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中久新材料公司淺談：氧化鋯微珠的生產(chǎn)工藝
2023-08-16
當(dāng)今粉體工業(yè)的發(fā)展有兩大趨勢(shì)，即：高純度和高細(xì)度。超純粉體的純度需要達(dá)到99.99%或更高，超細(xì)粉體的細(xì)度需要達(dá)到納米水平。常用的粉體制備工藝主要有兩類：物理法和化學(xué)法，化學(xué)合成的粉體細(xì)度好，但純度可能不佳。球磨法作為一種物理方法，在粉體工業(yè)中應(yīng)用廣泛，其中，行星式球磨機(jī)、攪拌磨、振動(dòng)磨等可以做到微米級(jí)細(xì)度，而砂磨機(jī)可以得到亞微米甚至納米級(jí)的細(xì)度。而想要實(shí)現(xiàn)粉體的高純高細(xì)，不僅需要先進(jìn)的研磨機(jī)械，同時(shí)也需要優(yōu)質(zhì)的研磨介質(zhì)與之匹配。
對(duì)于物料適應(yīng)性較廣、效率較高、較先進(jìn)的研磨設(shè)備砂磨機(jī)來(lái)說(shuō)，研磨介質(zhì)的尺寸越小，硬度和密度越大，研磨球在單位體積內(nèi)所占的比例越高，相互之間的接觸點(diǎn)越多，介質(zhì)的自身性質(zhì)越穩(wěn)定，其對(duì)產(chǎn)品物料的破碎程度就越高，產(chǎn)生的磨耗越低，研磨的效率也相對(duì)越高。
氧化鋯陶瓷研磨球具有較大的比重和較小的粒徑，并且不會(huì)污染要研磨的材料，滿足了超細(xì)粉的生產(chǎn)需求。因此，氧化鋯陶瓷球已成為砂磨機(jī)中最常用的研磨介質(zhì)。同時(shí)，ZrO2瓷球作為用量很大、應(yīng)用面很廣的一類產(chǎn)品，已被廣泛用于陶瓷、建材、化工、涂料、電子、機(jī)械、食品、醫(yī)藥、化妝品等許多行業(yè)。
由于ZrO2材質(zhì)本身具有優(yōu)異的高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨、高耐腐蝕以及體積密度大、研磨效率高等特性，因此除了在ZrO2類陶瓷粉體研磨中大量使用外，ZrO2瓷球在其他電子陶瓷粉料，磁性材料粉料、高技術(shù)結(jié)構(gòu)和功能陶瓷粉料、日用陶瓷色料和釉料，化工和各類涂料，機(jī)械拋光用粉料，醫(yī)藥和食品粉劑，以及在特種無(wú)機(jī)材料粉體(如ZrSiO4、鈦白粉等)的超細(xì)研磨中也發(fā)揮了極為重要的作用，對(duì)于減少被研磨物料中雜質(zhì)引入和提高研磨和分散效果更是其他研磨介質(zhì)所無(wú)法比擬的。
高性能的氧化鋯研磨介質(zhì)，需要滿足哪些要求？
耐磨性：耐磨性的好壞會(huì)直接關(guān)系到研磨介質(zhì)在使用過(guò)程中的性能，研磨介質(zhì)在使用過(guò)程中不能產(chǎn)生較大的磨損，如果研磨介質(zhì)的磨耗大，不僅影響到研磨介質(zhì)自身的壽命，還會(huì)對(duì)被研磨的物料產(chǎn)生污染，因此，研磨介質(zhì)的磨耗應(yīng)該越小越好。
密度：研磨介質(zhì)的密度越大，比重就越高，在同樣條件下，比重大的研磨介質(zhì)產(chǎn)生的動(dòng)能更高，因此研磨過(guò)程所需的時(shí)間越短，研磨效率越高。
圓度和尺寸：對(duì)于球形研磨介質(zhì)來(lái)說(shuō)，球形度越好，圓度偏差越小越好，圓度越好，研磨所得到產(chǎn)品的粒徑分布越均勻。研磨球尺寸越小，在研磨過(guò)程中球與球的接觸點(diǎn)就越多，物料被研磨的機(jī)會(huì)越多，一般來(lái)說(shuō)，被研磨物質(zhì)的粒度小，研磨介質(zhì)的直徑也要減小。
光滑度：研磨球需要有光滑、光亮的表面，介質(zhì)表面越光滑，磨損越小。決定磨球表面是否有亮光的因素是球形表面的光滑度；光滑的球面鏡面效果好，粗糙的球面鏡面效果差。影響球形表面平坦度的因素主要包括材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和球形表面的外部加工程度。結(jié)構(gòu)包括孔、晶粒尺寸、液相等。球形表面的外部加工是指拋光操作。剛燒結(jié)后的研磨球球形表面是無(wú)光澤的。拋光后，球形表面將顯示鏡面效果。
小粒徑的氧化鋯陶瓷微珠，其生產(chǎn)有哪些技術(shù)瓶頸？
國(guó)內(nèi)外的球形陶瓷研磨體的生產(chǎn)成型技術(shù)主要包括：塑性擠壓成型、等靜壓成型和滾制法成型等。塑性擠壓成型工藝操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，設(shè)備投資少，但其成型制品性能低是其致命缺陷；等靜壓成型工藝對(duì)原料性能要求低，應(yīng)用范圍廣，產(chǎn)品性能優(yōu)良，適宜于成型大粒徑瓷球，而用于小粒徑(粒徑≤15mm)的瓷球生產(chǎn)時(shí)，其生產(chǎn)效率非常低；滾制成型設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，效率高，雖然對(duì)原料的性能要求較高，操作也有一定的難度，但可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，適宜于成型小粒徑的瓷球，是小粒徑瓷球成型技術(shù)的發(fā)展方向之一。目前精細(xì)高效研磨比較依賴進(jìn)口鋯珠，因?yàn)槠淠ズ姆浅５停诖笈可a(chǎn)的情況下能保持很低的成本支出，例如選礦、色漿、磷酸鐵鋰行業(yè)，都非常依賴進(jìn)口鋯珠，例如韓國(guó)進(jìn)口的賽諾鋯珠。
滾動(dòng)成型方法非常適用于小粒徑瓷球的生產(chǎn)，但仍然存在著一些亟待解決的問題，相較于等靜壓成型，滾動(dòng)成型法對(duì)粉體原料的要求很高，不僅要求粉料塑性好，還需具備一定流動(dòng)性，而氧化鋯粉體屬于瘠性料，因此，一般的氧化鋯粉體在滾球過(guò)程中會(huì)有一定困難。
除了滾制法成型，凝膠注模成型工藝也被用于制備陶瓷球的研究中。清華大學(xué)楊金龍教授課題組通過(guò)自主研發(fā)的凝膠注模成型工藝制備出了粒徑在100μm~300μm的陶瓷微球，該技術(shù)作為中國(guó)發(fā)明專利被公開。凝膠注模成型工藝可制備出內(nèi)部均勻、致密度大、強(qiáng)度高、球形度好、近凈成形的陶瓷微珠，其生產(chǎn)成本較低、無(wú)需模具、可進(jìn)行大量生產(chǎn)。為了滿足工程、生物、能源、信息等領(lǐng)域?qū)Χ趸喬沾晌⒅樵絹?lái)越高的需求，研究制備單分散的亞毫米級(jí)氧化鋯陶瓷微珠的凝膠注模成型工藝具有很大的實(shí)際意義。
在用凝膠注模成型方法制備陶瓷微珠的過(guò)程中，制備高固含、低粘度的二氧化鋯混合高分子漿料、如何將漿料分散成小液滴、小液滴如何在有限的時(shí)間內(nèi)固化成凝膠球等方法仍有待于進(jìn)一步探索和改善，微珠產(chǎn)品的性質(zhì)和使用性能仍有待于提高。
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