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氧化锆磨球研磨分散

作者:admin日期:2020-10-21阅读
研磨分散代工
 
有研磨分散过经湿式成型烧结后的成品,因烧结体之晶粒细小均匀且密度高,所以其电/光/磁/机械特性都较无分散的好很多。另外,研磨分散后之浆料与黏结剂混合涂布成膜后表面光滑不龟裂,其电/光/磁/机械特性都较无分散的好很多,可见研磨分散的重要性。
 
 

研磨与分散之差别
 
    研磨与分散常被混淆,将粗大的一次粒子及部分键结在一起的粗大二次粒子(aggregate)磨成更小的二次粒子或一次粒子或更小的一次粒子称为研磨;而将因凡德瓦尔力(静电力)聚集之一次或二次粒子(agglomerate)分开并没有细化一次粒子或二次粒子的称为分散,简单地说有破坏化学键结的就是研磨。图一为一次、二次、三次粒子之示意图。图二、三为氧化铝粉末经珠磨机研磨后之SEM显微照片,只见结团被分散,一次粒子及二次粒子粒径并未改变,是典型的分散例子;图四 为氧化硅粉末经珠磨机研磨后之SEM显微照片,发现原先一次粒子被大大细化,是典型的研磨例子。显然分散需要之机械力较小,但因在溶剂中进行,且过程中产生更多具活性之表面需要分散剂阻止再团聚回去,与研磨相似,所以常被放在一起讨论。
分散之重要性。


氧化铝研磨前后对比




注1、摘自M. N. Rahaman "Ceramic Processing and Sintering".
 
 
    很多客户买了粉体尤其是纳米粉体,常因使用前未充份分散至使应有功能未能显现。
 
    例一为烧结的例子:经充份分散的0.3um Al2O3粉体(图一)湿式成型后可在1390℃烧到99%的理论密度,且晶粒只均匀长大至2um左右(图二);而没有分散(图三)采干式成型的,虽在1600℃烧结密度97.6%的理论密度,且晶粒长大至5um左右(图四),并出现晶粒异常成长现象。
 
    例二为彩色喷墨亮面相纸的例子:经充份分散的40nm AlOOH粉体(图五)与PVA适当比例混合后在PE纸上涂布后之成膜情形(图六),发现涂层不会龟裂并且非常光亮;而没有分散(图七)直接与PVA混合后在PE纸上涂布的(图八),涂层龟裂而失去光泽。
 
    例三为ATO透光涂层的例子:经充份分散的40nm ATO粉体(图九)与PVA适当比例混合后在玻璃上涂布成膜后之透光情形(图十),发现涂层透光度佳且均匀;而没有分散(图十一)直接与PVA混合后在玻璃上涂布成膜的(图十二),涂层透光度差且不均匀。



物质能否被研磨之条件
 
硬质或软质材料是评估物质能否被研磨的要条件,现在使用的氧化锆磨球大都为YSZ(yttria stabilized zirconia) 莫氏硬度约为9(Knoop 1800),所以莫氏硬度7(Knoop 800)以上称为硬质材料,以我司经验是无法被研磨的,莫氏硬度7以下则为软质材料是可以研磨的。如在研磨与分散之区别中的图二~四显示,硬质的α-Al2O3只能被分散不能被研磨,而软质的SiO2则可被研磨细化。表一为一些常见物质的硬度情形。另外,若部分键结的硬质材料键结结构较松散(soft aggregate)时,也可以被某程度的磨开细化。

 Material  Formula   Mohs

 Modified mohs

Knoop

Graphite 

 C

 0.5

   

 Talc

 3MgO.4SiO2.H2O

 1

 1

 
 Gypsum

CaSO4.2H2

 2

 2

32

Galena

PbS

2.5

   

Mica

 

2.8

   

Calcite

CaCO3

3

3

135

Aragonite

CaCO3

3.5

   

Dolomite

CaMg(CO3)2

3.5

   

Fluorite

CaF2

4

4

163

Magnesia

MgO

5

 

370

Feldspar(orthoclase)

K2O.Al2O.6SiO2

6

6

560

Hematite

Fe2O3

6

 

750

Magnetite

Fe3O4

6

   

Rutile

TiO2

6.2

   

Agate

SiO2

6.5

   

Silica(fused)

SiO2

 

7

 

Quartz

SiO2

7

8

820

Silicon

Si

7

   

Zircon

ZrSiO4

7.5

   

Aluminum nitride

AlN

   

1225

Emery

Al2O3(impure)

8

   

Zirconia(fused)

ZrO2

 

11

 

Tungsten carbide

WC

   

1880

Alumina(fused)

Al2O3

 

12

 

Carborundum(silicon carbide)

SiC

9.3

13

2500

Boron carbide

B4C

 

14

2800

Diamond

C

10

15

7000

 
 
 
机械力
 
    图一为一些常见研磨方法及研磨效果情形,研磨分散采用球磨及珠磨方法来进行。靠着氧化锆磨球相互撞击及氧化锆磨球被搅动旋转产生的剪切力来研磨分散细化粉体,如图二及三所示,所以粉体能够被细化到多小系由氧化锆磨球大小所决定。现在纳米研磨分散机使用300um 氧化锆磨球约可将粉体研磨分散至100-200nm之间;50um氧化锆磨球则可将粉体研磨分散至30-80nm之间。

分散剂
 
    粉体为使处于安定状态必须团聚一起来减少表面积降(活性),当研磨分散时因粉粒间的聚集或键结被打开时,表面积增加,虽然粉体表面带有相同电荷会相互排斥,但电位±0-10mV,不足以防阻粉体团聚回去,并且将粉体表面上溶剂因粉体再次团聚被锁住在粉体之间,致使系统黏度上升,例如从50vol%氧化铝浆料加入polyacrylate量与黏度及电位的关系图中(图一)可看出未加电解质/分散剂/表面活性剂时黏度可高达10000cps以上。
 
   当加入适当电解质/分散剂/表面活性剂使其电位高过±25mV时,就可稳定分散粉体次团聚,大大降黏度至50cps以下。图二、三为粉体吸附电解质/分散剂/表面活性剂之示意图及电位大小与分散稳定性之关系。这可用Gouy-Chapman的电双层理论来描述,粉体表面吸附多与本身电性相反之这些电解质/分散剂/表面活性剂称为吸附层(Adsorbed layer),之后吸附量随着距离以扩散方式递减到正常值,这一层称为扩散层(Diffuse layer),这两层就称为电双层,如图四所示。