在陶瓷材料成型烧结之前素坯的成型对制品的性能有直接影响, 为了提高素坯的均匀性及干压成型后的密度, 粉料的成型特性尤为重要,喷雾造粒技术被广泛用于制备先进陶瓷粉料[1～2]。喷雾造粒后的粉料除了需要保证一定的粒度要求以外, 还需要:
(1)根据各种不同的组成要求进行混料;
(2)对成型粉料尤其用于连续自动成型的粉料要求有良好的流动性、成型性和化学均匀性。由于各种成分或添加剂的粒度、密度、分散性等各不相同,为保证混料过程中各组分之间的均匀分散, 对混合过程的湿化学工艺和条件需要进行严格的控制。如果采用简单的混合-烘干- 过筛-造粒工艺路线, 粉料质量将很难保证。本文中采用压力喷雾造粒的方式对SiC 粉体进行喷雾造粒处理,研究了喷雾造粒过程中工艺条件和浆料添加剂对粉料性能的影响。
1 试验
1.1 浆料的制备过程
将亚微米级SiC粉、无水乙醇放入硬质塑料罐,然后分别将作为 粘结剂、 增塑剂和润滑剂的有机添加剂酚醛树脂、蔗糖脂、油酸按比例加入后湿法球磨1 h,然后再加入一定量的HT 树脂再继续球磨0.5 h得到稳定的浆料。浆料粘度测定使用NDJ- 1 型旋转式 粘度计,以确定合适的浆料固含量及有机添加剂的用量。
1.2 造粒及粉料性能检测
喷雾造粒时, 为了保持浆料的均匀性, 利用磁力搅拌器边搅拌边进料。浆料通过低喷式压力 喷嘴雾化,按混流方式与热空气混合并被干燥形成颗粒粉料。干燥过程中主要控制的工艺参数有浆料的固含量、粘结剂的含量、进出口温度、压力及进料速率等。粉料的性能采用流动性及松装密度测定仪测量其流动性和松装密度,每个样品测定3 次取平均值。颗粒形貌通过 扫描电镜(岛津SS- 550)进行观察和分析。
1.3 喷雾干燥粉料的性能
喷雾干燥制备的固相烧结碳化硅陶瓷粉料松装密度为0.91 g/cm3, 流动性20s( 样品量30g)。扫描电镜观察可以看出粒度的大致分布为: 60%～70%粉料的颗粒大小为50 μm, 为实心球形, 表面光滑, 粉料的流动性良好,可以满足压制成型的要求。粉料干压成型后, 经2 150 ℃烧成, 密度为3.14 g/cm3。
2 结果讨论
2.1 进出口温度对SiC 造粒粉的影响
在干燥过程中, 进、出口温度对干燥效率及干燥后粉料的性能有显著影响。进口温度过高, 会使塔顶热空气过热,当雾滴升到高处遇到过热空气, 会降低粘结剂的效果, 最终影响粉料的压制性能。
出口温度过高, 雾滴能很快干燥, 可造成颗粒过细,松装密度大, 同时也易造成喷嘴堵塞。温度过低时, 雾滴中溶剂蒸发慢, 易出现粘壁现象, 且粉料颗粒强度不够,破碎颗粒较多,流动性较差。试验中还发现, 出口温度对颗粒形态影响较大, 但由于不能通过对设备供热系统的调节控制出口温度,因此必须通过进料速度、浆料固含量的调节加以控制。最终得到的温度条件为: 进口温度110～125 ℃, 出口温度70～80 ℃。 2.2 喷雾压力及进料速率对SiC 造粒粉的影响
喷雾造粒时, 浆料通过压力式喷嘴雾化形成雾滴, 热空气从顶部进入干燥塔, 雾滴与热空气先逆流然后顺流混合,从而快速干燥。雾化压力与雾滴大小成反比, 进料速率与雾滴大小成正比, 压力较低及进料速率较大时, 雾化的雾滴较大,溶剂来不及蒸发,粉体颗粒虽然较大但水分含量高, 流动性差; 压力过大, 进料速率较小时, 雾滴喷射高, 与顶部的高温空气接触面大,溶剂蒸发过快, 导致颗粒破裂, 无法形成理想粒度的粉料。通过实验确定, 压力控制在0.08～0.1 MPa, 进料速率控制在100mL/min 是比较合适的。
2.3 固含量及粘结剂含量对SiC 造粒粉的影响
浆料的固含量及粘结剂含量对粉料流动性、粉料颗粒的形态有明显影响。固体含量高, 可明显增加球形粗颗粒的含量; 固体含量低,会形成大量空心颗粒, 造成粉料流动性的降低。同时, 固含量及粘结剂含量是影响浆料粘度的主要因素。固含量越高, 粘度越大,固含量在55%～60%之间出现粘度急剧增大的现象, 如图1 所示[3]。同时当固含量确定时,增加粘结剂的含量也会导致浆料粘度的增大。浆料的固含量及粘度过低时, 细粉比例大, 颗粒强度差, 多数无法形成完整的球形颗粒,从而导致粉料的流动性很差。粘度过高, 喷嘴易堵塞且粘壁现象严重, 但粗颗粒得率高, 通过试验发现, 浆料粘度在2 400～2800MPa·s 之间时进料较适宜。粘结剂含量在2.5%以下粒强度越大相互吸附力越小, 利于流动, 但尺寸大堆积时的空隙也大,使填充粉料密度减小。
在两种相反因素作用下, 并考虑到浆料的粘度限制, 由粘结剂含量2.5%～5%、固含量55 %的浆料所制得的粉,松装密度为0.91 g/cm3, 流动性20s( 样品量30g) 。时对浆料粘度影响不明显,并且有利于浆料的稳定。随着粘结剂含量和浆料浓度的提高, 粉料的松装密度也相应提高, 当粘结剂含量大于5%时, 松装密度无明显提高,但能形成流动性良好的球形颗粒, 颗粒的形貌如图2 所示。一般团聚体粒子的尺寸越大、颗粒强度越大相互吸附力越小, 利于流动,但尺寸大堆积时的空隙也大, 使填充粉料密度减小。在两种相反因素作用下, 并考虑到浆料的粘度限制, 由粘结剂含量2.5%～5%、固含量55%的浆料所制得的粉, 松装密度为0.91 g/cm3, 流动性20s( 样品量30g) 。
3 结论
在喷雾干燥的过程中, 浆料的固含量、黏度及黏结剂的含量,以及喷雾时的温度和压力对粉料的流动性、粉料颗粒的形貌等有显著影响。
(1)根据各种不同的组成要求进行混料;
(2)对成型粉料尤其用于连续自动成型的粉料要求有良好的流动性、成型性和化学均匀性。由于各种成分或添加剂的粒度、密度、分散性等各不相同,为保证混料过程中各组分之间的均匀分散, 对混合过程的湿化学工艺和条件需要进行严格的控制。如果采用简单的混合-烘干- 过筛-造粒工艺路线, 粉料质量将很难保证。本文中采用压力喷雾造粒的方式对SiC 粉体进行喷雾造粒处理,研究了喷雾造粒过程中工艺条件和浆料添加剂对粉料性能的影响。
1 试验
1.1 浆料的制备过程
将亚微米级SiC粉、无水乙醇放入硬质塑料罐,然后分别将作为 粘结剂、 增塑剂和润滑剂的有机添加剂酚醛树脂、蔗糖脂、油酸按比例加入后湿法球磨1 h,然后再加入一定量的HT 树脂再继续球磨0.5 h得到稳定的浆料。浆料粘度测定使用NDJ- 1 型旋转式 粘度计,以确定合适的浆料固含量及有机添加剂的用量。
1.2 造粒及粉料性能检测
喷雾造粒时, 为了保持浆料的均匀性, 利用磁力搅拌器边搅拌边进料。浆料通过低喷式压力 喷嘴雾化,按混流方式与热空气混合并被干燥形成颗粒粉料。干燥过程中主要控制的工艺参数有浆料的固含量、粘结剂的含量、进出口温度、压力及进料速率等。粉料的性能采用流动性及松装密度测定仪测量其流动性和松装密度,每个样品测定3 次取平均值。颗粒形貌通过 扫描电镜(岛津SS- 550)进行观察和分析。
1.3 喷雾干燥粉料的性能
喷雾干燥制备的固相烧结碳化硅陶瓷粉料松装密度为0.91 g/cm3, 流动性20s( 样品量30g)。扫描电镜观察可以看出粒度的大致分布为: 60%～70%粉料的颗粒大小为50 μm, 为实心球形, 表面光滑, 粉料的流动性良好,可以满足压制成型的要求。粉料干压成型后, 经2 150 ℃烧成, 密度为3.14 g/cm3。
2 结果讨论
2.1 进出口温度对SiC 造粒粉的影响
在干燥过程中, 进、出口温度对干燥效率及干燥后粉料的性能有显著影响。进口温度过高, 会使塔顶热空气过热,当雾滴升到高处遇到过热空气, 会降低粘结剂的效果, 最终影响粉料的压制性能。
出口温度过高, 雾滴能很快干燥, 可造成颗粒过细,松装密度大, 同时也易造成喷嘴堵塞。温度过低时, 雾滴中溶剂蒸发慢, 易出现粘壁现象, 且粉料颗粒强度不够,破碎颗粒较多,流动性较差。试验中还发现, 出口温度对颗粒形态影响较大, 但由于不能通过对设备供热系统的调节控制出口温度,因此必须通过进料速度、浆料固含量的调节加以控制。最终得到的温度条件为: 进口温度110～125 ℃, 出口温度70～80 ℃。 2.2 喷雾压力及进料速率对SiC 造粒粉的影响
喷雾造粒时, 浆料通过压力式喷嘴雾化形成雾滴, 热空气从顶部进入干燥塔, 雾滴与热空气先逆流然后顺流混合,从而快速干燥。雾化压力与雾滴大小成反比, 进料速率与雾滴大小成正比, 压力较低及进料速率较大时, 雾化的雾滴较大,溶剂来不及蒸发,粉体颗粒虽然较大但水分含量高, 流动性差; 压力过大, 进料速率较小时, 雾滴喷射高, 与顶部的高温空气接触面大,溶剂蒸发过快, 导致颗粒破裂, 无法形成理想粒度的粉料。通过实验确定, 压力控制在0.08～0.1 MPa, 进料速率控制在100mL/min 是比较合适的。
2.3 固含量及粘结剂含量对SiC 造粒粉的影响
浆料的固含量及粘结剂含量对粉料流动性、粉料颗粒的形态有明显影响。固体含量高, 可明显增加球形粗颗粒的含量; 固体含量低,会形成大量空心颗粒, 造成粉料流动性的降低。同时, 固含量及粘结剂含量是影响浆料粘度的主要因素。固含量越高, 粘度越大,固含量在55%～60%之间出现粘度急剧增大的现象, 如图1 所示[3]。同时当固含量确定时,增加粘结剂的含量也会导致浆料粘度的增大。浆料的固含量及粘度过低时, 细粉比例大, 颗粒强度差, 多数无法形成完整的球形颗粒,从而导致粉料的流动性很差。粘度过高, 喷嘴易堵塞且粘壁现象严重, 但粗颗粒得率高, 通过试验发现, 浆料粘度在2 400～2800MPa·s 之间时进料较适宜。粘结剂含量在2.5%以下粒强度越大相互吸附力越小, 利于流动, 但尺寸大堆积时的空隙也大,使填充粉料密度减小。
在两种相反因素作用下, 并考虑到浆料的粘度限制, 由粘结剂含量2.5%～5%、固含量55 %的浆料所制得的粉,松装密度为0.91 g/cm3, 流动性20s( 样品量30g) 。时对浆料粘度影响不明显,并且有利于浆料的稳定。随着粘结剂含量和浆料浓度的提高, 粉料的松装密度也相应提高, 当粘结剂含量大于5%时, 松装密度无明显提高,但能形成流动性良好的球形颗粒, 颗粒的形貌如图2 所示。一般团聚体粒子的尺寸越大、颗粒强度越大相互吸附力越小, 利于流动,但尺寸大堆积时的空隙也大, 使填充粉料密度减小。在两种相反因素作用下, 并考虑到浆料的粘度限制, 由粘结剂含量2.5%～5%、固含量55%的浆料所制得的粉, 松装密度为0.91 g/cm3, 流动性20s( 样品量30g) 。
3 结论
在喷雾干燥的过程中, 浆料的固含量、黏度及黏结剂的含量,以及喷雾时的温度和压力对粉料的流动性、粉料颗粒的形貌等有显著影响。
