中久新材料公司浅谈：氧化锆微珠的生产工艺
2023-08-16
当今粉体工业的发展有两大趋势，即：高纯度和高细度。超纯粉体的纯度需要达到99.99%或更高，超细粉体的细度需要达到纳米水平。常用的粉体制备工艺主要有两类：物理法和化学法，化学合成的粉体细度好，但纯度可能不佳。球磨法作为一种物理方法，在粉体工业中应用广泛，其中，行星式球磨机、搅拌磨、振动磨等可以做到微米级细度，而砂磨机可以得到亚微米甚至纳米级的细度。而想要实现粉体的高纯高细，不仅需要先进的研磨机械，同时也需要优质的研磨介质与之匹配。
对于物料适应性较广、效率较高、较先进的研磨设备砂磨机来说，研磨介质的尺寸越小，硬度和密度越大，研磨球在单位体积内所占的比例越高，相互之间的接触点越多，介质的自身性质越稳定，其对产品物料的破碎程度就越高，产生的磨耗越低，研磨的效率也相对越高。
氧化锆陶瓷研磨球具有较大的比重和较小的粒径，并且不会污染要研磨的材料，满足了超细粉的生产需求。因此，氧化锆陶瓷球已成为砂磨机中最常用的研磨介质。同时，ZrO2瓷球作为用量很大、应用面很广的一类产品，已被广泛用于陶瓷、建材、化工、涂料、电子、机械、食品、医药、化妆品等许多行业。
由于ZrO2材质本身具有优异的高硬度、高强度、高韧性、高耐磨、高耐腐蚀以及体积密度大、研磨效率高等特性，因此除了在ZrO2类陶瓷粉体研磨中大量使用外，ZrO2瓷球在其他电子陶瓷粉料，磁性材料粉料、高技术结构和功能陶瓷粉料、日用陶瓷色料和釉料，化工和各类涂料，机械抛光用粉料，医药和食品粉剂，以及在特种无机材料粉体(如ZrSiO4、钛白粉等)的超细研磨中也发挥了极为重要的作用，对于减少被研磨物料中杂质引入和提高研磨和分散效果更是其他研磨介质所无法比拟的。
高性能的氧化锆研磨介质，需要满足哪些要求？
耐磨性：耐磨性的好坏会直接关系到研磨介质在使用过程中的性能，研磨介质在使用过程中不能产生较大的磨损，如果研磨介质的磨耗大，不仅影响到研磨介质自身的寿命，还会对被研磨的物料产生污染，因此，研磨介质的磨耗应该越小越好。
密度：研磨介质的密度越大，比重就越高，在同样条件下，比重大的研磨介质产生的动能更高，因此研磨过程所需的时间越短，研磨效率越高。
圆度和尺寸：对于球形研磨介质来说，球形度越好，圆度偏差越小越好，圆度越好，研磨所得到产品的粒径分布越均匀。研磨球尺寸越小，在研磨过程中球与球的接触点就越多，物料被研磨的机会越多，一般来说，被研磨物质的粒度小，研磨介质的直径也要减小。
光滑度：研磨球需要有光滑、光亮的表面，介质表面越光滑，磨损越小。决定磨球表面是否有亮光的因素是球形表面的光滑度；光滑的球面镜面效果好，粗糙的球面镜面效果差。影响球形表面平坦度的因素主要包括材料的内部结构和球形表面的外部加工程度。结构包括孔、晶粒尺寸、液相等。球形表面的外部加工是指抛光操作。刚烧结后的研磨球球形表面是无光泽的。抛光后，球形表面将显示镜面效果。
小粒径的氧化锆陶瓷微珠，其生产有哪些技术瓶颈？
国内外的球形陶瓷研磨体的生产成型技术主要包括：塑性挤压成型、等静压成型和滚制法成型等。塑性挤压成型工艺操作简单，生产效率高，设备投资少，但其成型制品性能低是其致命缺陷；等静压成型工艺对原料性能要求低，应用范围广，产品性能优良，适宜于成型大粒径瓷球，而用于小粒径(粒径≤15mm)的瓷球生产时，其生产效率非常低；滚制成型设备简单，投资少，效率高，虽然对原料的性能要求较高，操作也有一定的难度，但可实现批量化生产，生产效率高，适宜于成型小粒径的瓷球，是小粒径瓷球成型技术的发展方向之一。目前精细高效研磨比较依赖进口锆珠，因为其磨耗非常低，在大批量生产的情况下能保持很低的成本支出，例如选矿、色浆、磷酸铁锂行业，都非常依赖进口锆珠，例如韩国进口的赛诺锆珠。
滚动成型方法非常适用于小粒径瓷球的生产，但仍然存在着一些亟待解决的问题，相较于等静压成型，滚动成型法对粉体原料的要求很高，不仅要求粉料塑性好，还需具备一定流动性，而氧化锆粉体属于瘠性料，因此，一般的氧化锆粉体在滚球过程中会有一定困难。
除了滚制法成型，凝胶注模成型工艺也被用于制备陶瓷球的研究中。清华大学杨金龙教授课题组通过自主研发的凝胶注模成型工艺制备出了粒径在100μm~300μm的陶瓷微球，该技术作为中国发明专利被公开。凝胶注模成型工艺可制备出内部均匀、致密度大、强度高、球形度好、近净成形的陶瓷微珠，其生产成本较低、无需模具、可进行大量生产。为了满足工程、生物、能源、信息等领域对二氧化锆陶瓷微珠越来越高的需求，研究制备单分散的亚毫米级氧化锆陶瓷微珠的凝胶注模成型工艺具有很大的实际意义。
在用凝胶注模成型方法制备陶瓷微珠的过程中，制备高固含、低粘度的二氧化锆混合高分子浆料、如何将浆料分散成小液滴、小液滴如何在有限的时间内固化成凝胶球等方法仍有待于进一步探索和改善，微珠产品的性质和使用性能仍有待于提高。
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