在成型工艺之前,哪些混合系统有助于分散陶瓷粉末中的团聚体?
陶瓷粉末的解聚是成型工艺之前的重要步骤。软团聚体可能由范德华力、湿气、静电相互作用或润湿不充分而形成。若这些团聚体未被消除,则可能导致生坯及烧结体出现不均匀性、气孔、密度梯度或缺陷。而在合成或煅烧过程中已经形成的硬聚集体,往往无法在不损伤初级颗粒的情况下加以解聚。
合适的工艺取决于陶瓷材料是以低黏度泥浆、高浓度悬浮液、可塑性坯料,还是干态粉末的形式加工。团聚体强度、固含量、目标粒度、允许的外来磨损,以及后续成型工艺的要求,同样具有决定性意义。完全解聚并非在所有情况下都是目标:对于喷雾干燥压制颗粒料而言,明确的颗粒结构可能正是所期望的。此时,主要任务在于去除干扰性的粗颗粒或硬团聚体,而不会不必要地破坏可压制的颗粒结构。
对于低至中等黏度的泥浆及釉料,通常采用转子-定子系统。转子使悬浮液加速,同时将物料导入与定子之间的狭窄间隙。由此产生较高的局部剪切力和湍流,有助于润湿、混入及分散软团聚体。当需要将粉体引入液体并实现均匀分布时,转子-定子混合机尤其适用于快速的分批或在线处理步骤。但其效果取决于间隙几何形状、转速、循环次数、固含量及分散剂。对于非常坚硬的团聚体,或要求实现严格的细颗粒分布时,仅靠此类系统往往并不充分。
搅拌球磨机、珠磨机及棒磨机是陶瓷悬浮液精细及超细分散最有效的系统之一。由耐磨材料制成的研磨介质,可将撞击、剪切及摩擦力施加于团聚体,从而显著减小较为坚硬的团聚体。此类系统常用于氧化铝、氧化锆、碳化硅或其他高性能陶瓷悬浮液,当需要实现极其均匀的细颗粒分布时尤为适用。研磨介质材料必须与陶瓷相匹配,因为介质磨损可能导致污染。同时,研磨时间也必须加以限制并进行监控,以避免不必要地损伤初级颗粒、引发不良的相变,或产生过多细粉。例如,针对二氧化钛纳米颗粒的研究表明,研磨介质磨机和超声波均可用于解聚,但其效果在很大程度上取决于颗粒大小和固含量。
对于高黏度陶瓷坯料及注射成型料,例如陶瓷注射成型工艺,可考虑采用行星式混合机、双行星式混合机或捏合机。此类设备将大体积混合与较高的局部剪切及捏合作用结合在一起,从而能够均匀分布黏结剂、增塑剂及陶瓷粉末,并解聚已有的粉末团聚体。对于细颗粒且易团聚的粉末,制备陶瓷注射成型料时通常采用行星式或Z形捏合式混合机的批次工艺。均匀的黏结剂分布至关重要,因为它会影响注射成型料的流动特性以及烧结后的收缩行为。
按逆流原理运行的强力混合机,适用于干态、湿态或可塑性陶瓷坯料。旋转的混合容器与单独驱动的混合工具产生相对运动,包含撞击、摩擦及剪切成分,可用于混入各组分、分布水分或黏结剂,并破解软团聚体。但对于用于干压成型的喷雾干燥颗粒料,则须格外谨慎:强度过高会破坏刻意形成的颗粒结构,增加细粉比例,从而改变充填和压制行为。在此类应用中,混合强度和停留时间必须限制在实现所需产品调理所必要的范围内。
气流粉碎机可通过颗粒与颗粒之间以及颗粒与撞击面之间的碰撞,对干态粉末进行更细的粉碎,或解聚团聚体,尤其适用于不希望使用液体且需要窄粒度分布的场合。然而,气流粉碎机本质上是粉碎设备,而非单纯的混合机,因此也可能改变本应保留的初级颗粒或压制颗粒料。其应用主要适用于干态初级粉末,而不宜直接用于已加工完成的压制颗粒料。
超声波可支持细颗粒陶瓷悬浮液及纳米粉末的再分散。空化效应会在局部产生较大的力,可破解软性的二次团聚体。这一技术尤其常用于实验室、小批量场合,或作为后续的在线处理步骤。可实现的效果在很大程度上取决于声极几何形状、功率、处理时长、固含量、温度以及悬浮液的化学稳定化措施。超声波处理并非时间越长或强度越高就越有利,因为这可能导致颗粒重新团聚,或使悬浮液发生不必要的升温。对于氧化锆及其他氧化物纳米粉末,超声波已被证实是降低二次颗粒粒径的有效方法。
仅靠机械应力尚不能保证获得持久稳定的分散体系。分散助剂可降低界面张力、改善润湿性,并通过静电或空间位阻稳定作用限制颗粒的再团聚。分散剂、pH值、离子强度及加入顺序的选择,其重要性至少不亚于混合或研磨设备的选择。要获得稳定的陶瓷悬浮液,这些化学参数必须与固含量、颗粒表面特性及后续成型工艺相匹配。例如,对于氧化锆及氧化铝悬浮液,稳定化通常通过吸附聚电解质,并有针对性地调节颗粒间相互作用来实现。
工艺控制不应仅依赖于混合时间或电机功率。有意义的质量指标包括粒度分布、粗团聚体比例、黏度或流变曲线、沉降行为、胶体体系的Zeta电位、生坯密度以及烧结后的缺陷率。只有将合适的分散化学、匹配的能量输入及分析检验结合在一起,才能证明是否真正达到了所需的调制效果。
amixon®如此支持陶瓷粉末的解聚
在陶瓷加工过程中,必须对团聚体加以针对性处理。此处需区分由储存、湿气或润湿不充分而形成的软团聚体,与硬聚集体。软团聚体通常可通过适量的机械能量输入加以解聚;硬聚集体则可能需要更强力的处理方式或单独的研磨工艺。同时,例如喷雾干燥压制颗粒料所需的颗粒结构,也不应被不必要地破坏。
因此,amixon®将均质化与解聚这两项任务分开处理。SinConvex®或SinConcave®螺旋混合工具负责实现整批物料的三维翻转及宏观均质化。圆周速度及混合时长根据具体产品设定,以限制能量输入,并尽可能保持颗粒结构。完全排除升温或颗粒应力的情况并不能一概而论地予以保证;这两项指标均须针对具体的陶瓷粉末加以确定并进行监控。
若需要进行针对性解聚,可采用单独驱动的切割转子。切割转子在局部、受限的作业区域内工作,产生剪切、撞击及摩擦应力。其转速、配置及使用时长均可独立于主混合工具的转速进行调节,从而可将工艺从温和解聚软团聚体,一直调节到强力解聚。硬团聚体能否在不改变初级颗粒的前提下被解聚,取决于材料、固含量、湿度、团聚体强度及目标粒度。amixon®将切割转子描述为一项配置特点,可用于实现细化分布,以及将结块直至打散到初级颗粒。
若需要刻意保留现有的团聚体或颗粒结构,则可放弃使用切割转子,或将其使用限制在最低程度。此时,重点在于较低的混合强度、温和的工具几何形状以及相应调整的混合时间。对于敏感的粉末及颗粒料,根据批量大小不同,可选用立式单轴混合机、锥形混合机以及KoneSlid®混合机等。对于大批量的陶瓷坯料,可采用Gyraton®混合机。amixon®指出,Gyraton®混合机的典型批量约为10至100立方米。
陶瓷粉末可能具有很强的磨蚀性,因此amixon®根据具体应用提供防磨损结构方案,包括耐磨基材、采用钨或铬碳化物的堆焊硬化层、可更换的防护元件、陶瓷涂层,以及硬质合金或高性能陶瓷护板。合适的方案取决于陶瓷产品的硬度、粒度、产量、混合强度及允许的污染程度。尤其对于高纯度技术陶瓷而言,必须核实所选材料、涂层及可能产生的磨损,是否符合所要求的产品规格。
对amixon®而言,湿法加工主要在润湿、调制或反应之后需要进行干燥步骤时才具有重要意义。为此可采用真空混合干燥机及混合反应器,例如VMT或AMT系列。这些设备可处理粉末、悬浮液、糊状物及面团状物料,并将三维混合与温控及真空相结合。切割转子可在干燥过程中协助解聚,从而影响传热及传质效果。但若需要达到亚微米级别的严格精细分散要求,切割转子并不能从根本上取代湿法研磨或搅拌球磨机。
在正式设计之前,建议使用原始产品开展试验。在技术中心,可对混合工具、切割转子、转速、处理时长、填充率,以及必要时的温度或真空条件进行变化。评估内容除混合均匀度外,还应包括处理前后的粒度分布、粗团聚体比例、磨损情况、流动性、生坯密度,以及对后续成型和烧结工艺的影响。由此可以判断解聚效果是否充分,同时不会过度改变所需的颗粒或颗粒结构。