CN112210346A - 一种季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种季铵化球形a‑氧化铝@γ‑氧化铝复合磨粒的制备方法，先利用含有端基官能团的硅烷偶联剂对球形a‑氧化铝进行改性，进一步与叔胺反应得到球形a‑氧化铝季铵化产物，并带上正电荷；最后利用静电引力和氢键作用力，使得带负电荷的不规则形貌的γ‑氧化铝粒子在球形a‑氧化铝季铵化产物表面发生吸附，得到核壳型季铵化球形a‑氧化铝@γ‑氧化铝复合磨粒。采用该复合磨粒对手机陶瓷盖板进行抛光，与常规不规则形貌的a‑氧化铝磨粒相比，本发明磨粒能够有效阻止抛光损伤和抛光缺陷的发生；与球形a‑氧化铝相比，本发明季铵化球形a‑氧化铝@γ‑氧化铝复合磨粒的抛光速率提高了50％以上，本发明磨粒对手机陶瓷盖板体现出优异的“高速率、高精度”抛光特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种手机陶瓷盖板抛光用氧化铝复合磨粒及其制备方法，特别是一种季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒及其制备方法，属表面抛光加工技术领域。
背景技术
随着无线充电的应用以及5G通信技术的到来，陶瓷具有硬度高(是玻璃的2倍)、抗刮耐磨、电磁信号穿透能力强、外观优美等优良特性，成为理想的下一代智能手机后盖板材料，具有巨大的市场和广阔的应用前景。目前已在小米、Android、华为P7、苹果AppleWatch等品牌的高端机型上得到应用。一个超光滑平坦的陶瓷表面，不仅是美化产品、获得良好手感的需要，更是保证产品质量、延长工件使用寿命的重要影响因素。
表面抛光是手机陶瓷盖板制造中的关键工序之一。但陶瓷由于具有熔点高、硬度高、脆性大、裂纹敏感性强等特性，其加工困难。与金属材料相比，陶瓷抛光效率低、缺陷水平高。目前加工效率低、表面缺陷水平高而导致良率低是手机陶瓷盖板产业化的主要障碍之一。
抛光液作为抛光加工中的主要抛光载体，一直是所有研究者的研究重点。抛光液主要由磨粒和化学试剂(表面活性剂、催化剂、氧化剂等)所构成。磨粒是抛光液的基础与关键成分，磨粒的种类、结构、硬度、粒度、形貌等物化指标显著影响其抛光性能。
氧化铝是抛光加工中经常采用的无机磨粒，目前商品氧化铝主要有为不规则形貌的a-氧化铝、球形形貌的a-氧化铝、不规则形貌的γ-氧化铝等。不规则形貌的a-氧化铝磨粒，硬度高、抛光中的摩擦力大，抛光速率较高，但产生的表面缺陷较多，不能满足手机陶瓷盖板的表面精度要求；球形形貌的a-氧化铝外形圆滑、抛光中的摩擦力小，不规则形貌的γ-氧化铝硬度低、机械作用较弱。球形形貌的a-氧化铝和不规则形貌的γ-氧化铝虽然具有较好的表面精度、不会造成抛光损伤，但抛光效率低下，难以满足陶瓷盖板工业量产的需求。
发明内容
本发明的目的在于解决现有氧化铝磨粒抛光速率和抛光精度不能兼得的难题，提供一种具有多晶相、多形貌氧化铝颗粒组成的季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒，包括季铵化球形a-氧化铝的内核，以及不规则形貌的γ-氧化铝外壳。
一种季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的制备方法，包括如下步骤：
S01：在带回流装置的三口烧瓶中，加入甲苯溶剂，搅拌条件下加入球形a-氧化铝粉体，搅匀并持续搅拌条件下滴加带有端基官能团的硅烷偶联剂，加热到90～100℃，反应2～4小时，离心分离并沉淀，依次用苯、丙酮各洗涤2次，抽滤并沉淀，室温真空干燥，得到带有端基官能团的球形a-氧化铝硅烷偶联剂改性粉末；
S02：在带回流装置的三口烧瓶中，加入乙腈溶剂，搅拌条件下加入球形a-氧化铝硅烷偶联剂改性粉末，搅拌均匀，滴加叔胺有机物，加热到70～80℃，搅拌反应2～4小时，离心分离并沉淀，用乙醇洗涤3次，抽滤并沉淀，室温真空干燥，得到球形a-氧化铝季铵化改性粉末；
S03：将所述球形a-氧化铝季铵化改性粉末溶于去离子水中，配制成5Wt％浓度的混合物，球磨1小时，得到5Wt％浓度的季铵化球形a-氧化铝分散液；
S04：按照所述S03中球磨参数，制备5Wt％浓度的γ-氧化铝分散液；
S05：搅拌条件下，将所述5Wt％浓度的γ-氧化铝分散液以小于等于5ml/min的滴加速度，加入到所述5Wt％浓度的季铵化球形a-氧化铝分散液中，滴加完毕，继续搅拌2～3小时，充分混合得到季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的分散液。
进一步地，所述步骤S01中：球形a-氧化铝粉体、甲苯溶剂、硅烷偶联剂等的质量比为：5：100：10。
进一步地，所述步骤S01中球形a-氧化铝粉体为颗粒直径范围为0.5～2微米且具有球形形貌的a-氧化铝；所述带有端基官能团的硅烷偶联剂为γ-氯丙基三甲氧基硅烷或3-(2.3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
进一步地，所述步骤S02中球形a-氧化铝硅烷改性物粉体、乙腈溶剂、叔胺有机物等的质量比为：5：100：10。
进一步地，所述步骤S02中：采用的叔胺有机物为C10～C18烷基二甲基叔胺。
进一步地，所述步骤S04中γ-氧化铝粉体为颗粒直径为0.1～1微米且具有不规则形貌的γ-氧化铝。
进一步地，所述步骤S05中：5Wt％浓度的γ-氧化铝分散液相对5Wt％浓度的季铵化球形a-氧化铝分散液混合时的质量比为1：10～1：2。
本发明具有如下有益效果：本发明利用含有端基官能团的硅烷偶联剂对球形a-氧化铝进行改性，进一步与叔胺反应得到球形a-氧化铝季铵化产物，并带上正电荷；最后利用静电引力和氢键作用力，使得带有负电荷的不规则形貌的γ-氧化铝粒子在正电荷的球形a-氧化铝季铵化产物表面发生吸附，得到核壳型季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝核壳型复合磨粒；该复合磨粒内核为坚硬的、圆滑的a-氧化铝，外壳为软的、不规则的γ-氧化铝，与坚硬的不规则a-氧化铝相比，机械摩擦减少、可避免不规则a-氧化铝对陶瓷表面的高损伤，提高抛光精度；与圆滑的球形a-氧化铝、低硬度的γ-氧化铝相比，复合磨粒分别提高了抛光接触面积、颗粒硬度，从而提高了抛光速率；本发明制得的含有季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的抛光液，应用于手机陶瓷盖板的抛光中，可显著提高抛光速率，并保持了球形a氧化铝磨粒、γ-氧化铝的抛光精度，达到了“高效率、高精度”的抛光效果。
具体实施方案
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒，所述复合磨粒为以季铵化球形a-氧化铝为内核、不规则形貌的γ-氧化铝为外壳组成的多晶相、核壳型复合磨粒。
本发明提供的一种季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的制备方法，通过磨粒的表面季铵化改性、颗粒之间的表面吸附等过程进行制备，其方法步骤如下：
S01：在带回流装置的三口烧瓶中，加入一定量的甲苯溶剂，搅拌下，加入一定量的球形a-氧化铝粉体，搅匀并持续搅拌下，滴加一定量的带有端基官能团的硅烷偶联剂，加热到90～100℃，反应2～4小时，离心分离，沉淀依次用苯、丙酮各洗涤2次，抽滤，沉淀在室温真空干燥，得到带有端基官能团的球形a-氧化铝硅烷偶联剂改性产物。其中，球形a-氧化铝粉体、甲苯溶剂、硅烷偶联剂等的质量比为：5：100：10；采用的球形a-氧化铝粉体为颗粒直径范围为0.5～2微米理想球形形貌的a-氧化铝；采用的带有端基官能团的硅烷偶联剂为γ-氯丙基三甲氧基硅烷或3-(2.3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
S02：在带回流装置的三口烧瓶中，加入一定量的乙腈溶剂，搅拌下加入以上步骤S01得到的球形a-氧化铝改性产物，粉体搅匀后，滴加一定量的叔胺有机物，加热到70～80℃，搅拌反应2～4小时，离心分离，沉淀用乙醇洗涤3次，抽滤，沉淀在室温真空干燥，得到球形a-氧化铝季铵化改性产物。其中，球形a-氧化铝硅烷改性物粉体、乙腈溶剂、叔胺有机物等的质量比为：5：100：10；采用的叔胺有机物为C10～C18烷基二甲基叔胺。
S03：将步骤S02得到的季铵化球形a-氧化铝粉体，以去离子水为溶剂，配制5Wt％浓度的混合物，球磨1小时，得到5Wt％浓度的季铵化球形a-氧化铝分散液。
S04：按照步骤S03同样的球磨条件，制备5Wt％浓度的γ-氧化铝分散液，备用。其中，采用的γ-氧化铝粉体为颗粒直径为0.1～1微米不规则形貌的γ-氧化铝。
S05：搅拌条件下，将5Wt％浓度的γ-氧化铝分散液以一定比例和不超过5ml/min的滴加速度，加入到5Wt％浓度的季铵化球形a-氧化铝分散液中，滴加完毕，继续搅拌2～3小时，充分混合得到季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的分散液。其中，5Wt％浓度的γ-氧化铝分散液相对5Wt％浓度的季铵化球形a-氧化铝分散液混合时的质量比为1：10～1：2。
上述制备好的磨粒通过如下方法制备为抛光液：采用步骤S05制得的5Wt.％浓度的复合磨粒分散液，搅拌下依次加入0.2％聚醚表面活性剂、0.3％商品HM抛光促进剂，搅匀、过滤除去大颗粒，得到5.0wt.％浓度的季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的抛光液。
采用以上季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒制备的抛光液，用于手机陶瓷盖板的抛光中，抛光速率可达4微米/小时以上，表面粗糙度可达到5纳米左右，日光灯下无明显缺陷与损伤。
以下通过具体实施例和比较例对本发明进行进一步解释说明：
实施例1
本实施例提供一种季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒抛光液的制备方法，通过表面季铵化改性、颗粒之间的表面吸附等过程制备，其方法步骤如下：
S01：在带回流装置的三口烧瓶中，加入1000克甲苯溶剂，搅拌下，加入50克粒径0.5微米的球形a-氧化铝粉体，搅匀并持续搅拌下，滴加100克γ-氯丙基三甲氧基硅烷偶联剂，加热到90～100℃，反应2～4小时，离心分离，沉淀依次用苯、丙酮各洗涤2次，抽滤，沉淀在室温真空干燥，得到带有氯丙基端基的球形a-氧化铝硅烷偶联剂改性产物。
S02：在带回流装置的三口烧瓶中，加入1000克乙腈溶剂，搅拌下加入以上的球形a-氧化铝改性产物，粉体搅匀后，滴加100克C10烷基二甲基叔胺，加热到70～80℃，搅拌反应2～4小时，离心分离，沉淀用乙醇洗涤3次，抽滤，沉淀在室温真空干燥，得到球形a-氧化铝季铵化改性产物。
S03：称取50克步骤S02得到的季铵化球形a-氧化铝粉体，加入到950克去离子水中，搅匀，球磨1小时，得到5Wt％浓度的季铵化球形a-氧化铝分散液。
S04：称取50克粒径0.1微米的γ-氧化铝粉体，，加入到950克去离子水中，搅匀，按照步骤S03同样的球磨条件，制备5Wt％浓度的γ-氧化铝分散液，备用。
S05：搅拌条件下，将100克步骤S04中制备的5Wt％浓度的γ-氧化铝分散液，以5ml/min的滴加速度，加入到步骤S03中制备的1000克5Wt％浓度的季铵化球形a-氧化铝分散液中，滴加完毕，继续搅拌2～3小时，充分混合得到γ-氧化铝：球形a-氧化铝＝1:10的季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的分散液。
S06：季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒抛光液的制备。采用步骤S05制得的5Wt.％浓度的复合磨粒分散液，搅拌下依次加入0.2％聚醚表面活性剂、0.3％商品HM抛光促进剂，搅匀、过滤除去大颗粒，得到0.1微米γ-氧化铝：0.5微米球形a-氧化铝＝1:10的5.0wt.％季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的抛光液。
实施例2
同实施例1，只是步骤S01中采用的球形a-氧化铝为2微米粒径的球形a-氧化铝，偶联剂为3-(2.3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷；步骤S02中叔胺有机物为C18烷基二甲基叔胺；步骤S04中γ-氧化铝为粒径为1微米的γ-氧化铝粉体。
实施例3
同实施例1，只是步骤S01中采用的球形a-氧化铝为1微米粒径的球形a-氧化铝；步骤S02中叔胺有机物为C12烷基二甲基叔胺；步骤S04中γ-氧化铝为粒径为0.5微米的γ-氧化铝粉体；步骤S05中γ-氧化铝分散液相对球形a-氧化铝分散液的混合比例为γ-氧化铝：球形a-氧化铝(重量比)＝1:2。
实施例4
同实施例1，只是步骤S01中采用的球形a-氧化铝为1微米粒径的球形a-氧化铝；步骤S04中γ-氧化铝为粒径为0.2微米的γ-氧化铝粉体；步骤S05中得到γ-氧化铝分散液相对球形a-氧化铝分散液的混合比例为γ-氧化铝：球形a-氧化铝(重量比)＝1:5。
比较例1
一种粒径为1微米的球形a-氧化铝磨粒抛光液的制备方法，其方法步骤如下：
S01称取50克粒径为1微米的球形a-氧化铝粉体，加入到950克去离子水中，搅匀，球磨1小时，制备5Wt％浓度的球形a-氧化铝分散液。
S02在以上制得的5Wt.％浓度的球形a-氧化铝分散液中，搅拌下依次加入0.2％聚醚表面活性剂、0.3％商品HM抛光促进剂，搅匀、过滤除去大颗粒，得到5Wt％浓度的粒径为1微米球形a-氧化铝抛光液。
比较例2
一种粒径为0.5微米的不规则形γ-氧化铝磨粒抛光液的制备方法，其方法步骤同比较例1，只是采用的氧化铝粉体为0.5微米的不规则形貌的γ-氧化铝。
比较例3
一种粒径为1微米的不规则形a-氧化铝磨粒抛光液的制备方法，其方法步骤同比较例1，只是采用的氧化铝粉体为1微米的不规则形貌的a-氧化铝。
使用上述各实施例1-4和比较例1-3的抛光液在一定抛光条件下对手机陶瓷盖板进行抛光试验。抛光条件如下：
抛光机：UNIPOL-1000S自动压力研磨抛光机；
抛光工件：边长为80.0mm×80.0mm白色氧化锆手机陶瓷片；
抛光垫：SUBA-800抛光垫；
抛光压力：5kg；
下盘转速：70rpm；
抛光时间：2h；
抛光结束后，对氧化锆陶瓷进行洗涤、干燥，并通过分析天平确定氧化锆陶瓷抛光前后的质量差，进而计算氧化锆陶瓷的抛光速率；采用ZYGO表面形貌仪来测量氧化锆陶瓷的表面形貌和平均粗糙度(Ra)，测试范围为100μm×100μm。
各实施例和比较例抛光液以及其对氧化锆手机陶瓷片的抛光效果，汇总见表1。从表1可见，比较例3中的不规则形貌的a-氧化铝磨粒抛光缺陷多、抛光粗糙度大，不适合手机陶瓷盖板的抛光。与比较例1-2中球形a-氧化铝、γ-氧化铝抛光液相比，实施例1-4的抛光速率均明显增加，增长幅度均在50％以上。所有实施例的表面粗糙度与比较例1-2的粗糙度相差不大，并且日光灯下均无明显缺陷与损伤。
表1.本发明各实施例和比较例氧化铝磨粒对手机陶瓷盖板的抛光效果
总之，与常规a-氧化铝、γ-氧化铝等商品磨粒相比，本发明的季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒用于手机陶瓷盖板的抛光，抛光速率可达4微米/小时以上，表面粗糙度可达到5纳米左右，没有出现微观缺陷，同时达到了“高速率、高精度”的抛光效果。
Claims (8)
1.一种季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒，其特征在于，包括季铵化球形a-氧化铝的内核，以及不规则形貌的γ-氧化铝外壳。
2.一种季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：在带回流装置的三口烧瓶中，加入甲苯溶剂，搅拌条件下加入球形a-氧化铝粉体，搅匀并持续搅拌条件下滴加带有端基官能团的硅烷偶联剂，加热到90～100℃，反应2～4小时，离心分离并沉淀，依次用苯、丙酮各洗涤2次，抽滤并沉淀，室温真空干燥，得到带有端基官能团的球形a-氧化铝硅烷偶联剂改性粉末；
S02：在带回流装置的三口烧瓶中，加入乙腈溶剂，搅拌条件下加入球形a-氧化铝硅烷偶联剂改性粉末，搅拌均匀，滴加叔胺有机物，加热到70～80℃，搅拌反应2～4小时，离心分离并沉淀，用乙醇洗涤3次，抽滤并沉淀，室温真空干燥，得到球形a-氧化铝季铵化改性粉末；
S03：将所述球形a-氧化铝季铵化改性粉末溶于去离子水中，配制成5Wt％浓度的混合物，球磨1小时，得到5Wt％浓度的季铵化球形a-氧化铝分散液；
S04：按照所述S03中球磨参数，制备5Wt％浓度的γ-氧化铝分散液；
S05：搅拌条件下，将所述5Wt％浓度的γ-氧化铝分散液以小于等于5ml/min的滴加速度，加入到所述5Wt％浓度的季铵化球形a-氧化铝分散液中，滴加完毕，继续搅拌2～3小时，充分混合得到季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的分散液。
3.根据权利要求2所述季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的制备方法，其特征在于，所述步骤S01中：球形a-氧化铝粉体、甲苯溶剂、硅烷偶联剂等的质量比为：5：100：10。
4.根据权利要求2所述季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的制备方法，其特征在于，所述步骤S01中球形a-氧化铝粉体为颗粒直径范围为0.5～2微米且具有球形形貌的a-氧化铝；所述带有端基官能团的硅烷偶联剂为γ-氯丙基三甲氧基硅烷或3-(2.3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
5.根据权利要求2所述季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的制备方法，其特征在于，所述步骤S02中球形a-氧化铝硅烷改性物粉体、乙腈溶剂、叔胺有机物等的质量比为：5：100：10。
6.根据权利要求2所述季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的制备方法，其特征在于，所述步骤S02中：采用的叔胺有机物为C10～C18烷基二甲基叔胺。
7.根据权利要求2所述季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的制备方法，其特征在于，所述步骤S04中γ-氧化铝粉体为颗粒直径为0.1～1微米且具有不规则形貌的γ-氧化铝。
8.根据权利要求2所述季铵化球形a-氧化铝@γ-氧化铝复合磨粒的制备方法，其特征在于，所述步骤S05中：5Wt％浓度的γ-氧化铝分散液相对5Wt％浓度的季铵化球形a-氧化铝分散液混合时的质量比为1：10～1：2。
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