纳米钛酸钡颗粒砂磨分散工艺研究_敖宏.pdf

佛 山 陶 瓷2023 年第 1 期（第 318 期）1引 言随着多层陶瓷电容器（MLCC）的小型化，用于介电层部分的钛酸钡瓷粉颗粒尺寸越来越小，因此对颗粒分散的要求日益提高。瓷粉用于制作浆料时，需要加入溶剂、粘结剂、分散剂等然后进行分散，随着分散的进行，附着、凝聚、增粘等问题都随之而来。因此选择适当的分散条件以保证分散作业的顺利进行是非常有必要的。达到分散目的的方法主要是对粉体颗粒施加外力，具体由砂磨机分散、高压分散、超声波分散等。其中砂磨机最初应用于油墨、涂料等化工，逐渐发展成为无机纳米材料常用的一种分散手段。使用超细磨球（一般指直径 0.10m 以下），可以提高磨球撞击频率，进而提高效率，同时由于每次撞击能量较小而减少对结晶性的破坏。然而，砂磨实践过程中，对于根据分散目的、分散物质强度选择适当的磨球的方法却不是十分明确。本论文对砂磨时磨球的选择及流量设定的方法进行初步探讨。2实验的方法及设备2.1 使用的材料固相法制备的纳米钛酸钡粉体（BaTiO3:比表面积7.0m2/g）。所使用的粉体使用 SEM 电镜观察的结果见图 1，其粒径信息见表 1。溶剂：甲乙酮（MEK）和丙酮（IPA）混合液。分散剂：共荣社化学 G-700 型高分子分散剂。2.2 使用的砂磨机所使用的砂磨机为广岛金属的立式砂磨机（UAM），外观及结构图见图 2。2.3 分散处理工艺顺序在浆料储存罐中加入溶剂，然后按照溶剂质量比40wt%量加入瓷粉颗粒，再加入相对于瓷粉质量 5wt%的分散剂，搅拌 30min，即可以进行砂磨循环。砂磨机中添加磨球的粒径分别为：0.03mm，0.05mm，0.10mm，转速选择 6.0m/s,7.5m/s,9.0m/s。2.4 评价方法考察对象为砂磨后的 D50，使用激光粒度仪进行测纳米钛酸钡颗粒砂磨分散工艺研究敖宏，彭文（广东微容电子科技有限公司,云浮527200）摘 要：本文研究了使用砂磨机进行纳米颗粒分散时的流量设定和磨球选择。为了确保砂磨过程中磨球不会逸出或者聚集在砂磨机的一端，浆料在研磨腔体中的上升速度应小于浆料液面上升速度，因此使用不同粒径的磨球都有最大限制流量。研磨过程的分散效率采用田中粉碎方程进行计算，结合实验结果可以计算出被粉碎钛酸钡颗粒的粉碎强度，结合分散效率的曲线可计算出适当的磨球粒径，实验中要达到较高的分散效率，所需的磨球粒径为0.080.10mm。关键词：砂磨机；磨球粒径；浆料流量；钛酸钡图 1 实验用钛酸钡粉体表 1 实验用粉体粒径数据粒径类型D10（um）D60（um）D90（um）SSA（m2/g）SEM径0.0860.1570.2837.00微光径0.1940.2960.447图 2 砂磨机外观、构造及单罐循环状态图81Vol.33No.01（Serial No.318）FOSHAN CERAMICS图 4 浆料颗粒 D50 随研磨时间的推移（a）6.0 m/s(b)7.5 m/s(c)9.0m/s量（掘场 LA960）,测试时使用浆料体积比 10 倍的乙醇进行稀释，然后直接进行测试。3结果与讨论3.1 流量范围的选择砂磨过程中浆料在砂磨机腔体中上升，磨球在浆料中下降。如果浆料上升的速度大于磨球下降的速度则会出现磨球逸出或者聚集在分离器附近，降低砂磨效率，并可能导致磨腔内部压力过高，影响砂磨机的连续运行。磨球在浆料中的下降速度以 Stokes 方程进行计算：Stokes:v=D2p（ps-pt）g18（1）Dp磨球粒径；ps磨球密度；pl浆料；u粘度实测砂磨过程中的粘度变化范围为 3-5cP，计算中取最大值 5cP，浆料的密度取 1.4g/cm3磨腔的横截面积255cm2，磨球密度取 6.01g/cm3，各种粒径计算结果见表 2。实验中为便于进行对比，各条件的流量均选用120ml/min。3.2 磨球粒径与砂磨机转速对分散效率的影响使用 0.03，0.05 和 0.10mm 磨球，分别采用（a）6.0m/s,(b)7.5m/s 和(c)9.0m/s 的研磨速度对钛酸钡颗粒进行分散，D50 随分散时间的变化关系见图 4 所示。使用不同直径的锆球达到目标粒径（0.15um）所需时间不同，6.0m/s 条件下 0.10mm 达到目标粒径时间最短，9.0m/s 条件下 0.03mm 所需时间最短。无论在哪种转速条件下，分散结束时所能达到的最小 D50 随磨球粒径减小而减小。随着砂磨时间的延长，凝聚体被充分解碎、分散，分散剂未附着的表面增加，高活性的表面会重新凝聚，分散剂一定的情况下，分散末期会产生颗粒凝聚。同一台砂磨机的条件下，分散动力及单颗磨球冲击动力按照以下方法定义：分散动力=实际运行的动力不加入磨球的状态运行所需动力单颗磨球冲击力=分散动力/磨球颗数相同的加入重量的情况下 0.05mm 磨球数量是0.10mm 磨球的 8.1 倍，但是单颗磨球的冲击能量是 1/11(6.0m/s 条件下实测),故在此条件下 0.05mm 磨球的分散效能是相同重量 0.10mm 的 73%。分散效能与磨球冲击频率及冲击能量密切相关，分散效能（R）参照田中粉碎公式进行计算。Rv2（bD）exp（stbD2v）（2）式中 st为材料的破碎强度，b 为材料的粒径，D 为磨球直径，v 为砂磨机转速，为磨球密度。根据上述公式，在（a）6.0m/s(b)7.5m/s 和(c)9.0m/s 转速的条件下将分散效能 R 与磨球粒径的关系曲线做出，然后将实验中实测的数据放入图中，见图 5。图 3 磨球沉降速度表 2 各粒径允许最大流量计算表磨球直径（mm)磨球沉降速度（cm/s)允许浆料上升速度(cm/s)最大允许流量(ml/min）0.030.0440.00661200.050.1220.01831800.100.4880.07321320图 5 各种转速条件下研磨效率与磨球直径相关性（a）6.0 m/s(b)7.5 m/s(c)9.0m/s82佛 山 陶 瓷2023 年第 1 期（第 318 期）富陶瓷产品种类、规范设计管理、创新数字化生产模式、建立数字化传播媒介、数字博物馆和虚拟网络市场等方面，促进数字技术在陶瓷产品设计、制造与传播中深度应用，是数字化时代陶瓷产业发展的必然趋势。参考文献1 陈思颖.数字化技术在日用陶瓷设计中的应用研究D.山东:山东大学,2011.2 刘倩.三维数字化技术在陶瓷产品设计中的应用 J.设计,2015(19):118-119.3 吴小萍.论数字化技术对现代陶瓷设计的促进作用J.艺术教育,2016(2):209-210.（上接第74页）Research on Dispersion Process of Nanoparticles BaTiO3by Beads MillHONG Ao,WEN Peng(Guangdong Viiyong Electronic Technology CO.,LTD.,Yunfu Guangdong527200)Abstract:In the dispersion of agglomerated oxide nanoparticles BaTiO3by a beads mill,a method for determining both flow rate and optimumbeads size was investigated.The maximum flow rate of slurry depends on the sinking speed of the grinding balls in the slurry,in order to preventthe grinding balls from escaping or collecting near the separator,the flow rate must be less than the sinking speed of the grinding balls.Therelationship between the optimum bead size and the breaking strength of agglomerated nanoparticles for each circumferential speed wasestimated from the comparison between experimental results at different bead sizes,and the equation suggested by Tanaka.The strength of theBaTiO3particles can be calculated based on the experimental results.The appropriate size of beads can be calculated based on the curve of thedispersion efficiency.For dispersion efficiency,the required particle size of the grinding ball is 0.080.10mm.Keywords:Beads mill；Bead size；Flow rate of slurry；Barium titanate本次实验的数据与=800Pa 的曲线在各转速条件一致性均较好，故推定本次实验所使用的粉体的粉碎强度为 800Pa。根据上述结果，对于本次实验所选粉体颗粒最适合磨球直径为 0.080.10mm，此时砂磨机分散效率可以达到最佳。此外，线速度提升对于小粒径磨球分散效率提升效果更明显（见图 6）。4小结（1）砂磨机运行时的流速上限由磨球沉没速度决定，磨球较小时可使用的流速上限较低。（2）本实验中所用钛酸钡粉体的研磨强度约 800Pa,根据研磨目标适合的磨球为 0.080.10mm。参考文献1Parfitt,G.D.Ed.:“Dispersion of Powders in Liquids”pplied SciencePublishers Ltd.(1981)2Inkyo,M.andT.Tahara:“DispersionofAgglomeratedNanoparticles by Fine Beads Mill”,J.Soc.Powder Technol.,Japan,41,578-585(2004)3Yoden,H.and N.Itoh:“Effect of Small Size Beads on Dispersion ofNanometer-Sized Silica Particle by Wet Beads Mill Process”,J.Soc.Powder Technol.,Japan,41,457-464(2004)4Kobayashi,T.:“Pigment Dispersion in Solvent systems”,J.Japan.Soc.Colour Mater.,77,375-379(2004)图 6 转速提升对不同粒径磨球分散效率的影响83