在陶瓷材料成型燒結之前素坯的成型對制品的性能有直接影響, 為了提高素坯的均勻性及干壓成型后的密度, 粉料的成型特性尤為重要,噴霧造粒技術被廣泛用于制備先進陶瓷粉料[1～2]。噴霧造粒后的粉料除了需要保證一定的粒度要求以外, 還需要:
(1)根據各種不同的組成要求進行混料;
(2)對成型粉料尤其用于連續自動成型的粉料要求有良好的流動性、成型性和化學均勻性。由于各種成分或添加劑的粒度、密度、分散性等各不相同,為保證混料過程中各組分之間的均勻分散, 對混合過程的濕化學工藝和條件需要進行嚴格的控制。如果采用簡單的混合-烘干- 過篩-造粒工藝路線, 粉料質量將很難保證。本文中采用壓力噴霧造粒的方式對SiC 粉體進行噴霧造粒處理,研究了噴霧造粒過程中工藝條件和漿料添加劑對粉料性能的影響。
1 試驗
1.1 漿料的制備過程
將亞微米級SiC粉、無水乙醇放入硬質塑料罐,然后分別將作為粘結劑、增塑劑和潤滑劑的有機添加劑酚醛樹脂、蔗糖脂、油酸按比例加入后濕法球磨1 h,然后再加入一定量的HT 樹脂再繼續球磨0.5 h得到穩定的漿料。漿料粘度測定使用NDJ- 1 型旋轉式粘度計,以確定合適的漿料固含量及有機添加劑的用量。
1.2 造粒及粉料性能檢測
噴霧造粒時, 為了保持漿料的均勻性, 利用磁力攪拌器邊攪拌邊進料。漿料通過低噴式壓力噴嘴霧化,按混流方式與熱空氣混合并被干燥形成顆粒粉料。干燥過程中主要控制的工藝參數有漿料的固含量、粘結劑的含量、進出口溫度、壓力及進料速率等。粉料的性能采用流動性及松裝密度測定儀測量其流動性和松裝密度,每個樣品測定3 次取平均值。顆粒形貌通過掃描電鏡(島津SS- 550)進行觀察和分析。
1.3 噴霧干燥粉料的性能
噴霧干燥制備的固相燒結碳化硅陶瓷粉料松裝密度為0.91 g/cm3, 流動性20s( 樣品量30g)。掃描電鏡觀察可以看出粒度的大致分布為: 60%～70%粉料的顆粒大小為50 μm, 為實心球形, 表面光滑, 粉料的流動性良好,可以滿足壓制成型的要求。粉料干壓成型后, 經2 150 ℃燒成, 密度為3.14 g/cm3。
2 結果討論
2.1 進出口溫度對SiC 造粒粉的影響
在干燥過程中, 進、出口溫度對干燥效率及干燥后粉料的性能有顯著影響。進口溫度過高, 會使塔頂熱空氣過熱,當霧滴升到高處遇到過熱空氣, 會降低粘結劑的效果, 最終影響粉料的壓制性能。
出口溫度過高, 霧滴能很快干燥, 可造成顆粒過細,松裝密度大, 同時也易造成噴嘴堵塞。溫度過低時, 霧滴中溶劑蒸發慢, 易出現粘壁現象, 且粉料顆粒強度不夠,破碎顆粒較多,流動性較差。試驗中還發現, 出口溫度對顆粒形態影響較大, 但由于不能通過對設備供熱系統的調節控制出口溫度,因此必須通過進料速度、漿料固含量的調節加以控制。最終得到的溫度條件為: 進口溫度110～125 ℃, 出口溫度70～80 ℃。 2.2 噴霧壓力及進料速率對SiC 造粒粉的影響
噴霧造粒時, 漿料通過壓力式噴嘴霧化形成霧滴, 熱空氣從頂部進入干燥塔, 霧滴與熱空氣先逆流然后順流混合,從而快速干燥。霧化壓力與霧滴大小成反比, 進料速率與霧滴大小成正比, 壓力較低及進料速率較大時, 霧化的霧滴較大,溶劑來不及蒸發,粉體顆粒雖然較大但水分含量高, 流動性差; 壓力過大, 進料速率較小時, 霧滴噴射高, 與頂部的高溫空氣接觸面大,溶劑蒸發過快, 導致顆粒破裂, 無法形成理想粒度的粉料。通過實驗確定, 壓力控制在0.08～0.1 MPa, 進料速率控制在100mL/min 是比較合適的。
2.3 固含量及粘結劑含量對SiC 造粒粉的影響
漿料的固含量及粘結劑含量對粉料流動性、粉料顆粒的形態有明顯影響。固體含量高, 可明顯增加球形粗顆粒的含量; 固體含量低,會形成大量空心顆粒, 造成粉料流動性的降低。同時, 固含量及粘結劑含量是影響漿料粘度的主要因素。固含量越高, 粘度越大,固含量在55%～60%之間出現粘度急劇增大的現象, 如圖1 所示[3]。同時當固含量確定時,增加粘結劑的含量也會導致漿料粘度的增大。漿料的固含量及粘度過低時, 細粉比例大, 顆粒強度差, 多數無法形成完整的球形顆粒,從而導致粉料的流動性很差。粘度過高, 噴嘴易堵塞且粘壁現象嚴重, 但粗顆粒得率高, 通過試驗發現, 漿料粘度在2 400～2800MPa·s 之間時進料較適宜。粘結劑含量在2.5%以下粒強度越大相互吸附力越小, 利于流動, 但尺寸大堆積時的空隙也大,使填充粉料密度減小。
在兩種相反因素作用下, 并考慮到漿料的粘度限制, 由粘結劑含量2.5%～5%、固含量55 %的漿料所制得的粉,松裝密度為0.91 g/cm3, 流動性20s( 樣品量30g) 。時對漿料粘度影響不明顯,并且有利于漿料的穩定。隨著粘結劑含量和漿料濃度的提高, 粉料的松裝密度也相應提高, 當粘結劑含量大于5%時, 松裝密度無明顯提高,但能形成流動性良好的球形顆粒, 顆粒的形貌如圖2 所示。一般團聚體粒子的尺寸越大、顆粒強度越大相互吸附力越小, 利于流動,但尺寸大堆積時的空隙也大, 使填充粉料密度減小。在兩種相反因素作用下, 并考慮到漿料的粘度限制, 由粘結劑含量2.5%～5%、固含量55%的漿料所制得的粉, 松裝密度為0.91 g/cm3, 流動性20s( 樣品量30g) 。
3 結論
在噴霧干燥的過程中, 漿料的固含量、黏度及黏結劑的含量,以及噴霧時的溫度和壓力對粉料的流動性、粉料顆粒的形貌等有顯著影響。
(1)根據各種不同的組成要求進行混料;
(2)對成型粉料尤其用于連續自動成型的粉料要求有良好的流動性、成型性和化學均勻性。由于各種成分或添加劑的粒度、密度、分散性等各不相同,為保證混料過程中各組分之間的均勻分散, 對混合過程的濕化學工藝和條件需要進行嚴格的控制。如果采用簡單的混合-烘干- 過篩-造粒工藝路線, 粉料質量將很難保證。本文中采用壓力噴霧造粒的方式對SiC 粉體進行噴霧造粒處理,研究了噴霧造粒過程中工藝條件和漿料添加劑對粉料性能的影響。
1 試驗
1.1 漿料的制備過程
將亞微米級SiC粉、無水乙醇放入硬質塑料罐,然后分別將作為粘結劑、增塑劑和潤滑劑的有機添加劑酚醛樹脂、蔗糖脂、油酸按比例加入后濕法球磨1 h,然后再加入一定量的HT 樹脂再繼續球磨0.5 h得到穩定的漿料。漿料粘度測定使用NDJ- 1 型旋轉式粘度計,以確定合適的漿料固含量及有機添加劑的用量。
1.2 造粒及粉料性能檢測
噴霧造粒時, 為了保持漿料的均勻性, 利用磁力攪拌器邊攪拌邊進料。漿料通過低噴式壓力噴嘴霧化,按混流方式與熱空氣混合并被干燥形成顆粒粉料。干燥過程中主要控制的工藝參數有漿料的固含量、粘結劑的含量、進出口溫度、壓力及進料速率等。粉料的性能采用流動性及松裝密度測定儀測量其流動性和松裝密度,每個樣品測定3 次取平均值。顆粒形貌通過掃描電鏡(島津SS- 550)進行觀察和分析。
1.3 噴霧干燥粉料的性能
噴霧干燥制備的固相燒結碳化硅陶瓷粉料松裝密度為0.91 g/cm3, 流動性20s( 樣品量30g)。掃描電鏡觀察可以看出粒度的大致分布為: 60%～70%粉料的顆粒大小為50 μm, 為實心球形, 表面光滑, 粉料的流動性良好,可以滿足壓制成型的要求。粉料干壓成型后, 經2 150 ℃燒成, 密度為3.14 g/cm3。
2 結果討論
2.1 進出口溫度對SiC 造粒粉的影響
在干燥過程中, 進、出口溫度對干燥效率及干燥后粉料的性能有顯著影響。進口溫度過高, 會使塔頂熱空氣過熱,當霧滴升到高處遇到過熱空氣, 會降低粘結劑的效果, 最終影響粉料的壓制性能。
出口溫度過高, 霧滴能很快干燥, 可造成顆粒過細,松裝密度大, 同時也易造成噴嘴堵塞。溫度過低時, 霧滴中溶劑蒸發慢, 易出現粘壁現象, 且粉料顆粒強度不夠,破碎顆粒較多,流動性較差。試驗中還發現, 出口溫度對顆粒形態影響較大, 但由于不能通過對設備供熱系統的調節控制出口溫度,因此必須通過進料速度、漿料固含量的調節加以控制。最終得到的溫度條件為: 進口溫度110～125 ℃, 出口溫度70～80 ℃。 2.2 噴霧壓力及進料速率對SiC 造粒粉的影響
噴霧造粒時, 漿料通過壓力式噴嘴霧化形成霧滴, 熱空氣從頂部進入干燥塔, 霧滴與熱空氣先逆流然后順流混合,從而快速干燥。霧化壓力與霧滴大小成反比, 進料速率與霧滴大小成正比, 壓力較低及進料速率較大時, 霧化的霧滴較大,溶劑來不及蒸發,粉體顆粒雖然較大但水分含量高, 流動性差; 壓力過大, 進料速率較小時, 霧滴噴射高, 與頂部的高溫空氣接觸面大,溶劑蒸發過快, 導致顆粒破裂, 無法形成理想粒度的粉料。通過實驗確定, 壓力控制在0.08～0.1 MPa, 進料速率控制在100mL/min 是比較合適的。
2.3 固含量及粘結劑含量對SiC 造粒粉的影響
漿料的固含量及粘結劑含量對粉料流動性、粉料顆粒的形態有明顯影響。固體含量高, 可明顯增加球形粗顆粒的含量; 固體含量低,會形成大量空心顆粒, 造成粉料流動性的降低。同時, 固含量及粘結劑含量是影響漿料粘度的主要因素。固含量越高, 粘度越大,固含量在55%～60%之間出現粘度急劇增大的現象, 如圖1 所示[3]。同時當固含量確定時,增加粘結劑的含量也會導致漿料粘度的增大。漿料的固含量及粘度過低時, 細粉比例大, 顆粒強度差, 多數無法形成完整的球形顆粒,從而導致粉料的流動性很差。粘度過高, 噴嘴易堵塞且粘壁現象嚴重, 但粗顆粒得率高, 通過試驗發現, 漿料粘度在2 400～2800MPa·s 之間時進料較適宜。粘結劑含量在2.5%以下粒強度越大相互吸附力越小, 利于流動, 但尺寸大堆積時的空隙也大,使填充粉料密度減小。
在兩種相反因素作用下, 并考慮到漿料的粘度限制, 由粘結劑含量2.5%～5%、固含量55 %的漿料所制得的粉,松裝密度為0.91 g/cm3, 流動性20s( 樣品量30g) 。時對漿料粘度影響不明顯,并且有利于漿料的穩定。隨著粘結劑含量和漿料濃度的提高, 粉料的松裝密度也相應提高, 當粘結劑含量大于5%時, 松裝密度無明顯提高,但能形成流動性良好的球形顆粒, 顆粒的形貌如圖2 所示。一般團聚體粒子的尺寸越大、顆粒強度越大相互吸附力越小, 利于流動,但尺寸大堆積時的空隙也大, 使填充粉料密度減小。在兩種相反因素作用下, 并考慮到漿料的粘度限制, 由粘結劑含量2.5%～5%、固含量55%的漿料所制得的粉, 松裝密度為0.91 g/cm3, 流動性20s( 樣品量30g) 。
3 結論
在噴霧干燥的過程中, 漿料的固含量、黏度及黏結劑的含量,以及噴霧時的溫度和壓力對粉料的流動性、粉料顆粒的形貌等有顯著影響。
