一种驼色着色剂、驼色氧化锆陶瓷及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种驼色着色剂、驼色氧化锆陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

氧化锆陶瓷材料因具有优良的力学性能、抗腐蚀性能、生物相容性、较高的热膨胀系数、低热导率及高化学稳定性而广泛应用于齿科材料、人体骨骼、陶瓷刀具、研磨介质和热障涂层材料等领域。随着氧化锆陶瓷材料应用领域的扩大市场对氧化锆陶瓷提出了更多的要求，例如美观等。但是现有的氧化锆陶瓷大多是白色，难以满足市场对氧化锆陶瓷颜色的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种驼色着色剂、驼色氧化锆陶瓷及其制备方法和应用。本发明提供的氧化锆陶瓷显示驼色，增加了彩色陶瓷的种类。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种驼色着色剂，包括氧化镨和氧化钴，所述氧化镨和氧化钴的质量比为0.5～5:0.5～5。

本发明还提供了一种驼色氧化锆陶瓷，包括以下质量份数的制备原料：

所述驼色着色剂为上述技术方案所述驼色着色剂。

优选的，包括以下质量份数的制备原料：

本发明还提供了上述技术方案所述驼色氧化锆陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

将氧化锆、氧化钇、氧化铝和驼色着色剂进行研磨，得到氧化锆陶瓷粉体；

将所述氧化锆陶瓷粉体进行成型，得到氧化锆陶瓷坯体；

将所述氧化锆陶瓷坯体进行焙烧，得到所述驼色氧化锆陶瓷。

优选的，所述氧化锆陶瓷粉体的粒径为1～100nm。

优选的，所述研磨包括：依次进行球磨和砂磨。

优选的，所述球磨包括：依次进行辊磨机球磨和搅拌球磨机球磨；

所述辊磨机球磨的转速为50～90r/min，时间为10～20h，球料比为(2～10):(0.5～1)，辊磨机球磨用氧化锆球的直径为10～45mm；

所述搅拌球磨机球磨的转速为100～200r/min，时间为2～6h，球料比为(2～10):(0.5～1)，搅拌球磨机球磨用氧化锆球的直径为5～10mm。

优选的，所述砂磨的转速为2000～2500r/min，时间为2～6h，球料比为(2～10):(0.5～1)，所述砂磨用氧化锆球的直径为0.1～0.8mm。

优选的，所述成型包括：依次进行预成型和冷等静压成型；

所述预成型的压力为5～20MPa，时间为0.5～1min；

所述冷等静压成型的压力为100～300MPa，时间为20～40min。

优选的，所述焙烧的温度为1300～1600℃，时间为2～10h。

本发明提供了一种驼色着色剂，包括氧化镨和氧化钴，所述氧化镨和氧化钴的质量比为0.5～5:0.5～5。在本发明中，特定质量比的氧化镨和氧化钴混合作为着色剂，能够使氧化锆陶瓷显示出驼色。

本发明还提供了一种驼色氧化锆陶瓷，包括以下质量份数的制备原料：900～970份氧化锆，30～100份氧化钇，0.5～5份氧化铝，1～10份驼色着色剂所述驼色着色剂为上述技术方案所述驼色着色剂。本发明在驼色着色剂的作用下使氧化锆陶瓷显示出驼色。

本发明还提供了上述技术方案所述驼色氧化锆陶瓷的制备方法，包括以下步骤：将氧化锆、氧化钇、氧化铝和驼色着色剂进行研磨，得到氧化锆陶瓷粉体；将所述氧化锆陶瓷粉体进行成型，得到氧化锆陶瓷坯体；将所述氧化锆陶瓷坯体进行焙烧，得到所述驼色氧化锆陶瓷。本发明将原料直接研磨后成型、焙烧，避免了共沉淀过程中酸根离子的引入，具有较高的生产效率且安全无污染。

附图说明

图1为实施例6制备得到的驼色氧化锆陶瓷的实物图；

图2为实施例6制备得到的驼色氧化锆陶瓷的XRD谱图。

具体实施方式

本发明提供了一种驼色着色剂，包括氧化镨和氧化钴，所述氧化镨和氧化钴的质量比为0.5～5:0.5～5，优选为0.8～1.2:1，更优选为1:1。

在本发明中，如果没有特殊说明，所有原料均为常规市售产品。

在本发明中，所述驼色着色剂的制备方法优选包括如下步骤：将氧化镨和氧化钴进行混合，得到所述驼色着色剂。本发明对所述混合无特殊限定，只要能够混合均匀即可。本发明将特定配比的氧化镨和氧化钴混合得到驼色着色剂，所述驼色着色剂能够使氧化锆陶瓷显示驼色。

本发明还提供了一种驼色氧化锆陶瓷，包括以下质量份数的制备原料：

所述驼色着色剂为上述技术方案所述驼色着色剂。

在本发明中，以质量份数计，制备所述驼色氧化锆陶瓷的原料包括900～970份氧化锆，优选为920～950份，更优选为930～940份。

在本发明中，以质量份数计，制备所述驼色氧化锆陶瓷的原料包括30～100份氧化钇，优选为50～80份，更优选为60～70份。在本发明中，所述氧化钇能够提高氧化锆陶瓷的强度和硬度。

在本发明中，以质量份数计，制备所述驼色氧化锆陶瓷的原料包括0.5～5份氧化铝，优选为1～3份，更优选为2～2.5份。在本发明中，所述氧化铝能够有效降低氧化锆陶瓷的烧结温度，细化陶瓷晶粒尺寸，达到提高氧化锆陶瓷透光性能和机械性能的目的。

在本发明中，以质量份数计，制备所述驼色氧化锆陶瓷的原料包括1～10份驼色着色剂，更优选为2～6，更优选为4～5。在本发明中，所述驼色着色剂与其他制备原料混合后经过焙烧能够使氧化锆陶瓷显示驼色，增加彩色氧化锆陶瓷的种类，提高氧化锆陶瓷的美观。

在本发明中，制备所述驼色氧化锆陶瓷的原料还优选包括分散剂，所述分散剂优选包括聚丙烯酸铵、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、聚甲基丙烯酸氨和聚乙二醇中的一种或几种，更优选为聚丙烯酸铵、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠或聚乙二醇。在本发明中，当所述分散剂包括两种以上上述具体物质时，本发明对所述具体物质的配比无特殊限定，采用任意配比即可。在本发明中，所述分散剂的用量优选为氧化锆、氧化钇、氧化铝和驼色着色剂总质量的0.2～1％，更优选为0.4～0.8％。在本发明中，所述分散剂能够使驼色着色剂均匀分散于原料中，提高氧化锆陶瓷颜色的均匀性。

本发明还提供了上述技术方案所述驼色氧化锆陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

将氧化锆、氧化钇、氧化铝和驼色着色剂进行研磨，得到氧化锆陶瓷粉体；

将所述氧化锆陶瓷粉体进行成型，得到氧化锆陶瓷坯体；

将所述氧化锆陶瓷坯体进行焙烧，得到所述驼色氧化锆陶瓷。

将氧化锆、氧化钇、氧化铝和驼色着色剂进行研磨，得到氧化锆陶瓷粉体。本发明在研磨前优选包括：将氧化锆、氧化钇、氧化铝、驼色着色剂和分散剂混合。在本发明中，所述分散剂能够促进驼色着色剂在氧化锆陶瓷粉体中均匀分散。在本发明中，所述氧化锆陶瓷粉体的粒径优选为1～100nm，更优选为2～50nm。

在本发明中，所述研磨优选包括：依次进行球磨和砂磨。在本发明中，所述球磨优选为湿法球磨，所述湿法球磨用溶剂优选为去离子水，所述湿法球磨的浆料固含量优选为45～75％，更优选为50～65％。在本发明中，所述球磨优选包括：依次进行辊磨机球磨和搅拌球磨机球磨；所述辊磨机球磨的转速优选为50～90r/min，更优选为60～80r/min；时间优选为10～20h，更优选为12～16h；球料比优选为(2～10):(0.5～1)，更优选为(3～8):(0.5～1)；所述辊磨机球磨用氧化锆球的直径优选为10～45mm，在本发明的实施例中所述辊磨机球磨用氧化锆球的直径具体为10～15mm，15～20mm，25～30mm，35～40mm或40～45mm。在本发明中，所述搅拌球磨机球磨的转速优选为100～200r/min，更优选为140～180r/min；时间优选为2～6h，更优选为3～5h；球料比优选为(2～10):(0.5～1)，更优选为(3～8):(0.5～1)；搅拌球磨机球磨用氧化锆球的直径优选为5～10mm，在本发明的实施例中所述搅拌球磨机球磨用氧化锆的直径具体为5～6mm，6～7mm，7～8mm，8～9mm或9～10mm。在本发明中，所述球磨能够使原料均匀分散。

在本发明中，所述砂磨优选为湿法砂磨，所述湿法砂磨用溶剂优选为去离子水，所述湿法砂磨的浆料固含量优选为35～55％，更优选为40～50％，更进一步优选为45～48％。在本发明中，所述砂磨的转速优选为2000～2500r/min，更优选为220～2400r/min；时间优选为2～6h，更优选为3～5h；球料比优选为(2～10):(0.5～1)，更优选为(3～8):(0.5～1)；所述砂磨用氧化锆球的直径优选为0.1～0.8mm；在本发明的实施例中，所述所述砂磨用氧化锆球的直径具体为0.1～0.3mm，0.3～0.4mm，0.4～0.5mm，0.5～0.6mm或0.6～0.8mm。在本发明中，所述砂磨能够使氧化锆陶瓷粉体的粒径达到1～100nm，本发明限定氧化锆陶瓷粉体的粒径在上述范围内能够提高驼色氧化锆陶瓷的力学性能。

在本发明中，所述砂磨后还优选包括：将所述砂磨的产物进行干燥，得到氧化锆陶瓷粉体。在本发明中，所述干燥优选包括喷雾干燥、电热烘箱干燥、蒸发器干燥、离心脱水和压滤脱水中的一种或几种；更优选为喷雾干燥或电热烘箱干燥。在本发明中，当干燥包括离心脱水和/或压滤脱水时，优选包括以下步骤：进行离心脱水和/或压滤脱水后进行喷雾干燥、电热烘箱干燥、或蒸发器干燥。在本发明中，所述喷雾干燥的物化频率优选为43～47Hz，更优选为45Hz；进风温度优选为238～242℃，更优选为240℃；出峰温度优选为88～92℃，更优选为90℃；时间优选为2～10h，更优选为3～9h。在本发明中，所述电热烘箱干燥的温度优选为75～95℃，更优选为80～90℃；时间优选为5～12h，更优选为8～10h。

得到氧化锆陶瓷粉体后，本发明将所述氧化锆陶瓷粉体进行成型，得到氧化锆陶瓷坯体。在本发明中，所述成型优选包括：依次进行预成型和冷等静压成型；所述预成型的压力优选为5～20MPa，更优选为8～15MPa，更进一步优选为10～13MPa；时间优选为0.5～1min，更优选为0.6～0.9min。本发明对所述预成型的装置无特殊限定，只要能够满足上述条件即可。本发明的实施例中，所述预成型的装置为双向陶瓷液压机。在本发明中，所述冷等静压成型的压力优选为100～300MPa，更优选为150～250MPa，更进一步优选为200～210MPa；时间优选为20～40min，更优选为25～38min。本发明对所述冷等静压成型的装置无特殊限定，只要能够满足上述条件即可。

本发明采用预成型和冷等静压成型相结合的方式利于获得致密度高的氧化锆陶瓷坯体，利于提高驼色氧化锆陶瓷的硬度和透光度。

得到氧化锆陶瓷坯体后，本发明将所述氧化锆陶瓷坯体进行焙烧，得到所述驼色氧化锆陶瓷。在本发明中，所述焙烧的温度优选为1300～1600℃，更优选为1350～1450℃，更进一步优选为1400～1410℃；时间优选为2～10h，更优选为4～8h，更进一步优选为6～7h。本发明限定焙烧的温度和时间在上述范围内利于提高驼色氧化锆陶瓷的硬度和韧性。

本发明提供的制备方法绿色无污染，简单可控，生产周期短利于工业化生产。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将氧化镨和氧化锆按照质量比为1:1混合，得到驼色着色剂。

实施例2

将900g氧化锆、100g氧化钇、0.5g氧化铝、0.5g氧化镨、0.5g氧化钴、2g聚甲基丙烯酸氨和蒸馏水混合，得到固含量为45％的浆料，将所述浆料在转速为50r/min、球料比为2：0.5、以直径为10mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行辊磨机球磨10h；在转速为200r/min、球料比为2：0.5以直径为5mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行搅拌球磨机球磨2h；

调节球磨后浆料的固含量为35％后在转速为2500r/min、球料比为2：0.5以直径为0.6mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行砂磨6h；

将砂磨后的浆料在雾化频率为45Hz，进风温度为240℃，出风温度为90℃的条件下进行喷雾干燥2h，得到粒径为20nm的氧化锆陶瓷粉体；

将所述氧化锆陶瓷粉体，转移至双向陶瓷液压机，5MPa预成型0.5min，将预成型后产物100MPa进行冷等静压20min，得到氧化锆陶瓷坯体；

将所述氧化锆陶瓷坯体在1300℃下焙烧10h，得到驼色氧化锆陶瓷。

实施例3

将920g氧化锆、80g氧化钇、1g氧化铝、1g氧化镨、1g氧化钴、4g聚丙烯酸氨和蒸馏水混合，得到固含量为50％的浆料，将所述浆料在转速为60r/min、球料比为4：0.7、以直径为15mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行辊磨机球磨12h；在转速为180r/min、球料比为4：0.7、以直径为6～7mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行搅拌球磨机球磨3h；

调节球磨后浆料的固含量为40％后在转速为2400r/min、球料比为4：0.7、以直径为0.5mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行砂磨5h；

将砂磨后的浆料转移至电热烘箱中，在90℃干燥12h，得到粒径为7nm的氧化锆陶瓷粉体；

将所述氧化锆陶瓷粉体，转移至双向陶瓷液压机，8MPa预成型0.6min，将预成型后产物150MPa进行冷等静压25min，得到氧化锆陶瓷坯体；

将所述氧化锆陶瓷坯体在1350℃下焙烧8h，得到驼色氧化锆陶瓷。

实施例4

将940g氧化锆、60g氧化钇、2g氧化铝、2g氧化镨、2g氧化钴、6g三聚磷酸钠和蒸馏水混合，得到固含量为55％的浆料，将所述浆料在转速为70r/min、球料比为5：0.8、以直径为25mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行辊磨机球磨14h；在转速为160r/min、球料比为5：0.8、以直径为7mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行搅拌球磨机球磨4h；

调节球磨后浆料的固含量为45％后在转速为2300r/min、球料比为5：0.8、以直径为0.4mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行砂磨4h；

将砂磨后的浆料转移至蒸发器中，在80℃干燥8h，得到粒径为10nm的氧化锆陶瓷粉体；

将所述氧化锆陶瓷粉体，转移至双向陶瓷液压机，10MPa预成型0.7min，将预成型后产物200MPa进行冷等静压30min，得到氧化锆陶瓷坯体；

将所述氧化锆陶瓷坯体在1400℃下焙烧6h，得到驼色氧化锆陶瓷。

实施例5

将950g氧化锆、500g氧化钇、3g氧化铝、3g氧化镨、3g氧化钴、8g六偏磷酸钠和蒸馏水混合，得到固含量为65％的浆料，将所述浆料在转速为80r/min、球料比为8：0.9、以直径为35mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行辊磨机球磨16h；在转速为140r/min、球料比为8：0.9、以直径为8mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行搅拌球磨机球磨5h；

调节球磨后浆料的固含量为50％后在转速为2200r/min、球料比为8：0.9、以直径为0.3mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行砂磨3h；

将砂磨后的浆料进行离心脱水后，将离心得到的固体转移至电热烘箱中，在90℃干燥5h，得到粒径为4nm的氧化锆陶瓷粉体；

将所述氧化锆陶瓷粉体，转移至双向陶瓷液压机，15MPa预成型0.9min，将预成型后产物250MPa进行冷等静压35min，得到氧化锆陶瓷坯体；

将所述氧化锆陶瓷坯体在1450℃下焙烧4h，得到驼色氧化锆陶瓷。

实施例6

将970g氧化锆、30g氧化钇、5g氧化铝、5g氧化镨、5g氧化钴、10g聚乙二醇和蒸馏水混合，得到固含量为75％的浆料，将所述浆料在转速为90r/min、球料比为10:1、以直径为40mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行辊磨机球磨20h；在转速为100r/min、球料比为10:1、以直径为9mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行搅拌球磨机球磨6h；

调节球磨后浆料的固含量为55％后在转速为2000r/min、球料比为10:1、以直径为0.1mm的氧化锆球为研磨球的条件下进行砂磨2h；

将砂磨后的浆料进行压滤脱水后转移至电热烘箱中，在90℃干燥5h，得到粒径为2nm的氧化锆陶瓷粉体；

将所述氧化锆陶瓷粉体，转移至双向陶瓷液压机，20MPa预成型1min，将预成型后产物300MPa进行冷等静压40min，得到氧化锆陶瓷坯体；

将所述氧化锆陶瓷坯体在1600℃下焙烧2h，得到驼色氧化锆陶瓷。

图1为制备得到的驼色氧化锆陶瓷的实物图，由图1可知本发明提供的氧化锆陶瓷呈现出驼色。

将实施例6得到的驼色氧化锆陶瓷进行XRD检测，得到XRD谱图如图2所示。由图2可知，本发明提供的驼色氧化锆陶瓷的物相结构为单一四方相结构。

利用比重瓶根据阿基米德原理检测实施例2～6制备得到的驼色氧化锆陶瓷的密度，其结果列于表1中。

利用积分球法检测实施例2～6制备得到的驼色氧化锆陶瓷的透光率，其结果列于表1中。

利用全自动维氏硬度仪检测实施例2～6制备得到的驼色氧化锆陶瓷的硬度，其结果列于表1中。

利用全自动维氏硬度仪检测实施例2～6制备得到的驼色氧化锆陶瓷的韧性，其结果列于表1中。

利用强度仪检测实施例2～6制备得到的驼色氧化锆陶瓷的三点弯曲强度，其结果列于表1中。

表1实施例2～6制备得到的驼色氧化锆陶瓷的物理性能及透光率

由表1中数据可以看出，本发明制备得到的脱色氧化锆陶瓷具有较高的致密度、硬度韧性、三点弯曲强度以及较高的透光率，其密度为6.05～6.09g/cm

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。