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陶瓷粉在干燥过程中产生团聚的原因是什么?
2018年12月21日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:232
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当粉体粒径尺寸达到纳米量级时,就会展现出许多特有的性质。因此在特种陶瓷工业,纳米陶瓷粉体制备成为了大家趋之若鹜的新天地。由于传统的粉体制备方法机械粉磨的极限在0.15μm左右,粒度有限,因此湿化学方法就成为了目前制备纳米粉体的最常见方法,其中又以共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法最为常见。

 

不过既然享受了湿化学方法带来的组分含量易控制、粉体粒径分布窄和形貌规整等优点,同时也要承受其带来的一些麻烦——采用湿化学方法制备的超细粉体,往往会发生有害的团聚,且必须进行干燥处理。

 

 

分散良好&聚成一团

 

但问题是,若陶瓷粉体在干燥过程中发生团聚怎么办?

 

一、产生团聚的原因

超细粉体团聚情况按成因分类可分为两种:一是硬团聚,二是软团聚

目前普遍认为软团聚是不可避免的,它们多是因物理作用引起的如静电引力、范德华力等较弱的力聚合在一起而形成的团聚。而硬团聚则是指原料在煅烧或者高温处理过程中由于产生较强的化学键合形成的微粒团的情况,一般外力难以将它拆开,需经过特殊工艺才能消除。

 

 

粉体软团聚体(左)与硬团聚体(右)的结构示意图

 

陶瓷粉体在干燥过程中发生团聚的原因有两方面,一是由于颗粒小而使得表能大,二是胶体在液体挥发过程中由于固液界面的存在以及液体的表面张力作用很容易发生凝胶孔的塌陷及颗粒的聚集长大

 

譬如说当使用外加热的方法来进行干燥时(普通干燥箱),介质的气化过程会在团聚体的表面进行,虽说内部的液体可以通过毛细管输送到表面,但同时粉体间毛细管力的作用不可避免,最后引起粉体团聚的现象,影响了超细粉体的使用价值。

 

 

团聚的粉体

 

二、团聚的解决方法

由于陶瓷粉体团聚会导致烧结成品的品质无法保证,因此需要采取一定的工艺以减少或者消除粉体团聚体对成品质量的影响。解决陶瓷粉体在干燥过程中团聚问题的关键,就在于要选用合适的干燥方法目前人们在超细粉末制备过程中探讨了多种在干燥阶段抑制和消除团聚的方法。

 

1、有机溶剂置换法

有机溶剂置换法是一种比较常用的防团聚方法,其原理是通过利用表面张力小的有机溶剂置换颗粒表面吸附的水分,使颗粒聚结所产生的毛细管力降低。常用的溶剂有乙醇、丙酮、正丁醇,看下表可知,水的表面张力是它们其中最大的,其余几种溶剂的表面张力大约只有水表面张力的1/3左右。

 

几种溶剂的表面张力

溶剂

表面张力/N·m-1

74.6×108

乙醇

22.3×108

丙酮

23.4×108

正丁醇

24.6×108

 

有机溶剂置换法有两个过程使团聚得到控制,一是用有机溶剂来置换沉淀中夹杂的水分,这样可以很大程度减轻因毛细管力而引起的颗粒聚集;二是用醇类置换了粒子表面的配位水分子,烷氧基取代颗粒表面的非架桥羟基,增大了粒子间的空间位阻消除了化学键作用,使团聚得到控制。

 

2、冷冻干燥法

冷冻干燥一般有两种方法:一种是对凝胶直接抽成真空等气液平衡后,水分逐渐地蒸发使得温度降低;第二种是将凝胶快速冷却然后再抽成真空使冰直接升华成蒸汽。

 

 

冷冻干燥设备

 

冷冻干燥法脱水主要是利用了水的特性以及温度与表面能的关系。在相变过程中的膨胀力分开相互靠近的颗粒,颗粒的重新聚集被形成的固态冰有效阻止。冰升华后,由于没有水的表面张力作用,固相颗粒不会过分靠近,因此避免了硬团聚的发生

 

冰冻干燥方法在应用中的优点是可获得的粉末纯度高,化学均匀性好,粒径分布比较及中国等。但它应用于工业时设备投资较高,工艺控制过程也比较复杂。

 

3、共沸蒸馏法

采用沸点比水高的正丁醇与粉体充分混合搅拌进行共沸蒸馏,水和正丁醇在92.7℃可以形成共沸混合物,其中水的含量大约为94.5%。当体系温度上升至正丁醇的沸点117℃后,胶体中包裹的水分最大限度地被脱除,从而避免了在随后的干燥和煅烧阶段硬团聚的产生。

 

王金敏,高濂改进原有工艺,采用了减压蒸馏技术,很大程度的降低体系的沸点,在较低的温度甚至可以在室温下进行水分子的脱除,成功制备出了单分散的超细氧化锌粉体。缺点是正丁醇回收比较复杂,工业化存在难度。

 

4、超临界流体干燥法

超临界流体是指物质的温度高于其临界温度,压力也高于临界压力的一种特殊状态的物质。由于超临界流体的物理性质和化学性质介于液体和气体之间,因此兼具二者特点,如它的密度与液体接近但粘度与气体相近;扩散系数比液体高出百倍;在临界状态下气液界面和表面张力消失。运用超临界流体干燥技术在脱除水分的同时样品分子的原有序列不会受影响,这样就能得到团聚少的非常规纳米产物。

 

 

从右上角可看出超临界流体的扩散系数比液体高许多

 

5、喷雾干燥法

喷雾干燥是系统化技术应用于物料干燥的一种方法,于干燥室中将稀料经雾化后,在与热空气的接触中,水分迅速气化,即得到干燥产品,该法能直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品,可省去蒸发、粉碎等工序。

 

 

 

由于喷雾干燥法将乳浊液或者溶液喷出雾化的速度快,使得团聚从时间和空间上失去了可能性,但是该法需要专用设备,有较高的操作条件和过程控制要求,得到细微粉末比较困难。

 

6、超声波空化

在陶瓷粉体的干燥过程中,超声波的空化作用所产生的高温高压可以使水分子的蒸发变得快速,并且使吸附在凝胶表面的水分子减少。另外超声波空化作用可以产生的冲击波和微射流对粉体具有粉碎作用,可以将已经形成的团聚体击碎,然后释放出所包合的水分子使阻止氢键形成变得有可能,从而达到防止团聚得目的。

 

 

超声过程中,空化泡的爆裂会在极短的时间内在周围的极小空间内产生瞬间的高温(~5000K)和高压(~1.8×108Pa)

 

资料来源:

超细粉体的团聚机理和表征及消除,王觅堂,李梅,柳召刚,胡艳宏。

激波等离子法制备纳米氧化锆及表征,侯毅峰。

 

粉体圈 作者:小榆

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