New processing route for ZrSiO4 by powder injection moulding using an eco-friendly binder system

New processing route has been developed for zircon based on powder injection moulding (PIM). Raw zircon powders, obtained from mineral sands, have been processed using a new water soluble binder system composed of PEG and CAB. Water solvent debinding stage has been studied in depth. On one hand, influence of some debinding parameters (temperature, debinding rate, additives and the use of climate chamber) has been tested. On the other hand, new binder systems were tested and compared with previous studied ones. The full PIM process has been carried out. Mixing, injection molding, solvent and thermal debinding and finally sintering, have been performed with the optimal binder system composition. Homogeneity along the process has been assessed by thermo-gravimetric analysis and by density measurements. After sintering, dimensional variation, density and fracture surface obtained after flexural strength test, have been analyzed. A competitive flexural strength has been achieved for injected zircon samples.

ResumenEn este estudio se desarrolla con éxito una nueva vía de procesamiento para el circón basada en el moldeo por inyección de polvos. El polvo de circón, obtenido de arenas minerales, se mezcla con un nuevo ligante soluble en agua compuesto por PEG y CAB, el cual permite obtener piezas inyectadas de circón. Se ha estudiado con detalle la etapa de eliminación por disolución del PEG, en la que se ha evaluado la influencia de varios parámetros (temperatura, velocidad de disolución, el uso aditivos y de la cámara climática). Además, se han estudiado diferentes composiciones del ligante basadas en varios pesos moleculares y porcentajes en volumen de los polímeros hasta la etapa de eliminación del PEG. Se han completado con éxito todas las etapas del proceso (mezcla, inyección, eliminación del ligante, por disolución seguida de degradación térmica y sinterización) para la composición óptima del ligante. Se ha verificado la homogeneidad del sistema a lo largo del proceso mediante termogravimetría y medidas de densidad. Tras la sinterización se ha evaluado variación dimensional, la densidad y la superficie de fractura, obtenida tras el ensayo de flexión, mediante SEM. Las piezas de circón inyectado muestran un valor competitivo de resistencia a flexión.