Công đoạn trộn là một bước chuẩn bị trước khi tạo hình trong sản xuất gốm sứ mà thường dễ bị đánh giá thấp. Bước trộn diễn ra sau khi nghiền nguyên liệu thô và trước khi tạo hình (ép, đùn hoặc đúc màng). Sản phẩm đầu ra là hỗn hợp đồng nhất gồm bột gốm, chất trợ thiêu kết, chất phụ gia và chất kết dính. Điều này quyết định trực tiếp đến tính nhất quán và hiệu suất của tất cả các công đoạn tiếp theo. Trộn không đồng đều dẫn đến thiêu kết không đồng đều, gây ra sự biến đổi về tính chất trong cùng một mẻ sản phẩm hoặc trong toàn bộ sản phẩm.
Có hai phương pháp trộn hoàn toàn khác nhau cho bột gốm: trộn khô và trộn ướt. Chúng khác nhau về thiết bị, thông số quy trình, độ đồng nhất đạt được và khả năng ứng dụng. Việc lựa chọn sai phương pháp cho một hệ gốm cụ thể là nguyên nhân phổ biến gây ra các vấn đề về hiệu suất, thường bị quy kết sai cho chất lượng bột hoặc điều kiện thiêu kết.
Hướng dẫn này bao gồm các loại thiết bị chính cho mỗi phương pháp, các thông số quy trình quan trọng quyết định chất lượng trộn, và cách kích thước hạt của bột nguyên liệu — được thiết lập trong bước nghiền trước khi trộn — ảnh hưởng đến hiệu quả của bước trộn.
Thiết bị trộn khô
Phương pháp trộn khô được sử dụng cho các hệ gốm sứ khi xử lý ướt không khả thi, khi độ đồng nhất cần thiết có thể đạt được mà không cần môi trường lỏng, hoặc khi công thức bao gồm các thành phần nhạy nhiệt hoặc phản ứng với độ ẩm. Ba loại thiết bị chính để trộn khô gốm sứ là máy trộn chữ V, máy trộn ba chiều và máy trộn tốc độ cao.
| Thiết bị | Nguyên lý hoạt động | Ứng dụng tốt nhất |
| Máy xay V-Blender | Thùng chứa hình chữ V quay quanh một trục nằm ngang. Bột được tách ra và kết hợp lại liên tục — trộn đối lưu với lực cắt thấp. Nhẹ nhàng; giảm thiểu hư hại hạt; thời gian trộn dài. | Trộn sơ bộ các thành phần chính và chất trợ thiêu kết, trong đó hình dạng hạt phải được bảo toàn. Thích hợp cho các mẻ lớn với bột có độ chảy tốt. |
| Máy trộn ba chiều | Thùng chứa di chuyển, xoay và lật đồng thời theo nhiều hướng, tạo ra chuyển động hỗn loạn và khuếch tán mạnh mẽ. Không có vùng chết; thời gian trộn ngắn; độ đồng nhất cao. | Các công thức đòi hỏi độ đồng nhất rất cao — bột gốm điện tử, hỗn hợp gốm cấu trúc đa thành phần. Bước đồng nhất hóa cuối cùng trước khi thêm chất kết dính. |
| Máy trộn tốc độ cao | Cánh quạt hoặc lưỡi quay tốc độ cao tạo ra lực cắt và đối lưu mạnh. Rất nhanh; hiệu quả cao; nhưng sinh nhiệt và có thể gây vón cục trong các loại bột mịn. | Phương pháp trộn bán khô được sử dụng khi cần phân phối một lượng nhỏ chất kết dính dạng lỏng hoặc chất điều chỉnh bề mặt. Phương pháp này cũng được dùng để phủ lớp bề mặt khô đồng thời trong quá trình trộn. |
Hạn chế của việc trộn khô
Phương pháp trộn khô đạt được độ đồng nhất tốt ở quy mô vĩ mô, đảm bảo thành phần tổng thể nhất quán. Tuy nhiên, nó không thể đạt được độ đồng nhất ở cấp độ phân tử hoặc nguyên tử mà gốm điện tử hiệu năng cao yêu cầu. Trong hỗn hợp trộn khô gồm alumina và một lượng nhỏ chất trợ thiêu kết MgO, các hạt MgO được phân bố giữa các hạt alumina nhưng không tiếp xúc trực tiếp với mọi bề mặt alumina. Trong lò thiêu kết, điều này có nghĩa là MgO phải khuếch tán qua các ranh giới hạt để tiếp cận và giữ chặt các ranh giới hạt alumina. Đây là một quá trình đòi hỏi nhiệt độ và thời gian đủ, và không bao giờ hoàn toàn đồng nhất.
Phương pháp nghiền bi ướt, được mô tả trong phần tiếp theo, giải quyết vấn đề này bằng cách nghiền đồng thời các thành phần trong môi trường lỏng, giúp phân bố các nguyên tử chất trợ thiêu kết ở bề mặt hạt thay vì giữa các hạt.
Thiết bị trộn ướt
Trộn ướt trong môi trường lỏng là quy trình tiêu chuẩn cho gốm điện tử hiệu năng cao và mọi ứng dụng khác. Đây là phương pháp yêu cầu sự đồng nhất về thành phần ở quy mô dưới micromet. Môi trường lỏng cho phép các hạt được phân tán và phân bố riêng lẻ. Nó loại bỏ sự kết tụ tĩnh điện và cho phép sử dụng các chất phân tán hóa học giúp duy trì sự phân bố hạt đồng đều trong suốt quá trình trộn.
Máy nghiền bi (cán và rung)
Máy nghiền bi là thiết bị trộn ướt cốt lõi cho hầu hết các hệ thống bột gốm. Bột, vật liệu nghiền (thường là các viên bi zirconia ổn định bằng yttria, đường kính 3-20 mm) và môi trường phân tán được cho vào bình nghiền. Bình nghiền quay (máy nghiền bi kiểu lăn) hoặc rung (máy nghiền bi kiểu rung), khiến vật liệu nghiền va đập và làm vụn bột. Điều này đồng thời giúp giảm kích thước hạt, phá vỡ các cụm hạt và trộn đều thành phần ở cấp độ hạt.
Tốc độ vận hành rất quan trọng. Đối với máy nghiền bi, tốc độ làm việc tối ưu nằm trong khoảng 65-85% so với tốc độ tới hạn (Nc), tốc độ mà tại đó lực ly tâm sẽ giữ chặt vật liệu nghiền vào thành bình mà không gây ra hiện tượng nghiền. Dưới 65% Nc, năng lượng va đập không đủ; trên 85% Nc, vật liệu nghiền bắt đầu ly tâm và hiệu suất nghiền giảm. Tỷ lệ bi/bột (khối lượng vật liệu nghiền so với khối lượng bột) thường là từ 2:1 đến 10:1. Tỷ lệ cao hơn sẽ làm tăng cường độ nghiền và trộn nhưng cũng làm tăng mức tiêu thụ năng lượng và mài mòn vật liệu nghiền.
Thời gian nghiền ướt bột gốm dao động từ 12 đến 72 giờ tùy thuộc vào kích thước hạt ban đầu, mức độ trộn mong muốn và độ cứng của vật liệu. Để đạt được sự trộn đều ở cấp độ phân tử thực sự của các chất phụ gia và chất trợ thiêu kết — trong đó chất phụ gia được phân bố đồng đều trên bề mặt từng hạt riêng lẻ — cần thời gian nghiền kéo dài cho phép tiếp xúc lặp đi lặp lại giữa vật liệu nghiền và hạt trên tất cả các hạt trong hệ thống.
Máy nghiền bi (Máy nghiền khuấy)
Máy nghiền bi sử dụng bộ khuấy bên trong tốc độ cao để đẩy các viên bi nghiền rất nhỏ (thường là bi zirconia 0,1-0,5 mm) chuyển động mạnh mẽ, tần số cao xuyên suốt hỗn hợp bùn. Cường độ phân tán và hiệu quả nghiền cao hơn nhiều so với máy nghiền bi thông thường ở cùng mức năng lượng đầu vào, bởi vì kích thước bi nhỏ hơn cung cấp nhiều điểm tiếp xúc hơn trên mỗi đơn vị thể tích và cấu hình khuấy giúp duy trì vận tốc bi ổn định trong toàn bộ buồng nghiền.
Máy nghiền bi là thiết bị tiêu chuẩn cho việc phân tán ở kích thước dưới micromet và nanomet — các ứng dụng như bột điện môi MLCC (tụ điện gốm nhiều lớp), trong đó kích thước hạt BaTiO3 phải được duy trì dưới 200 nm mà không có các cụm cứng. Chúng cũng được sử dụng để xử lý sơ bộ hỗn hợp huyền phù có hàm lượng chất rắn cao trước khi đúc màng, nơi mà sự phân bố kích thước hạt (PSD) hẹp và phân tán tốt là rất quan trọng để tạo ra màng thô không có khuyết tật.
Máy nghiền bi hành tinh
Máy nghiền bi hành tinh là một công cụ năng lượng cao dùng trong phòng thí nghiệm và sản xuất theo mẻ nhỏ. Mỗi bình quay quanh một trục trung tâm đồng thời tự quay quanh trục của nó, tạo ra lực ly tâm gây ra tác động và nghiền mạnh. Năng lượng trộn và nghiền cao hơn nhiều so với máy nghiền bi lăn thông thường. Máy nghiền bi hành tinh được sử dụng để tổng hợp bột nano composite, hợp kim cơ học và các ứng dụng yêu cầu độ đồng nhất trộn cao nhất có thể đạt được trong thể tích nhỏ — điển hình là nghiên cứu và phát triển hoặc sản xuất chuyên biệt với khối lượng lên đến vài kg mỗi mẻ.
Các thông số quy trình chính cho việc trộn bột gốm
Tỷ lệ giữa bi và bột
Đối với máy nghiền bi, tỷ lệ khối lượng vật liệu nghiền so với khối lượng bột là một biến số quan trọng trong quá trình. Tỷ lệ cao hơn (8:1 đến 10:1) cho phép nghiền và trộn nhiều hơn trên mỗi đơn vị thời gian nhưng làm tăng mức tiêu thụ năng lượng và mài mòn vật liệu nghiền. Tỷ lệ thấp hơn (2:1 đến 4:1) nhẹ nhàng hơn và được sử dụng khi việc giảm kích thước hạt không phải là mục tiêu chính. Khi mục tiêu là phân tán và đồng nhất hóa bột đã mịn chứ không phải là giảm kích thước hạt hơn nữa. Tỷ lệ tối ưu cho một hệ thống cụ thể được xác định bằng thực nghiệm bằng cách đo phân bố kích thước hạt (PSD) và độ đồng nhất thành phần theo tỷ lệ ở thời gian nghiền cố định.
Lựa chọn và định lượng chất phân tán
Trong phương pháp trộn ướt, chất phân tán được thêm vào với tỷ lệ 0,1-2% theo trọng lượng bột để ngăn ngừa sự kết tụ lại trong quá trình nghiền. Chất phân tán hoạt động bằng cách hấp phụ lên bề mặt các hạt và tạo ra lực đẩy tĩnh điện hoặc lực cản không gian giữa các hạt. Nếu không có chất phân tán hiệu quả, các hạt bị vỡ ra bởi vật liệu nghiền sẽ ngay lập tức kết tụ lại, và quá trình trộn sẽ không đạt được độ đồng nhất về thành phần ngoài phạm vi vĩ mô.
Việc lựa chọn chất phân tán phụ thuộc vào thành phần hóa học bề mặt của bột, môi trường phân tán (dung dịch nước hoặc hữu cơ) và quy trình tiếp theo — chất phân tán phải được loại bỏ hoàn toàn trong quá trình nung chảy chất kết dính mà không để lại cặn gây hại đến hiệu suất gốm. Đối với huyền phù alumina trong nước, amoni polyacrylat ở pH 9-10 là lựa chọn phổ biến. Đối với các hệ thống không dùng nước với môi trường hữu cơ, chất phân tán este photphat hoặc dầu cá thường được sử dụng.
Độ pH và điện thế Zeta của bùn
Trong hỗn hợp huyền phù dạng lỏng, độ pH quyết định điện tích bề mặt trên các hạt gốm (điện thế zeta). Tại điểm đẳng điện — độ pH mà tại đó điện thế zeta bằng 0 — các hạt không có lực đẩy tĩnh điện và dễ dàng kết tụ nhất. Độ ổn định phân tán tối đa xảy ra khi điện thế zeta lớn hơn khoảng +30 mV hoặc nhỏ hơn -30 mV. Đối với alumina, điểm đẳng điện xấp xỉ pH 8-9; đối với titania, xấp xỉ pH 5-6; đối với zirconia, xấp xỉ pH 6-7. Điều chỉnh độ pH của hỗn hợp huyền phù đến một giá trị cách xa điểm đẳng điện — kết hợp với chất phân tán thích hợp — sẽ tối đa hóa độ ổn định phân tán và độ đồng nhất khi trộn.
Trình tự thêm các thành phần trong công thức đa thành phần
Khi trộn các công thức có chứa một lượng nhỏ chất phụ gia hoặc chất trợ thiêu kết (0,1-21% tổng khối lượng bột), trình tự thêm vào rất quan trọng. Việc thêm trực tiếp các thành phần vi lượng vào bột chính sẽ tạo ra các vấn đề về phân bố thống kê: vì các hạt thành phần vi lượng rất ít so với các hạt bột chính, việc trộn đều đòi hỏi một số lượng tiếp xúc lớn đến mức không thực tế.
Phương pháp tiêu chuẩn là trộn sơ bộ theo từng giai đoạn: thành phần vi lượng được trộn trước với một phần nhỏ bột chính (10-20% theo trọng lượng) trong một bước trộn cường độ cao riêng biệt để tạo ra hỗn hợp sơ bộ đậm đặc với sự tiếp xúc chặt chẽ giữa các hạt thành phần vi lượng và bột chính. Hỗn hợp sơ bộ đậm đặc này sau đó được thêm vào phần bột chính còn lại để trộn đều cuối cùng. Hỗn hợp sơ bộ đậm đặc sẽ phân bố đồng đều hơn trong bước trộn cuối cùng so với thành phần vi lượng thô.
Phạm vi thông số quan trọng cho quá trình nghiền bi ướt gốm sứ
• Tỷ lệ bi/bột: 2:1 đến 10:1 theo khối lượng — tỷ lệ thấp hơn nếu chỉ dùng để phân tán, tỷ lệ cao hơn nếu dùng để giảm kích thước đồng thời.
• Tốc độ làm việc: 65-85% tốc độ tới hạn (Nc) cho máy nghiền bi
• Kích thước vật liệu nghiền: 3-20 mm đối với máy nghiền bi (kích thước lớn hơn cho vật liệu đầu vào thô hơn, kích thước nhỏ hơn cho vật liệu đích mịn hơn); 0,1-0,5 mm đối với máy nghiền hạt.
• Vật liệu làm môi trường: Zirconia ổn định bằng yttria (YSZ) — độ cứng cao, độ mài mòn thấp, khả năng chống nhiễm bẩn thấp đối với hầu hết các loại gốm sứ.
• Thời gian nghiền: 12-72 giờ đối với nghiền bi ướt; thời gian này được xác định bởi kích thước hạt mục tiêu (PSD) và độ đồng nhất về thành phần.
• Lượng chất phân tán: 0,1-2% theo trọng lượng bột; tối ưu hóa bằng cách đo điện thế zeta và độ nhớt của hỗn hợp huyền phù.
• Độ pH của hỗn hợp bùn: Điều chỉnh sao cho cách xa điểm đẳng điện; đo điện thế zeta để xác nhận độ ổn định thích hợp.
• Hàm lượng chất rắn: Tối ưu hóa để đạt độ lưu động và hiệu quả nghiền tốt nhất — thông thường là 30-55% thể tích cho quá trình nghiền bi.
Ảnh hưởng của kích thước hạt nghiền sơ bộ đến chất lượng trộn
Bước trộn chỉ có thể hoạt động hiệu quả với nguyên liệu đầu vào từ bước nghiền. Nếu bột gốm được đưa vào máy trộn có sự phân bố kích thước hạt rộng, hàm lượng vón cục cao hoặc diện tích bề mặt không đồng nhất, quá trình trộn sẽ tạo ra kết quả không đồng đều bất kể thiết bị trộn được cấu hình tốt đến đâu.
Ba đặc tính của bột nguyên liệu ảnh hưởng trực tiếp nhất đến kết quả trộn. Thứ nhất, kích thước hạt và D97: nếu bột chính và chất phụ gia vi lượng có kích thước hạt rất khác nhau, chúng sẽ bị phân tách trong quá trình trộn khô và thành phần mịn hơn sẽ được giữ lại một cách chọn lọc trên bề mặt vật liệu nghiền trong quá trình nghiền ướt. Việc khớp D50 và D97 của các thành phần trước khi trộn sẽ cải thiện đáng kể độ đồng nhất. Thứ hai, độ cứng của khối kết tụ: các khối kết tụ mềm có thể bị phá vỡ trong quá trình nghiền bi ướt; các khối kết tụ cứng (hình thành do thiêu kết hoặc liên kết hóa học) không thể bị phá vỡ bởi thiết bị trộn và sẽ tồn tại như những dị thể về thành phần trong bột hỗn hợp cuối cùng. Thứ ba, diện tích bề mặt riêng: các thành phần có diện tích bề mặt riêng rất khác nhau đòi hỏi lượng chất phân tán khác nhau để tạo huyền phù ổn định — sự phân bố diện tích bề mặt rộng giữa các thành phần khiến việc tối ưu hóa chất phân tán trở nên khó khăn.
Đây là lý do tại sao bước nghiền trước bước trộn lại quan trọng không kém gì chính bước trộn. Một máy nghiền trục lăn hoặc máy nghiền phun khí cung cấp D50 ổn định, D97 được kiểm soát và hàm lượng vón cục thấp cho quá trình trộn sẽ giúp quá trình đó thành công. Ngược lại, sản lượng nghiền không ổn định hoặc được kiểm soát kém sẽ dẫn đến thất bại bất kể chất lượng thiết bị trộn như thế nào.
Thiết bị máy móc EPIC chuyên dụng cho việc chuẩn bị bột gốm.
Thiết bị nghiền và phân loại khô của EPIC Powder Machinery được sử dụng trong giai đoạn chuẩn bị sản xuất bột gốm sứ — tạo ra nguyên liệu đầu vào có kích thước hạt được kiểm soát, đáp ứng yêu cầu của các quy trình trộn ướt và trộn khô.
- Máy nghiền trục lăn (dòng SRM): Dùng cho canxi cacbonat, bột talc, barit, đôlômit và các chất độn khoáng phi kim loại khác được sử dụng trong gốm kết cấu và gốm xây dựng. Sản xuất D97 từ 45 micron (325 mesh) xuống đến 5 micron (2500 mesh) trong một lần chạy duy nhất với bộ phân loại khí điều khiển VFD tích hợp. Hàm lượng tạp chất sắt thấp đối với các bộ phận chịu mài mòn bằng hợp kim crom cao hoặc gốm. Thích hợp cho bước chuẩn bị chất độn chức năng trước khi trộn khô.
- Máy nghiền phun tầng sôi (dòng MQW): Thích hợp cho các loại bột gốm kỹ thuật có độ tinh khiết cao như alumina, zirconia, silicon carbide, boron nitride và các loại bột gốm khác, nơi mà sự nhiễm bẩn kim loại từ vật liệu nghiền là không thể chấp nhận được. Nghiền hạt trên hạt mà không có sự tiếp xúc với vật liệu nghiền — không có sự xâm nhập kim loại nào từ bước nghiền. Tùy chọn môi trường nitơ cho các loại gốm nhạy cảm với quá trình oxy hóa. Tạo ra kích thước hạt D50 từ 0,5 đến 15 micron với bộ phân loại tích hợp để kiểm soát chính xác kích thước hạt D97.
- Máy phân loại không khí (dòng ITC, MBS, CTC): Dùng để nâng cấp nguồn bột gốm hiện có bằng cách loại bỏ các phần thô, siết chặt D97, hoặc tách các loại kích thước hạt khác nhau từ một nguồn cấp liệu duy nhất. Đặc biệt hữu ích khi nhà sản xuất bột gốm cần đáp ứng nhiều thông số kỹ thuật từ một dây chuyền nghiền duy nhất.
Bước nghiền không thay thế bước trộn. Nó chuẩn bị nguyên liệu đầu vào cho bước trộn. Một máy nghiền trục lăn tạo ra chất độn canxi cacbonat D97 10 micron đồng nhất, hoặc một máy nghiền tia tạo ra alumina D50 2 micron được kiểm soát. Nó cung cấp cho máy nghiền bi ướt hoặc máy trộn khô ba chiều ở bước tiếp theo nguyên liệu đầu vào đồng nhất, sẵn sàng phân tán mà chất lượng trộn phụ thuộc vào đó.
Chuẩn bị bột gốm để trộn? Hãy bắt đầu với kích thước hạt phù hợp.
Thiết bị nghiền và phân loại khô của EPIC Powder Machinery được các nhà sản xuất bột gốm sử dụng để chuẩn bị nguyên liệu đầu vào. Nó đạt được độ mịn D50 và D97 chính xác trước bước trộn. Cho dù đó là máy nghiền trục lăn cho canxi cacbonat có kích thước 325-2500 mesh, hay máy nghiền tia cho bột gốm điện tử có độ tinh khiết cao.
Hãy cho chúng tôi biết vật liệu gốm sứ của bạn, độ cứng D50 mục tiêu trước khi trộn, khối lượng sản xuất và các hạn chế về ô nhiễm, và chúng tôi sẽ đề xuất cấu hình nghiền phù hợp.
Yêu cầu tư vấn quy trình miễn phí: www.nonmetallic-ore.com/contact
Khám phá thiết bị nghiền bột gốm của chúng tôi: www.nonmetallic-ore.com
Bột Epic
Tại Bột EpicChúng tôi cung cấp nhiều loại thiết bị và giải pháp tùy chỉnh để đáp ứng nhu cầu cụ thể của bạn. Đội ngũ của chúng tôi có hơn 20 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực chế biến các loại bột khác nhau. Epic Powder chuyên về công nghệ chế biến bột mịn cho ngành công nghiệp khoáng sản, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, v.v. Liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để được tư vấn miễn phí và nhận giải pháp tùy chỉnh!
Cảm ơn bạn đã đọc. Tôi hy vọng bài viết của tôi có ích. Vui lòng để lại bình luận bên dưới. Bạn cũng có thể liên hệ với đại diện khách hàng trực tuyến của EPIC Powder Zelda để biết thêm bất kỳ thông tin nào khác.”
— Emily Chen, Kỹ sư