基本信息
- 项目名称：
- 聚丙烯酸酯水性粘合剂的制备及其在多层陶瓷电容器（MLCC）中的应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 通过分子设计制备了能与陶瓷粉混合形成稳定浆料，可以成功流延成型，干燥后的膜片可复溶于水的聚丙烯酸酯水性粘合剂。分析了乳液性能的影响因素，考察了瓷粉、粘合剂、助剂对浆料配制和流延素坯膜的影响，得到了合适的流延配方。
- 详细介绍：
- 多层陶瓷电容器(MLCC)是新型表面贴装元器件的代表性品种，已成为蜂窝式移动电话、笔记本电脑、数码相机、摄相机和高清晰数字电视机等新一代通信与信息终端的最基本构成元件。 流延成型自出现以来就用于生产单层或多层薄板陶瓷材料，现已成为生产多层电容器和电感器的支柱技术。但目前国内外使用最多的油基流延是以甲苯、二甲苯为溶剂的，这些有机溶剂具有易燃易暴、污染环境、成本高等缺点，而且对环境湿度要求苛刻，整个生产过程不允许有任何的水分进入体系中，导致工艺复杂。 出于对安全及环境保护的考虑，社会各界对开发水基流延，制备环境友好水性粘合剂越来越重视，水性粘合剂的使用对流延工艺有着不同的要求。 本项目通过分子设计制备了能与陶瓷粉混合形成稳定浆料，可以成功流延成型，干燥后的膜片可复溶于水的聚丙烯酸酯水性粘合剂；分析了乳液性能的影响因素，考察了瓷粉、粘合剂、助剂对浆料配制和流延素坯膜的影响，得到了合适的流延配方，制备了均匀分散、强度和韧性适中的流延素膜。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.研究目的和基本思路 流延成型是薄片陶瓷材料的一种重要成型，但目前国内外使用的油基流延是以甲苯等为溶剂的，具有易燃易爆、污染环境、成本高等缺点，而且对环境湿度要求苛刻，导致工艺复杂。水基流延成型用水代替有机溶剂，水溶性高分子为粘合剂，不仅可以降低成本和避免火灾，也降低了挥发性有机化合物VOC。 本研究通过分子设计，合成满足不同粉体需要的聚丙烯酸酯水性粘合剂。通过研究水基流延成型工艺的影响因素，优化浆料配制工艺，制备出表面光滑、结构均匀，高固含量、低粘度，有一定韧性、强度，容易叠层和烧结的流延素片，并使其废膜片溶解后具有可再流延加工的性质。 2.项目创新点 用丙烯酸酯类单体通过乳液聚合制备能与陶瓷粉均匀分散并成功流延成型，干燥后的膜片可复溶于水再进行重新流延利用的水性粘合剂。 3.技术关键 (1)分子设计 该体系的技术关键为通过合理调节各单体的比例进行分子设计，合成出符合流延工艺要求和废膜片回收溶解要求的水性聚丙烯酸酯粘合剂。 (2)助剂的选择 由于水分子是极性分子，与有机物之间存在着相溶性问题，因此要求这些助剂具有良好的水溶性或能够在水中形成稳定乳浊液以保证形成均一稳定的浆料。 4.主要技术指标 本研究中要求制备出具有一定存储稳定性的聚丙烯酸酯乳液，并用其制备均匀分散，流动性适宜，适合流延成型的高固相体积分数的陶瓷浆料，使其烘制出的流延素片具有表面光滑、结构均匀、强度和韧性合适、容易叠层和烧结等特点。
科学性、先进性
- 聚丙烯酸酯水性粘合剂通过单体的聚合制备，常用的硬单体有（甲基）丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丁酯、醋酸乙烯酯等。功能单体是指带有各种官能团，能与上述软硬单体共聚的烯类单体，如（甲基）丙烯酸、丙烯酸-β-羟乙酯、丙烯酸-β-羟丙酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸缩水甘油酯等。单体所含有的羧基能够和氨水成盐，使聚合物获得水溶性。通过合理调整软、硬和功能单体的比例，能够制备具有适当软硬程度的丙烯酸酯树脂。 虽然水性粘合剂除存在容易产生缺陷，干燥效率低的缺点，但其分子量分布范围较宽，玻璃化温度低，VOC含量极低，符合环境保护的要求，并且水性粘合剂对流延介质的适应性较强；水性粘合剂粘度低，可以提高瓷粉固含量，提高生坯密度。 目前，国外已经具有专门的聚丙烯酸酯水性粘合剂商品运用在MLCC的流延成型工艺中，但国内仍局限于油基流延和采用进口粘合剂进行成型研究，且因进口粘合剂成本过高尚未得到产业化应用，我国还没有对这种水性粘合剂的制备展开研究。
获奖情况及鉴定结果
- 在2011年华南理工大学材料科学与工程学院第一届材料创新大赛中获三等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.使用说明 将自制聚丙烯酸酯水性粘合剂与一定量的陶瓷粉混合，再加入适量匹配的成膜助剂制成均匀稳定的陶瓷浆料后，通过流延成型工艺制出具有一定强度和韧性的流延素膜。 2.技术特点和优势 水基流延成型以水代替有机溶剂，以水溶性高分子为粘合剂，符合环保的要求，还可降低成本，提高产品的利润。粘合剂在流延成型中作为一种暂时性成膜物质，对球磨、流延成型、层压切割、排胶几个环节有重要影响。同PVB体系不同的是，水基流延成型可采用一步球磨法，也可采用两步球磨法，甚至可以在瓷粉制备过程中，瓷浆球磨完毕直接加入粘合剂和相应的助剂，减少了干燥环节。而PVB体系一般采用两步球磨法，粘合剂在第二步加入，并且完全不能够有水分的存在。 对比溶剂型粘合剂，水性粘合剂除具有对环境无污染，易清洗，安全等优势，还具有明显的成本优势。 3.推广前景及经济效益预测 我国目前市场上还没有此类水性粘合剂，开发的水性粘合剂可使流延成本大大降低，具有很高的研究价值。
同类课题研究水平概述
- 国内外使用最多的非水基流延成型以甲苯、二甲苯为溶剂，聚乙烯醇缩丁醛（PVB）为粘合剂的流延成型体系。其不足之处在于所使用的有机溶剂如甲苯、二甲苯等具有一定的毒性，使生产条件恶化并造成环境污染，且生产成本较高。目前PVB体系流延成型对环境的湿度要求苛刻，整个生产过程中不允许有任何的水分进入体系中，否则直接造成膜片的缺陷以及电容器性能的下降。南方气候潮湿，导致废品率明显提高。另外，在生产过程中产生的废膜片的回收以及球磨罐的清洗都采用大量的甲苯，尤其球磨罐的清洗经常用到三氯乙烯，都是毒性较高的有机溶剂，不利于环境保护；水基流延成型体系以水作溶剂，水溶性高分子为粘合剂，具有不燃、无毒、成本低等优点；使用水作溶剂不仅可以降低涂料的成本和施工中由于有机溶剂存在而导致的火灾，也大大降低了挥发性有机物（VOC）的排放，而且浆料粘度低，使用合适的分散剂可大大提高浆料的固相体积分数，有利于提高生坯密度。 目前，国外聚丙烯酸酯水性粘合剂在MLCC的流延成型工艺中得以实际应用，用于生产高层数、薄介质MLCC。美国、日本在水基流延成型和专用水性粘合剂的研究和应用方面远远领先于中国的发展水平，不但具有专门的商品，并且已经应用于生产中，促进了电子陶瓷三大元器件的发展。我国在水基流延成型和MLCC方面仅有的研究局限于采用进口粘合剂，但终因使用进口水性粘合剂成本过高，未能得到产业化应用。因为国外这种粘合剂的生产技术处于高度保密状态，我国没有对粘合剂的制备展开研究。
