是经常表现的题材陶瓷艺术还广泛地关注社会生活和社会现象以及广袤的大自然,并有非常鲜明的贴近现实、亲和自然的理性品格。

所以,要欣赏陶瓷艺术,就需要了解中国的哲学、宗教和民族心理,也要有一定的文化、音乐、舞蹈等艺术修养。否则,是很难把握住陶瓷艺术的审美特性的。

杯子的另一种习惯


杯子是日常用所用的器物,无论是塑料杯,玻璃杯,咖啡杯,亦或是自己定制的马克杯,在所特点的环境中,由于性格的不同都会有所变化。一些喜欢手握杯子上方的人,大多乐观开放,对周围事物很放心,他们不拘小节,常常边喝边大声畅谈。手持杯子中央的人,通常平易近人,待人接物很温和,是典型的“好好先生”,脸上总挂着礼貌的微笑。手端杯子下方的人,多半小心谨慎,情绪反应丰富,谈话时对字里行间的意思很敏感,甚至因过于神经质而惹人不快。而其实杯子还有另外一种习惯,就是拿起酒杯的方式不同。说起这,回想这那天在酒吧的情况。

那天在酒吧和朋友有一句没一句的聊着,忽然朋友说了个故事,一个关于杯子的杯事。朋友举起手中的啤酒杯注视了着,视线不离开那个装着冰镇啤酒的玻璃杯,然后开始说了。

有一个人很喜欢泡酒吧,他每次也不约人,总是独自一个人在同一间酒吧坐在同一个位置上。于是那个服务员就认识他了,发现这个人每次拿起酒杯有个习惯,一般人都是右手握着手柄的地方拿起来喝,可是他总是反过来。然后服务生就问他为什么这样?其实也是随口问问。这个人说,我怕别人有传染病,因为大家都习惯那样拿着酒杯喝酒,嘴总是在杯子同一个地方喝,所以我就反过来了。服务员听后哈哈大笑,这人就问服务员笑什么。服务生说,刚有个感冒的客人也跟你一样这样的拿着杯子喝酒,我出于好奇就问他为什么,他说因为我感冒了,不想传给别人,所以我把杯子反过来用,我觉得这样会好点。这人听后呆在那不语。我听朋友讲完这个故事也哈哈大笑。

人生中的很多事不就如同故事中这个人反着拿杯子一样吗?刻意去回避的事情也许就让我们碰个正着。顺其自然却往往收到意外的惊喜!

美国开发出多功能的数字化陶瓷窑炉


美国帕拉刚公司开发研制出一种新型数字化多功能窑炉,可以实现烧制各种陶瓷制品以及玻璃制品。据悉,该数字化多功能烧成窑炉内部34cm,宽42cm,总有效体积3立方米,主要用于陶瓷研究实验工作。其加热方式是将发热体安装在窑炉顶部、底部及四面炉壁上,因此能够实现对产品坯体均匀加热。并且采用了较先进的耐火材料进行密封,其保温性能高,节能效果好。

该数字化功能窑炉配备有目前非常先进的数字化自动控制系统,它们由报警式温度调控、有自动测温锥、触变器、存储器等总共20多个元件组成,并且在控制系统还设制了专门用于烧成陶瓷釉料产品采用的自动控制程序。在烧成时可以由上下左右及两侧总共六个部位同时进行加热,大大提高了热效率利用,减轻了劳动强度,缩短了烧成时间。数字化多功能窑炉最高烧成为1280度,可用于各种陶瓷、玻璃产品的烧成试验与科研需求。在烧成不同产品时,可以由装置进行温度转换。烧成玻璃时,热量是由窑炉及单个侧面进行加热。在烧成陶瓷产品时,则有窑炉的炉底及四壁共同加热。另外窑炉的顶部可根据需要随时自行断开,操作非常方便。

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