Смешивание — это этап подготовки к формованию в производстве керамики, который легко недооценить. Этап смешивания происходит после измельчения сырья и перед формованием (прессованием, экструзией или ленточным литьем). В результате получается однородная смесь керамического порошка, спекающих добавок, легирующих примесей и связующих веществ. Это напрямую определяет консистенцию и характеристики всего последующего процесса. Неравномерное смешивание означает неравномерное спекание, то есть изменение свойств в пределах партии или в пределах одного продукта.
Существуют два принципиально разных подхода к смешиванию для керамические порошкиСухое и влажное смешивание. Они различаются оборудованием, параметрами процесса, достижимой однородностью и областью применения. Выбор неправильного подхода для конкретной керамической системы является распространенной причиной проблем с производительностью, которые ошибочно приписываются качеству порошка или условиям спекания.
В данном руководстве рассматриваются основные типы оборудования для каждого подхода, ключевые параметры процесса, определяющие качество смешивания, а также то, как размер частиц исходного порошка, устанавливаемый на этапе измельчения перед смешиванием, влияет на результаты этапа смешивания.
Оборудование для сухого смешивания
Сухое смешивание используется для керамических систем, где влажная обработка нецелесообразна, где требуемая однородность достижима без жидкой среды или где состав включает термочувствительные или влагореактивные компоненты. Три основных типа оборудования для сухого смешивания керамики — это V-образные смесители, трехмерные смесители и высокоскоростные смесители.
| Оборудование | Принцип работы | Лучшее приложение |
| V-блендер | V-образный контейнер вращается вокруг горизонтальной оси. Порошок непрерывно расщепляется и рекомбинирует — конвективное перемешивание с низким сдвиговым усилием. Бережное воздействие; минимальное повреждение частиц; длительное время перемешивания. | Первоначальное смешивание основных компонентов и спекающих добавок, при котором необходимо сохранить форму частиц. Подходит для больших партий порошков с хорошей сыпучестью. |
| Трехмерный миксер | Контейнер одновременно движется, вращается и переворачивается в нескольких направлениях, создавая сильное турбулентное и диффузионное движение. Отсутствие застойных зон; короткое время перемешивания; высокая однородность. | Составы, требующие очень высокой однородности — порошки электронной керамики, многокомпонентные конструкционные керамические смеси. Заключительный этап гомогенизации перед добавлением связующего вещества. |
| Высокоскоростной миксер | Высокоскоростное вращение лопастей или импеллеров создает интенсивное сдвиговое воздействие и конвекцию. Очень быстро; высокая эффективность; но выделяет тепло и может вызывать агломерацию мелкодисперсных порошков. | Полусухое смешивание, когда необходимо распределить небольшое количество жидкого связующего или модификатора поверхности. Также используется для одновременного нанесения сухого поверхностного покрытия во время смешивания. |
Ограничения сухого смешивания
Сухое смешивание обеспечивает хорошую макроскопическую однородность, благодаря чему состав материала остается постоянным. Однако оно не может обеспечить однородность на молекулярном или атомном уровне, необходимую для высокоэффективной электронной керамики. В сухой смеси оксида алюминия и небольшого количества вспомогательного вещества для спекания MgO частицы MgO распределены среди частиц оксида алюминия, но не находятся в непосредственном контакте со всеми поверхностями оксида алюминия. В печи для спекания это означает, что MgO должен диффундировать через границы зерен, чтобы достичь и закрепить границы зерен оксида алюминия. Этот процесс требует достаточной температуры и времени и никогда не бывает идеально однородным.
Метод мокрого шарового измельчения, описанный в следующем разделе, решает эту проблему за счет совместного измельчения компонентов в жидкой среде, что приводит к распределению атомов вспомогательного вещества для спекания на уровне поверхности частиц, а не между ними.
Оборудование для мокрого смешивания
Влажное смешивание в жидкой среде — стандартный процесс для высокоэффективной электронной керамики и любых других применений. Именно здесь требуется однородность состава в субмикронном масштабе. Жидкая среда позволяет индивидуально диспергировать и распределять частицы. Это исключает электростатическую агломерацию и позволяет использовать химические диспергаторы, которые поддерживают равномерное распределение частиц на протяжении всего процесса смешивания.
Шаровая мельница (валковая и вибрационная)
Шаровая мельница является основным оборудованием для мокрого смешивания большинства керамических порошковых систем. Порошок, измельчающие элементы (обычно шарики из стабилизированного иттрием диоксида циркония диаметром 3-20 мм) и дисперсионная среда загружаются в мельничный сосуд. Сосуд вращается (валковая шаровая мельница) или вибрирует (вибрационная шаровая мельница), вызывая удары и истирание порошка измельчающими элементами. Это одновременно обеспечивает измельчение, разрушение агломератов и смешивание состава на уровне частиц.
Рабочая скорость имеет решающее значение. Для шаровой мельницы оптимальная рабочая скорость составляет 65-851 Нс от критической скорости (Нс), скорости, при которой центробежная сила прижимает мелющую массу к стенке емкости, препятствуя измельчению. Ниже 651 Нс энергия удара недостаточна; выше 851 Нс мелющая масса начинает центрифугироваться, и эффективность измельчения снижается. Соотношение шаров к порошку (масса мелющей массы к массе порошка) обычно составляет от 2:1 до 10:1. Более высокие соотношения увеличивают интенсивность измельчения и перемешивания, но также и энергопотребление и износ мелющей массы.
Время влажного шарового измельчения керамических порошков варьируется от 12 до 72 часов в зависимости от исходного размера частиц, целевой степени перемешивания и твердости материала. Достижение истинного смешивания добавок и спекающих присадок на молекулярном уровне — когда добавка равномерно распределена по поверхностям отдельных частиц — требует длительных периодов измельчения, обеспечивающих многократный контакт среды с частицами по всей системе.
Шариковая мельница (мельница с мешалкой)
В шаровой мельнице используется высокоскоростная внутренняя мешалка для перемещения очень мелких измельчающих шариков (обычно циркониевых шариков размером 0,1-0,5 мм) с интенсивной высокочастотной скоростью по суспензии. Интенсивность дисперсии и эффективность измельчения значительно выше, чем в обычной шаровой мельнице при эквивалентных затратах энергии, поскольку меньший размер шариков обеспечивает гораздо больше точек контакта на единицу объема, а перемешивание поддерживает постоянную скорость шариков по всей камере.
Шариковые мельницы являются стандартным оборудованием для диспергирования субмикронных и наноразмерных частиц — например, в диэлектрических пастах для многослойных керамических конденсаторов (MLCC), где размер частиц BaTiO3 менее 200 нм должен поддерживаться без образования твердых агломератов. Они также используются для предварительной обработки суспензий с высоким содержанием твердых частиц перед ленточным литьем, где узкое, хорошо диспергированное распределение частиц по размерам имеет решающее значение для получения бездефектной заготовки ленты.
Планетарная шаровая мельница
Планетарная шаровая мельница — это высокоэнергетический лабораторный инструмент для мелкосерийного производства. Каждая емкость вращается вокруг центральной оси, а также вращается вокруг своей оси, создавая центробежные силы, которые вызывают высокоэнергетическое ударное воздействие и измельчение. Энергия смешивания и измельчения значительно выше, чем в обычной шаровой мельнице с вращающимися лопастями. Планетарные шаровые мельницы используются для синтеза нанокомпозитных порошков, механического легирования и в областях применения, требующих максимально возможной однородности смешивания в малых объемах — как правило, в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах или при специализированном производстве до нескольких килограммов за партию.
Основные параметры процесса смешивания керамического порошка.
Соотношение шариков к порошку
Для шаровых мельниц соотношение массы мелющих тел к массе порошка является основным технологическим параметром. Более высокие соотношения (от 8:1 до 10:1) обеспечивают более интенсивное измельчение и перемешивание в единицу времени, но увеличивают энергопотребление и износ мелющих тел. Более низкие соотношения (от 2:1 до 4:1) являются более щадящими и используются, когда уменьшение размера частиц не является основной целью. Например, когда целью является диспергирование и гомогенизация уже мелкодисперсного порошка, а не дальнейшее уменьшение размера частиц. Оптимальное соотношение для конкретной системы определяется экспериментально путем измерения распределения частиц по размерам и однородности состава в зависимости от соотношения при фиксированном времени измельчения.
Выбор и загрузка диспергатора
При мокром смешивании диспергирующий агент добавляется в количестве 0,1-21 TP3T по весу порошка для предотвращения повторной агломерации во время измельчения. Диспергирующий агент действует путем адсорбции на поверхности частиц и создания либо электростатического отталкивания, либо стерического препятствия между частицами. Без эффективного диспергирующего агента частицы, измельченные мелющими элементами, немедленно повторно агломерируются, и смешивание не обеспечивает однородности состава за пределами макромасштаба.
Выбор диспергатора зависит от химического состава поверхности порошка, дисперсионной среды (водной или органической) и последующего технологического процесса — диспергаторы должны полностью удаляться во время выгорания связующего вещества, не оставляя остатков, ухудшающих эксплуатационные характеристики керамики. Для водных суспензий оксида алюминия часто используется полиакрилат аммония с pH 9-10. Для неводных систем с органической средой обычно применяются диспергаторы на основе фосфатных эфиров или рыбьего жира.
pH суспензии и дзета-потенциал
В водных суспензиях pH определяет поверхностный заряд керамических частиц (дзета-потенциал). В изоэлектрической точке — pH, при котором дзета-потенциал равен нулю, — частицы не испытывают электростатического отталкивания и наиболее легко агломерируются. Максимальная стабильность дисперсии достигается, когда дзета-потенциал превышает приблизительно +30 мВ или ниже -30 мВ. Для оксида алюминия изоэлектрическая точка составляет приблизительно pH 8-9; для диоксида титана — приблизительно pH 5-6; для диоксида циркония — приблизительно pH 6-7. Регулировка pH суспензии до значения, значительно отличающегося от изоэлектрической точки, в сочетании с соответствующим диспергирующим агентом, максимизирует стабильность дисперсии и однородность смешивания.
Последовательность добавления для многокомпонентных составов
При смешивании составов, содержащих следовые количества добавок или спекающих веществ (0,1-21 ТТ3Т от общей массы порошка), последовательность добавления имеет значение. Прямое добавление следовых компонентов к основному порошку создает проблемы статистического распределения: поскольку частиц следовых компонентов очень мало по сравнению с частицами основного порошка, для равномерного смешивания требуется непрактично большое количество контактов.
Стандартный подход заключается в поэтапном предварительном смешивании: сначала микрокомпонент смешивается с небольшой долей основного порошка (10-20% по весу) на отдельном этапе интенсивного смешивания для создания концентрированной предварительной смеси с тесным контактом между частицами микрокомпонента и основного порошка. Затем эта концентрированная предварительная смесь добавляется к оставшемуся основному порошку для окончательного смешивания. Концентрированная предварительная смесь распределяется более равномерно на заключительном этапе смешивания, чем исходный микрокомпонент.
Критические диапазоны параметров для мокрого шарового измельчения керамики
• Соотношение шариков к порошку: от 2:1 до 10:1 по массе — меньше для только дисперсии, больше для одновременного измельчения.
• Рабочая скорость: 65-851Т/3Т критической скорости (Нс) для шаровых мельниц.
• Размер частиц мелющей среды: 3-20 мм для шаровых мельниц (крупнее для более крупного помола, мельче для более мелкого); 0,1-0,5 мм для бисерных мельниц.
• Материал носителя: стабилизированный иттрием диоксид циркония (YSZ) — высокая твердость, низкий износ, низкое загрязнение для большинства керамических материалов.
• Время измельчения: 12-72 часа для мокрого шарового измельчения; определяется целевым распределением частиц по размерам и однородностью состава.
• Содержание диспергирующего вещества: 0,1-2% по весу порошка; оптимизация путем измерения дзета-потенциала и вязкости суспензии.
• Уровень pH суспензии: установите значение, значительно отличающееся от изоэлектрической точки; измерьте дзета-потенциал для подтверждения достаточной стабильности.
• Содержание твердых веществ: Оптимизировать для достижения наилучшей текучести и эффективности измельчения — обычно 30-55 об.% для шаровой мельницы.
Как размер частиц перед измельчением влияет на качество смешивания
Этап смешивания эффективен только при использовании материалов, полученных на этапе измельчения. Если керамический порошок, поступающий в смеситель, имеет широкое распределение частиц по размерам, высокое содержание агломератов или неравномерную площадь поверхности, процесс смешивания даст неоднородные результаты независимо от того, насколько хорошо сконфигурировано смесительное оборудование.
Три характеристики исходного порошка наиболее непосредственно влияют на результат смешивания. Во-первых, размер частиц и D97: если основной порошок и следовая добавка имеют очень разные размеры частиц, они будут разделяться при сухом смешивании, а более мелкий компонент будет избирательно удерживаться на поверхностях мелющих тел при мокром измельчении. Согласование значений D50 и D97 компонентов перед смешиванием значительно улучшает однородность. Во-вторых, твердость агломератов: мягкие агломераты могут быть разрушены во время мокрого шарового измельчения; твердые агломераты (образованные в результате спекания или химической связи) не могут быть разрушены смесительным оборудованием и будут сохраняться в виде неоднородностей состава в конечном смешанном порошке. В-третьих, удельная площадь поверхности: компоненты с очень разными удельными площадями поверхности требуют разного количества диспергирующего агента для стабильной суспензии — широкое распределение площадей поверхности по компонентам затрудняет оптимизацию диспергирующего агента.
Именно поэтому этап измельчения перед смешиванием так же важен, как и сам этап смешивания. Кольцевая роликовая мельница или струйная мельница, обеспечивающая стабильное значение D50, контролируемое значение D97 и низкое содержание агломератов в процессе смешивания, гарантирует успех всего процесса. Переменная или плохо контролируемая производительность измельчения обрекает на неудачу, независимо от качества смесительного оборудования.
Оборудование EPIC Powder Machinery для получения керамического порошка
Оборудование для сухого измельчения и классификации от компании EPIC Powder Machinery используется на этапе подготовки сырья для производства керамического порошка — для получения материала с контролируемым размером частиц, необходимого в процессах влажного и сухого смешивания.
- Кольцевая роликовая мельница (серия SRM): Для карбоната кальция, талька, барита, доломита и других неметаллических минеральных наполнителей, используемых в конструкционной и строительной керамике. Производит материал D97 с размером частиц от 45 микрон (325 меш) до 5 микрон (2500 меш) за один проход с интегрированным воздушным классификатором с частотно-регулируемым приводом. Низкое содержание железа при контакте с высокохромистыми сплавами или керамическими изнашивающимися деталями. Подходит для этапа подготовки функционального наполнителя перед сухим смешиванием.
- Струйная мельница с псевдоожиженным слоем (серия MQW): Для высокочистых порошков оксида алюминия, диоксида циркония, карбида кремния, нитрида бора и других технических керамических материалов, где недопустимо загрязнение металлами от мелющих тел. Измельчение частиц друг о друга без контакта с мелющими телами — нулевое попадание металла на этапе измельчения. Возможность использования азотной атмосферы для керамики, чувствительной к окислению. Обеспечивает D50 от 0,5 до 15 микрон со встроенным классификатором для точного контроля D97.
- Классификатор воздуха (серии ITC, MBS, CTC): Для модернизации существующих потоков керамического порошка путем удаления крупных фракций, повышения качества D97 или разделения частиц разного размера из одного потока. Особенно полезно, когда производителю керамического порошка необходимо обрабатывать несколько спецификаций на одной линии измельчения.
Этап измельчения не заменяет этап смешивания. Он подготавливает для него исходное сырье. Например, кольцевая валковая мельница, производящая однородный наполнитель из карбоната кальция с размером частиц 10 микрон (D97), или струйная мельница, производящая контролируемый оксид алюминия с размером частиц 2 микрона (D50). Она обеспечивает последующую шаровую мельницу мокрого действия или трехмерный сухой смеситель однородным, готовым к диспергированию исходным материалом, от которого зависит качество смешивания.
Готовите керамический порошок к смешиванию? Начните с правильного размера частиц.
Оборудование для сухого измельчения и классификации от EPIC Powder Machinery используется производителями керамических порошков для подготовки исходного материала. Оно точно соответствует необходимым значениям D50 и D97 перед этапом смешивания. Будь то кольцевая валковая мельница для карбоната кальция с размером частиц 325-2500 меш или струйная мельница для высокочистых порошков электронной керамики.
Сообщите нам, какой керамический материал вы используете, целевое значение D50 до смешивания, объем производства и ограничения по загрязнению, и мы порекомендуем подходящую конфигурацию измельчения.
Запросите бесплатную консультацию по технологическому процессу: www.nonmetallic-ore.com/contact
Ознакомьтесь с нашим оборудованием для измельчения керамического порошка: www.nonmetallic-ore.com
Эпический порошок
В Эпический порошокМы предлагаем широкий выбор моделей оборудования и разрабатываем индивидуальные решения, отвечающие вашим конкретным потребностям. Наша команда имеет более чем 20-летний опыт в обработке различных порошков. Компания Epic Powder специализируется на технологиях обработки мелкодисперсных порошков для горнодобывающей, химической, пищевой, фармацевтической промышленности и т.д. Свяжитесь с нами сегодня для бесплатной консультации и получения индивидуальных решений!
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с онлайн-представителем EPIC Powder. Зельда для любых дальнейших запросов».
— Эмили Чен, Инженер