CN110845233A - 一种超细氧化锆磨球的制备方法 - Google Patents

一种超细氧化锆磨球的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超细氧化锆磨球的制备方法：首先采用砂磨将纳米氧化锆粉末分散，然后在分散后的浆料中添加絮凝剂，使纳米氧化锆颗粒聚集形成疏松絮状的聚集体，从而抑制其在喷雾造粒过程中形成空心或异形结构，浆料经喷雾造粒制得多孔结构造粒粉末，造粒粉末经烧结、研磨后，可制成致密超细氧化锆磨球。本发明通过解决纳米粉末在喷雾造粒过程中形成空心或异形结构问题，使得氧化锆超细磨球能够采用工业中成熟的喷雾造粒工艺来制备，具有成本低、效率高、制品性能好等优点。

Description

一种超细氧化锆磨球的制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷材料领域，具体涉及一种超细氧化锆磨球的制备方法。
背景技术
随着涂料、油墨、纳米精细陶瓷等工业的不断发展，对原料的细度要求越来越高，诸多产品对原料的细度要求甚至达到了100nm以内。为了实现对上述超细原料的研磨，需要制备出粒径在0.3mm以内的高性能研磨介质。
氧化锆陶瓷具有高的密度、高的强度、高的硬度、高的断裂韧性以及优异的耐磨损和耐化学腐蚀性能，用于研磨介质时，具有研磨效率高、寿命长、对产品污染小等特点，是目前性能最优异的研磨介质。
传统的氧化锆磨球制备方法，主要有滚球法、等静压成型法、凝胶滴定成型法、溶胶凝胶法和搅拌成型法等。其中，滚球法和等静压成型法如中国专利201010187597.7，201811185831.5，200710116340.0等，一般只能制备直径大于0.5mm的磨球；溶胶凝胶法如中国专利201611094181.4等，需使用昂贵的有机原材料，产品成本高，污染大；凝胶滴定成型法如中国专利201510629431.9，200680006597.4，201210371349.7，201610174094.3，201710057229.2等，虽然可以制备出直径在0.2mm左右的磨球，但是由于一次滴定只能制备一个磨球，生产效率低，并且由于小粒径磨球重量轻，在滴定时易变形；搅拌成型法如中国专利201710943691.2等，需要高压条件下进行高速搅拌，设备成本高，安全风险大，并且在高速搅拌的环境下制备的磨球缺陷多，产品合格率低。
喷雾造粒是一种可以制备直径小于0.3mm球形粉末的低成本、高效工艺方法。现阶段，采用喷雾造粒法来制备超细氧化锆磨球的主要问题是，由于制备超细磨球需要采用超细原粉，该类粉末质量小，喷雾造粒时，在水分蒸发所形成的毛细管力的作用下，粒子向液滴表面迁移，最终形成的是空心或苹果型、洋葱圈型的粉末，上述结构的粉末在烧结后无法形成高密度的球形磨球。
为了改善纳米氧化锆喷雾造粒后的粉末结构，中国专利201080059614.7在制备氧化锆- 氧化铝复合陶瓷微球时，采用增大第二相(氧化铝)粉末比表面积的方法，来防止形成空心颗粒。但是，由于不同比表面积的粉末在浆料中的沉降性能不同，浆料中的成分难以均匀，导致该种方法制备的磨球之间性能存在较大的差异；中国专利201510869405.3借签了凝胶注模工艺的原理，采用凝胶浆料进行喷雾造粒，制备出0.1mm左右的氧化锆磨球，该种方法的缺点主要有两个，一是凝胶单体有一定的毒性，不利于操作者的健康，并可能对环境产生污染；另外，凝胶浆料的粘度易受环境温度等影响而产生波动，导致所制备的颗粒尺寸不稳定。还有研究者采用有机溶剂如酒精等，在极低的进口温度下，将纳米氧化锆粉末喷雾造粒成实心球形粉末，但由于该种方法使用的是有机溶剂，在制备浆料、喷雾造粒阶段均需要密封处理，导致设备昂贵，安全管理成本极高；也有研究者采用喷雾冷冻干燥法来制备多孔的实心纳米氧化锆造粒粉末，但是喷雾冷冻干燥法需要在低温、真空下缓慢的排除粉末中的水分，导致粉末的制备成本极高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种超细氧化锆磨球的制备方法，该方法解决了水基纳米氧化锆粉末在喷雾造粒过程中形成空心或异形结构的问题，从而可以低成本制备出超细高密度氧化锆磨球。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种超细氧化锆磨球的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将部分稳定的纳米氧化锆粉末、去离子水、分散剂混合均匀得到浆料；
步骤二、采用砂磨机将浆料磨细至颗粒尺寸200nm以内；
步骤三、在磨细后的浆料中加入絮凝剂，并低速搅拌均匀；
步骤四、在搅拌均匀后的浆料中加入粘接剂，继续低速搅拌均匀；
步骤五、对步骤四中所述浆料进行喷雾干燥处理，得到粒料；
步骤六、将步骤五中所述粒料置于烧结炉中进行烧结处理；
步骤七、将烧结好的氧化锆磨球毛坯进行抛光和分筛，得到不同粒径的成品氧化锆陶瓷磨球。
作为本发明的一种改进，所述步骤一中所述浆料的固含量为(20～25)％，分散剂为聚丙烯酸胺，用量为纳米氧化锆粉末重量的(0.8～1.0)％；该方案中添加絮凝剂，在水中离解后，其高分子基团一端吸附在纳米颗粒表面，另一端相互缠绕，将浆料中的纳米颗粒连接成疏松絮状的聚集体。在喷雾造粒时，一方面，纳米颗粒之间通过高分子基团被相互牵制，另一方面，疏松絮状聚集体之间也相互摩擦形成阻碍，从而抑制了纳米颗粒向表面迁移，避免形成空心粉末。
作为本发明的一种改进，步骤三中所述絮凝剂为阴离子型聚丙烯酰胺，分子量为10000-12000，用量为纳米氧化锆粉末重量的(0.6～0.8)％；搅拌速度为30转/分钟。
作为本发明的一种改进，步骤四中所述粘接剂为丙烯酸树脂，用量为纳米氧化锆粉末重量的2％；搅拌速度为30转/分钟。
作为本发明的一种改进，步骤五中喷雾造粒时，进口温度为(360～380)℃，出口温度为(110～120)℃，转速(6000～12000)转/分钟。
作为本发明的一种改进，步骤六中的烧结制度为升温速率不高于60℃/h，并在400℃时保温2h，1500℃下保温2h。
为了将工业中大量应用的喷雾干燥造粒技术用于制备超细氧化锆磨球，就必需解决纳米粉末在造粒时形成的空心或异形结构问题。本发明的核心是在固含量相对较低的纳米氧化锆浆料中添加少量的聚丙烯酰胺；聚丙烯酰胺为日常工业中常用的絮凝剂，在水中离解后，其高分子基团一端吸附在纳米氧化锆颗粒表面，另一端相互缠绕，将浆料中的纳米氧化锆颗粒连接成疏松絮状的聚集体。在喷雾造粒时，一方面，纳米氧化锆颗粒之间通过高分子基团被相互牵制，另一方面，疏松絮状聚集体之间也相互摩擦形成阻碍，从而抑制了纳米氧化锆颗粒向表面迁移，避免形成空心或异形结构粉末；所制备的球形粉末经高温烧结后，即可得到致密的氧化锆磨球。
与现阶段其它制备超细氧化锆磨球的工艺相比，本发明采用的是成熟的喷雾干燥造粒工艺，具有投入小，效率高，所制成的磨球圆度高，破碎率低等优点，并且，可以通过控制喷雾干燥的转速，来控制所制备磨球的直径位于(0.05～0.25)mm之间。本发明使用的阴离子型聚丙烯酰胺为日常工业中常用的絮凝剂，价格便宜，用量低，不会明显增加成本，是一种低成本制备超细氧化锆磨球的方法。
附图说明
图1为本发明一种超细氧化锆磨球加入絮凝剂时制备的粉末表面和截面SEM照片；
图2为本发明一种超细氧化锆磨球烧结后的表面和截面SEM照片；
图3为对比例没有加入絮凝剂时制备的粉末表面和截面SEM照片。
其中：附图1-图3中，左面为表面图，右面为截面图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
参见图1、图2、图3，其中每幅图的左为表面图，右为截面图，一种超细氧化锆磨球,其制备方法包括如下：
步骤一：将氧化钇含量为5.2wt％的纳米氧化锆粉末和去离子水按1：4混合,并加入氧化锆粉末重量1％的聚丙烯酸胺分散剂，混合均匀得到浆料；
步骤二：采用砂磨机研磨浆料，直至浆料中的颗粒尺寸小于200nm；
步骤三：在磨细后的浆料中加入阴离子型聚丙烯酰胺，加入量为纳米氧化锆粉末重量的0.6％，采用30转/分钟的搅拌速度搅拌至均匀；
步骤四：在浆料中继续加入丙烯酸树脂，加入量为纳米氧化锆粉末重量的2％，继续采用30转/分钟的搅拌速度搅拌至均匀；
步骤五：浆料进行喷雾干燥处理，得到造粒料；造粒时的进口温度为360℃，出口温度为110℃，转速12000转/分钟；
步骤六：将造粒料置于烧结炉中，升温速率为60℃/h，并在400℃下保温2h，1500℃下保温2h，烧结完成后自然冷却；
步骤七：将烧结后的粉末进行抛光和筛分，得到超细氧化锆磨球。
本发明实施例通过喷雾干燥造粒制备的一种超细氧化锆磨球的SEM照片如附图1、附图2和附图3所示。其中，附图3是按本发明除步骤三外的所有步骤配制的浆料，也即没有加入絮凝剂的浆料进行的喷雾造粒，以和本发明加入絮凝剂浆料后喷雾造粒的产品进行对比。
附图1左是粉末的表面SEM照片，从图中可以看出，本发明实施例制备的粉末外观为球形，从附图1右截面SEM可以看出，粉末内部为多孔结构；附图2左是本发明实施例制备的造粒粉末烧结后表面SEM照片，从图中可以看出，烧结后粉末表面变得光滑，从附图 2右截面SEM可以看出，粉末内部形成了致密的结构。附图3左是没有加入絮凝剂的浆料经喷雾造粒形成粉末的表面SEM照片，从图中可以看出，没有加入絮凝剂的浆料，形成的是异形颗粒，从附图3右截面SEM可以看出，粉末为空心结构；
采用本实施例制备的氧化锆磨球，经抛磨后，测得其压缩强度为1220MPa，密度为6.02g/cm3，致密度大于99％，直径大于或等于0.05mm的磨球占87％，可分筛和研磨成不同粒径的磨球，整体收率高。
实施例2：一种超细氧化锆磨球,其制备方法包括如下：
步骤一：将氧化钇含量为5.2wt％的纳米氧化锆粉末和去离子水按1：3.5混合,并加入氧化锆粉末重量0.9％的聚丙烯酸胺分散剂，混合均匀得到浆料；
步骤二：采用砂磨机研磨浆料，直至浆料中的颗粒尺寸小于200nm；
步骤三：在磨细后的浆料中加入阴离子型聚丙烯酰胺，加入量为纳米氧化锆粉末重量的0.7％，采用30转/分钟的搅拌速度搅拌至均匀；
步骤四：在浆料中继续加入丙烯酸树脂，加入量为纳米氧化锆粉末重量的2％，继续采用30转/分钟的搅拌速度搅拌至均匀；
步骤五：浆料进行喷雾干燥处理，得到造粒料；造粒时的进口温度为360℃，出口温度为110℃，转速9000转/分钟；
步骤六：将造粒料置于烧结炉中，升温速率为60℃/h，并在400℃下保温2h，在1500℃下保温2h，烧结完成后自然冷却；
步骤七：将烧结后的粉末进行抛光和筛分，得到超细氧化锆磨球。
采用本实施例制备的氧化锆磨球，经抛磨后，测得其压缩强度为1240MPa，密度为6.03g/cm3，直径大于或等于0.12mm的占79％，直径大于或等于0.05mm的占94％，可分筛和研磨成不同粒径的磨球，整体收率高。
实施例3：一种超细氧化锆磨球,其制备方法包括如下：
步骤一：将氧化钇含量为5.2wt％的纳米氧化锆粉末和去离子水按1：3混合,并加入氧化锆粉末重量0.8％的聚丙烯酸胺分散剂，混合均匀得到浆料；
步骤二：采用砂磨机研磨浆料，直至浆料中的颗粒尺寸小于200nm；
步骤三：在磨细后的浆料中加入阴离子型聚丙烯酰胺，加入量为纳米氧化锆粉末重量的0.8％，采用30转/分钟的搅拌速度搅拌至均匀；
步骤四：在浆料中继续加入丙烯酸树脂，加入量为纳米氧化锆粉末重量的2％，继续采用30转/分钟的搅拌速度搅拌至均匀；
步骤五：浆料进行喷雾干燥处理，得到造粒料；造粒时的进口温度为360℃，出口温度为110℃，转速6000转/分钟；
步骤六：将造粒料置于烧结炉中，升温速率为60℃/h，并在400℃下保温2h，在1500℃下保温2h，烧结完成后自然冷却；
步骤七：将烧结后的粉末进行抛光和筛分，得到超细氧化锆磨球。
采用本实施例制备的氧化锆磨球，经抛磨后，测得其压缩强度为1250MPa，密度为6.04g/cm3，直径大于或等于0.2mm的占45％，直径大于或等于0.05mm的占95％，可分筛和研磨成不同粒径的磨球，整体收率高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种超细氧化锆磨球的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将部分稳定的纳米氧化锆粉末、去离子水、分散剂混合均匀得到浆料；
步骤二、采用砂磨机将浆料磨细至颗粒尺寸200nm以内；
步骤三、在磨细后的浆料中加入絮凝剂，并低速搅拌均匀；
步骤四、在搅拌均匀后的浆料中加入粘接剂，继续低速搅拌均匀；
步骤五、对步骤四中所述浆料进行喷雾干燥处理，得到粒料；
步骤六、将步骤五中所述粒料置于烧结炉中进行烧结处理；
步骤七、将烧结好的氧化锆磨球毛坯进行抛光和分筛，得到不同粒径的成品氧化锆陶瓷磨球。
2.根据权利要求1所述的一种超细氧化锆磨球的制备方法，其特征在于，步骤一中所述浆料的固含量为(20～25)％，分散剂为聚丙烯酸胺，用量为纳米氧化锆粉末重量的(0.8～1.0)％。
3.根据权利要求2所述的一种超细氧化锆磨球的制备方法，其特征在于，步骤三中所述絮凝剂为阴离子型聚丙烯酰胺，分子量为10000-12000，用量为纳米氧化锆粉末重量的(0.6～0.8)％；搅拌速度为30转/分钟。
4.根据权利要求1所述的一种超细氧化锆磨球的制备方法，其特征在于，步骤四中所述粘接剂为丙烯酸树脂，用量为纳米氧化锆粉末重量的2％；搅拌速度为30转/分钟。
5.根据权利要求1所述的一种超细氧化锆磨球的制备方法，其特征在于，步骤五中喷雾造粒时，进口温度为(360～380)℃，出口温度为(110～120)℃，转速(6000～12000)转/分钟。
6.根据权利要求1所述的一种超细氧化锆磨球的制备方法，其特征在于，步骤六中的烧结制度为升温速率不高于60℃/h，并在400℃时保温2h，1500℃下保温2h。
7.根据权利要求2所述的一种超细氧化锆磨球的制备方法，其特征在于，所述分散剂的用量为纳米氧化锆粉末重量的0.9％。
8.根据权利要求3所述的一种超细氧化锆磨球的制备方法，其特征在于，所述絮凝剂的用量为纳米氧化锆粉末重量的0.7％。
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