无机非金属材料成型工艺

第六章 无机非金属材料成型工艺

本章内容及要求

1. 本章共 13 节，教授课时 6 学时，通过本章学习， 要掌握无机非金属材料主要的 成型工艺过程，应用于特点。

6.1 概述

6.2 注浆成型

6.3 塑性成型

6.4 压制成型

6.5 喷涂法成型

6.6 缠绕法成型

6.7 抄取法成型

6.8 层压法成型

6.9 薄片挤压成型

6.10 纺织工艺法成型

6.11 造粒成型

6.12 玻璃熔体成型

6.13 成型模具

2. 重点：注浆成型、塑性成型、压制成型、玻璃熔体成型的具体工艺过程。

3. 要求： ① 掌握注浆成型的物理化学过程和对泥浆的要求；

② 掌握注浆成型的方法，以及加速注浆的方法

③ 掌握塑性成型的工艺原理、成型的方法与工艺过程；

④ 了解影响泥料可塑性的因素；

⑤ 掌握压制成型的工艺原理、成型过程坯体的变化以及成型方法；

⑥ 了解造粒成型的方法和作用；

⑦ 了解玻璃熔体的成型方法；

⑧ 掌握浮法生产玻璃的原理、工艺要求和如何拉薄玻璃。

第一节 概述

一、成型的意义

很多无机非金属材料经常需要通过成型的手段，制造出具有特定形状尺寸的个各种功能材 料（制品）。成型，实际上不仅是一个形状尺寸的制造过程， 而且包括制品的固化及加工等一系 列内容。从处理工艺来看，它除了包括材料的物理机械作业之外，还涉及广泛的无机、有机、 高分子化学、表面化学、热力学材料工艺学等方面的内容，以及配套的经验与制作技巧。

1 、成型的概念

成型是在规定的模具与 / 或载体上， 通过机械力或其他物理化学力的作用， 使原材料的组分 均匀地形成规定形状、尺寸及一定强度与密度的加工作业。

2. 成型前的作业 无论哪一种制品，在成型前必须预先设计好材料的组分配比，制备好成型用的混合料，考

虑好成型工艺特点及成型后的初期强度，还要考虑固化方法及固化过程中的化学与物理化学反 应，以及由此给最终制品带来的技术物理特性。因此，成型用混合料的制备有着重要意义。按

不同类型的制品及生产工艺特点，这些混合料的性能及名称各不相同，常见的有泥浆浇注料、

糊料、坯料、悬浮分散状料浆、压塑料、料子、干粉预半料等。此外，有一些成型方法是在成 型过程中混合配制各种组分的，例如喷射成型的纤维增强复合材料等。

二、成型辅助剂

在非金属矿物材料成型工艺中，几乎都要添加成型辅助剂。成型辅助剂有无机和有机的两

类。

传统的陶瓷材料 （陶瓷器），作为基本原料主要大量使用粘土矿物。 粘土的粘结性提供了胚 料的足够强度及可塑性，因此除少量使用无机的辅助剂外，不必添加有机辅助剂。但是对精细 陶瓷、碳素制品以及所有的无机

/ 有机聚合物复合材料，成型辅助剂是必不可少的。

1. 成型辅助剂分类

按成型辅助剂的成分可分为无机、有机成型辅助剂二类，按其作用可分为粘结剂及外加剂

二类

（ 1）粘结剂作用：保证材料具有足够的初期强度和最终机械强度。

（ 2）外加剂作用：帮助复合材料及其粘结剂发挥其强化效应，起到改进材料成型加工时及 最终产品的某些性能的作用。它可以是单一物质也可以是复合物质，但均要求掺加量少，有害 影响小。常用的有稳定剂、促凝剂、抑制剂、增塑剂、膨胀剂或消泡剂、脱模剂、防水剂等。 成型辅助剂的名称，在不同制品部门的称呼常有所区别。 成型辅助剂可以是单一物质，也可以是复合物质，要求掺加量少，有害影响小。详细可分

为：

① 稳定剂： 某些通过烧结的无机非金属材料在加热过程中由于生成新化合物或晶型转变而引起膨胀。 为了阻止或减轻由于热加工中生成新化合物或晶型转变而引起的膨胀，须加入少量稳定剂。如 氧化锆制品中加入少量

CaO 作为稳定剂。

② 促凝剂：使粘结剂凝结硬化的外加物。 以水玻璃为粘结剂时加入少量氟硅酸钠 （Na 2SiF2）, 以磷酸为粘结剂时加入少量硅性氧化物。

③ 抑制剂： 为抑制某些物理化学反应而加入的少量物质。 如加入少量草酸可以抑制某些磷

酸盐的过快形成及过早硬化。加入少量 MgO 可以防止刚玉晶体在高温下异常生长。

④ 增塑剂： 指能提高泥料可塑性的物质。 增塑剂的增塑效果与分散相的颗粒大小、 表面张 力、分散介质的极化特性有关。陶瓷或耐火材料常用的增塑剂有膨润土、聚乙烯醇、羧甲系纤 维、糊精、淀粉等。

⑤ 减水剂与解胶剂：减水剂： 降低拌合料用水量的作用，或用水量不变的情况下，起到增 大流动性或可塑性的作用。减水剂用量常为水泥的 0.2%~1% 。普通减水剂有木质素磺酸钠等， 高效减水剂有B-萘磺酸甲醛缩合物等。三聚磷酸钠（ Na2P30io ）也可作减水剂。 解胶剂：起

反絮凝的分散作用，无减水稀释效果，并具有成型后的粘结剂。

⑥ 发泡剂：发泡剂又称起泡剂。它使材料形成稳定的微小泡沫， 能使材料具有闭口 （或连 通）气孔结构。发泡和泡沫稳定的条件是降低液—气界面的表面张力，在气泡周围形成坚固的 膜，使气泡内的气体不易逃逸，并使气泡不易连结。生产耐火材料时常用松香作发泡剂；水泥

轻质制品用铝粉（碱性条件下）作发泡剂；复合材料中多用气泡性能好的表面活性剂。

⑦ 膨胀剂：膨胀剂能部分消除不定形耐火材料和石墨制品的高温和冷却过程中由于收缩而 造成的裂缝或剥落。这类膨胀剂有蓝晶石、石英等，以蓝晶石为佳。蓝晶石的耐火度高，在高 温下能不可逆转变为莫来石和 SiO

2，同时拌有显著的膨胀特性。石英随温度变化有多种变体， 也拌有体积膨胀。

⑧ 分散剂：分散剂是能促使固体粒子的絮凝团或液滴分散为单体微粒子， 并悬浮于 液 体之中。它是通过降低固体粒子间的吸附力，防止絮凝和附聚。如硅酸钠、六偏磷酸钠、单宁、 木质素（璜化木质素、 氯化木质素等） 乳化性能优良的表面活性剂在无机 / 有机复合材料中也常 用作分散剂。

⑨ 消泡剂：排除各种混合料中的气泡可使用真空搅拌混料的方法（例如陶瓷工业） ，但在 其他成型工业中常使用消泡剂。消泡剂是一类疏水性有机物，大多数油、脂类都有消泡功能。 常用的消泡剂有各类中性油、有机硅消泡剂，事实上各种油状有机硅都具有消泡功能。比如有 机硅消泡剂、中性油。

⑩ 脱模剂： 多数消泡剂可用作脱摸剂。 优良的脱摸剂有有机硅类脱摸剂， 也常使用各类润 滑剂、脂肪酸、脂肪酸钠、鳞片石墨、滑石粉等。成型辅助剂及其应用参阅表 6— 1。

表 6— 1 部分成型辅助剂第二节

、注浆成型概念及基本要求 注浆成型工艺

使泥

主要成型方法 种类 作 用

挤压、注浆、模压、抄造、辊

压等 粘合剂 提高生胚强度及最终制品强度

挤压、模压 润滑剂 脱模，提高颗粒间的润滑性

挤压、注浆、带式成型法 增速剂 可塑性、挠性

注浆，挤压 分散剂 调整PH值，分散作用

注浆，挤压 润湿剂 降低液体表面张力

模压 保水剂 防止加压时水份渗出

模压 抗静电剂 调整静电

注浆 消泡剂 消除气泡，使原有气泡消失

注浆、挤压 螯合剂 使无用离子处于惰性状态

造粒，各类粘土胶体材料 杀菌剂 防止陈化过程中变质

模压、挤压、辊压 脱膜剂 便于脱模，保证成型体外型光洁完整

2. 成型辅助剂的选择方法

不同种类的材料，其组成及结构不同，成型方法也就不同。在选择成型辅助剂的时候应

充分考虑各种辅助剂自身的性能以及其对成型效果的影响。

1.注浆成型概念

注浆法又称为浇注法，是利用石膏模的吸水性，将具有流动性的泥浆注入石膏模内, 浆分散地粘附在模壁上，形成和模型相同形状的培泥层，并随着时间的延长而逐渐增厚，当达 到一定程度时，经干燥收缩而与模壁脱离，然后脱模取出，坯体制成脱膜后，胚体经修坯后送 入下一道工序处理。

注浆成型是一种适应性大、生产效率高的成型方法，用于形状复杂或不规则以及薄胎等产 品的生产。注浆成型是具有触变性的泥浆浇注成型的方法，它要求料浆浓稠而易流动，为粘性 的浆状体。将粉状粘土调成含水 40%

左右的泥浆，并用解胶剂（反絮凝剂或称分散剂）使粘土 均匀地悬浮在水中。常用的粘土制品解胶剂为硅酸钠，也可用磷酸盐及碳酸盐等。

以上过程是利用粘土悬浮液的内聚和反絮凝原理，利用粘土的离子交换性、粘土的胶体性 与可塑性。注浆法是生产陶瓷器的基本方法之一。非粘土矿物泥浆的调制，一般希望是浓稠而 容易流动、有粘性的，脱模时间要短，脱模后坯料强度要大。

2. 泥料的性能要求

（ 1 ）原料粉要有适当的微细颗粒，可形成高密度接触表面积的堆砌；

（ 2 ）泥浆密度要大，粘度要小；

（ 3）配料要混合均匀并呈分散状态；

（ 4）反絮凝剂的种类和加入量要适当，通常为原料的 0.2%--0.3% ；

（ 5）泥浆中不允许含气泡，必要时要在真空中搅拌脱泡；

（ 6 ）泥浆的温度要保持在 20--40 度。

注浆法除用于陶瓷器的生产外，还常用与生产薄壁中空的高级耐火材料及特种制品，如热 电偶套管、高温炉管，以及坩埚等，在精细陶瓷上有广泛用途。

泥浆的浇注有空心浇注与实心浇注两种。 空心浇注使用于薄胎制品的成型， 如烧杯、 盘皿、

保护管等。使用的泥浆要有较好的流动性，密度为 1.65〜1.80g/cm 3。实心浇注适用于厚胎制 品或大件的耐火材料，泥浆要浓稠，密度 1.8g/cm 3 以上。厚胎制品是使用双面膜浇注，浓稠 的泥浆因为有触蚀性，在浇注前有进行强烈的搅拌，浇注后静止一小时即可固结。

非粘土质颗粒矿物采用注模成型时，必须添加成型辅助剂，特别是粘结剂。

3. 注浆成型的工艺原理

（ 1 ）影响因素

① 泥浆中固相的含量、颗粒大小和形状的影响

② 泥浆温度的影响

③ 粘土及泥浆处理方法的影响

④ 稀释剂的影响及选用

（ 2 ）注浆成型时的物理化学变化 采用石膏模注浆成型时，既发生物理脱水过程，又发生化学凝聚过程。

泥浆注入石膏模型后，在毛细管力的作用下，泥浆中的水沿着毛细管排出后被吸入石膏模 毛细管内。 可以认为毛细管力是泥浆脱水过程的推动力。 注浆开始时， 模型的阻力起主要作用。 随着吸浆过程不断进行，胚体厚度继续增加胚体所产生的阻力起主导作用。此时物理脱水占主 导作用。

泥浆与石膏接触时，在其接触表面上溶有一定数量的 CaSO 4，它与泥浆中的 NA —粘土和

水玻璃发生离子交换反应， 使得靠近石膏模表面的一层 NA —粘土变成 CA —粘土，泥浆由悬浮 状态转变为聚沉。石膏起到絮凝剂的作用，促进泥浆絮凝硬化，缩短了成坏时间。

（ 3）增大吸浆速度、减少模型的阻力、提高吸浆过程的推动力。