SE453747B - Forfaringssett for ytmodifiering av oxidiska och icke-oxidiska keramiska ramaterial - Google Patents

Description

453 747 l m är att genom ytmodifiering av råmaterialen få partikelytor som ur en ytkemísk synpunkt uppvisar stora likheter.(För exempelvis slamgjutning som en formningsmetod gäller detta främst för det pH-område som partik- larna ändrar sina laddningar från positiva till negativa, d v s den s k isoelektriska punkten). Detta âstadkommes genom att i ett speciellt processteg låta keramiskt råmaterial i pulverform, organiskt lösnings- medel med låg vattenhalt och metallalkoxid reagera såsom beskrivs i ut- föringsexempel nedan och i ett efterföljande steg antingen avdunsta lösningsmedel och kalcinera kvarvarande pulver eller hydrolysera kvar- varande metallalkoxid följt av torkning och kalcinering. Efter detta förfarande får pulverpartikelytorna nya ytkemiska egenskaper i den meningen att de gentemot dispergeringsmedel, deflockuleringsmedel, bindemedel och andra typer av processhjälpmedel uppträder som ytor snar- _lika de hos ett motsvarande metalloxid-, oxyhydroxid- eller hydroxidpulver.

Ytmodifieringen enligt ovan innebär alltså att olika keramiska rå- material får i ytkemiskt hänseende snarlika dispergeringsegenskaper.

Så till exempel får vattenbaserade suspensioner av Si, SiC, Sí3N4, ZrO2 alla positiva zetapotentialer vid pH under 8 och negativa zetapoten- tíaler vid pH högre än 9 vid behandling med Al alkoxid. I andra dis- pergeringsmedier såsom organiska eller oorganiska vätskor och polymer- eller vaxsmältor eller blandningar av dessa skapas genom ytmodifiering enligt denna uppfinning förutsättningar för att enklare välja ytaktiva processhjälpmedel t ex vätningsmedel, dispergeringsmedel, bindemedel, mm och även möjligheten att genom elektrostatisk stabilisering stabilisera blandningar av olika keramiska råmaterial. En förutsättning är dock att samma metall i den använda alkoxiden kan accepterassom tillsats i låga halter i många keramiska system. Exempel på sådana metallalkoxider är Al-alkoxid och Si-alkoxid. Ett exempel på en alkoxid med stor potential som ytmodifierare är Al-alkoxid då den kan hydrolyseras och/eller kalci- neras och på så sätt överföras till Al 0 eller Al-O-OH. A120 kan ingå 2 3 3 i flertalet keramiska system baserade på Si, SiC, Si N (SiAlONerL ZrO2.

, Genom att ytmodifiering leder till ett liknande ytlaâd:ings- och adsorp- tionsbeteende hos olika keramiska råmaterial skapas möjligheter att blanda kompositsystem homogent, i betydelsen fullstänfigm slumpmässigt. Med kompo- sitsystem menas här en blandning bestående av minst två ur sammansättnings- eller krisufllografisk xnodifikationssynpunkt olika råmaterial. Till exempel kan ZrO2 och Si3Nq dispergeras samtidigt genom enbart pH-justering även om 453 747 s» i de båda pulvren har vitt skilda nolladdningspunkter före ytmodifieringen enligt denna uppfinning.

Metallalkoxider, speciellt Al-alkoxid såsom Aluminiumisopropoxid beskrivs i litteraturen i många sammanhang rörande keramiska material eller för yt- täckning. Nedan följer en rad exempel. 1. Kishi et al (A) beskriver hur Al-isopropoxid används som ett sätt att tillsätta Al2O3 till ett B-sialonsystem och på så sätt erhålla efter sintringen en fördelaktigare mikrostruktur. 2. I en rad artiklar och patent utgår man ifrån metallalkoxider och fram- ställer finkorniga och reaktiva pulver lämpliga för sintring (B-I ej C). 3. Al-alkoxider används ofta vid yttäckning av substrat inom elektronik- industrin för att erhålla lämpliga termiska och elektriska egenskaper.

Yttäckningen sker då ofta genom kemisk àngdeponering (eng. chemical vapor deposition, CVD) (J, K). Förfarandet kan också utföras genom pyro- lytisk deponering (L). 4. I (M) ges exempel pá hur oxidiska substrat kan yttäckas genom att de doppas i en lösning bestående av Si-alkoxid, etanol, vatten och saltsyra och pà sà sätt kan mycket tunna skikt erhållas. 5. I (N) används bl a Al-isopropoxid som Al-källa vid hetpressning av bor- karbider och -nitrider för att förhindra korntillväxt. 6. I (O) används A1-isopropoxid för att tillverka aluminiumalkoxidkarboxyl- sulfonater som i sin tur används som dispergeringsmedel för hydrofoba fyllmedel och pigment.

Följande utföringsexempel belyser effekten av ytmodifiering av olika kera- miska råmaterial enligt denna uppfinning. Dessa exempel är med avseende på slamgjutning som är den formningsmetod där man finner stor nytta av att modifiera pulverytan enligt denna uppfinning. Slamgjutning utgör dock ej någon begränsning för användning av detta förfaringssätt att modifiera en pulveryta. Också i andra formningsmetoder såsom formsprutning, pressning, 453 747 to formpressning, extrudering eller varianter av dessa kan ytmodifiering utnyttjas som ett processteg för att åstadkomma lägre viskositet, bättre flytbarhet eller andra önskvärda egenskaper hos pulvermaterialet blandat med lämpliga formnings- och processhjälpmedel. 1.

Ytmodifiering av G-SiC. För att ytmodifiera Q-SiC (Uf15, Lonza) användes 3.8 vikt-%, 7.6 % och 15.2 % Al-isopropoxid räknat på måtgkm SiC. I tre bägare med n-hexan blandades tre olika mängder/ål-isopropoxidpulvret med hjälp av höghastighetsomrörare, av ultra-turaxtyp. SiC blandades i och fick stå på omrörning ca 5 min, innan dispergeringen fortsatte i kul- kvarn i ca 2h. Efter dispergeringen indunstades slamen till torrhet och sluttorkades/värmebehandlades i minst 30 min vid 120°C i värmeskàp.

Zetapotentialen som funktion av pH uppmättes pà ursprungspulvret och pà de tre ytmodifierade pulvren. Figur 2 visar detta och speciellt då var zetapotentialerna ändrar tecken från positiv till negativ.

Resultaten skall också jämföras med figur 3 som uppvisar zetapotentialen för a-Al O 2 3 dra följande slutsatser (1) SiC-partiklarna uppvisar ur zetapotential- (Alcoa, A-16SG) som funktion av pH. Av resultaten kan man synpunt ytor liknande de hos a-Al2O3 och (2) det krävs relativt små mängder Al-isopropoxid för att modifiera a-SiC även om spec. yta hos pulvret är ca 15m2/g. De i detta exempel tillsatta mängderna av Al-iso- propoxid torde ge ett tillskott av ca 0.5%, 1.0% och 2% Al. De ytmodifie- rade pulvren dispergerades i vatten endast genom omrörning och till- sats av 1% Dispex A40 (kommersiellt dispergeringsmedel bestående av NH: -polyakrylater), slamgöts till stavar och torkades utan problem med sprickor eller dylikt.

I detta exempel användes samma förfaringssätt som i exempel 1 med de un- dantagen att istället för SiC användes Sioch mängden A1-isopropoxid var h% räknat på Si-mängden. Vidare var maltiden 1.75 timmar och värmebehand- lingen 2 timmar. Figur 4 visar zetapotentialen efter ytmodífie- ring av Si (Sicomill, grade IV, KemaNord)- Pulvret slamgöts sedan till stavar m h a Dispex A40 som dispergeringsmedel. Stavarna var efter tork- ning sprickfria. Det bör påpekas att slamman med ytmodifierad Si ej upp- visade någon gasbildning vilket annars är vanligt och är ett stort pro- blem vid slamgjutning av Si dispergerat i vatten. 455 747 g- / ö 3. I exempel 3 användes samma förfaringssätt som i exempel 2 med det undan- taget att istället för Si användes blandningen Si/Si3N4 med tillsats av ~6% Y2O3 och 2% Al2O3. Pulverblandningen som användes är sammalt under 111 timmar vilket leder till att Si-fraktionen blir extremt finkornig.

Efter ytmodifiering dispergerades och slamgöts pulvret till stavar en- ligt ovan. Även i detta fall trots den mycket finkornigaSi-fraktionen uppstod ingen större gasbildningi.vatten. Figur4 visar zetapotentialen som funktion av pH för ytmodifierad pulverblandning. h. I exempel 4 ytmodifierades ZrO2 (Toyo Soda TZ-3Y) med ca 9% Al-isoprop- oxid. Efter ytmodifiering kunde pulvret slamgjutas enligt ovan till sprickfria stavar.

Litteraturreferenser (A) K. Kishi, S. Umebayashi and K. Kobayashi, Yogyo Kyokai Shi 94 (1) (1986) 189 (B) K.S. Mazdiyasni, "Metalalkoxy-derived powders", Sagamore Army Mater.

Res. Conf., Proc. ('85) Vol. 30 (C) EU Pat. Appl. 0055 459 (D) K.D. Fritsche, Freib. Forsch. -H., A657 (1983) 11 (E) B. Mirhadi, H. Hausner, Ber. DKG 2 (1985) 86 (F) M. Mitomo, T. Shíogai, H. Yoshimatsu and Y. Kitami, Yogyo Kyokai Shi 93 (7) (1985) 3k (G) Y. Hirata, K. Sakeda, Y. Matsushita and K. Shimada, dito, 93 (9) (1985) 101 .(H) B. Fegley, P. White and H.K. Bowen, J. Am. Ceram. Soc., 68 (2) (1985) C-60 (I) dito authors, Am. Ceram. Bull. 64 (8) (1985) 1115 453 747 (J) Ger. (DDR) Offenl.2 354 435 (K) K.J. Sladek and W.W. Gibert, Prcc. 3rd Int. Conf. Chem. Vap. Dep., ed. F.A. Glaski, (1972) 215 (L) J.A. Aboaf, J. Electrochem. Soc. 114 (9) (1967) 948 (M) S. Sakka, K. Kamiya, K. Makita and Y. Yamamoto, J. Non-Cryst. Sol. 63 (1984) 223 m) Ger. Qffenl. 2 234 653 (O) JP 82 20 5431

Claims (5)

453 747 I PATENTKRAV

1. l. Förfaringssätt för ytmodifieririg av oxidlska och icke-oxidiska keramiska råxraterial eller blandningar av dessa i samband med formning med för pulverformiga material lcähda forrnningsmetoder där det keramiska râxraterialet i pulverform får reagera med en metallalkoxid i närvaro av ett organiskt lösningsmedel med låg vattenhalt varefter antingen lösningsmedlet indunstas och det pulverformiga råmaterialet kalcineras eller den kvarvarande metal lalkoxiden hydrolyseras och det pulverf ormí ga rånaterialet intorkas och kalcineras k ä n n e t e c k n a t a v att det sålunda ytmodifierade pulverformiga råxnaterialet dispergeras och formas med bibehållande av den ytmodifierade ytan intakt.

2. Förfaringssätt enligt krav 1 dessutom k ä n n e t e c k n a t a v att den isoelektriska punkten hos det ytmodifierade råmaterialet ligger mellan värdet för det ursprungliga råmaterialet och värdet för den valda metal lalkoxidens motsvarande metal loxid, metalloxidhydroxid eller metallhydroxid.

3. Fórfaringssätt enligt krav 1 och 2 dessutom k ä n n e t e c k n a t a v att metallalkoxiden är en kiselalkoxid eller en aluminiumalkoxid.

4. Fdrfaringssätt enligt krav 1-3 dessutom k ä n n e t e c k n a t a v att aluminiumalkoxiden är en isopropoxid.

5. Förfaringssätt enligt krav 1-4 dessutom k ä n n e t e c k n a t a v att aluminiumalkoxiden är en isopropoxid och dispergeringsmedlet vid en efter ytmodifiering följande blandning/dispergering är ett polyakrylat.