球磨時(shí)間及測(cè)試條件對(duì)氧化鋁粉體粒度分析的影響*

胡繼林，劉 瓊，羅祎格，羅金秋

（湖南人文科技學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院，精細(xì)陶瓷與粉體材料湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南婁底417000）

化工分析與測(cè)試

球磨時(shí)間及測(cè)試條件對(duì)氧化鋁粉體粒度分析的影響*

胡繼林，劉 瓊，羅祎格，羅金秋

（湖南人文科技學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院，精細(xì)陶瓷與粉體材料湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南婁底417000）

以氧化鋁粉體為原料，以水為分散介質(zhì)，采用Easysizer20激光粒度儀進(jìn)行粒度分析。研究了球磨時(shí)間、樣品加入量、分散劑種類、分散劑添加量、超聲波分散時(shí)間對(duì)粒度分布測(cè)試結(jié)果的影響。采用X射線衍射儀對(duì)氧化鋁粉體的物相組成進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，隨著球磨時(shí)間的延長，粉體的粒度逐漸減小，球磨時(shí)間為4.0 h時(shí)，測(cè)得粉體的中位徑D50為4.72 μm。確定了氧化鋁粉體的最佳測(cè)試條件：當(dāng)選取球磨時(shí)間為1.0 h的粉末樣品時(shí)，超聲分散功率為200 W，分散時(shí)間為7 min，分散劑六偏磷酸鈉用量為0.2%，樣品加入量為0.4 g，在此測(cè)試條件下所測(cè)得的粉體樣品粒度最小。

球磨時(shí)間；氧化鋁粉體；激光粒度儀

目前，超細(xì)粉體材料在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)及高科技領(lǐng)域中，有著越來越重要的地位，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、環(huán)保、機(jī)械、輕工、化工、冶金、電子、建筑等行業(yè)［1-3］。在工業(yè)生產(chǎn)中，球磨工序處理是原材料細(xì)化最常用的手段。利用研磨體的沖擊作用及研磨體與球磨罐內(nèi)壁的研磨作用可以將各種原料粉體粉碎并達(dá)到混合的目的，但是過度的球磨處理會(huì)使粉體團(tuán)聚，生成二次顆粒，所以要想制得理想的超細(xì)粉體，嚴(yán)格控制球磨工藝是不可缺少的部分［4-5］。由于超細(xì)粉體顆粒間普遍存在范德華力，顆粒極易形成球團(tuán)，給粉體粒度的準(zhǔn)確測(cè)量帶來一定的困難，因此需要選用合適的分散劑或者適當(dāng)?shù)牟僮鞣椒▽?duì)顆粒進(jìn)行分散。大量研究表明，不同分散劑種類及其不同分散方法對(duì)粉體的粒度測(cè)試結(jié)果有明顯影響［6-8］。

Al2O3微粉顆粒細(xì)小、比表面積大、活性大、化學(xué)性能穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于陶瓷、冶金、石化等行業(yè)，但Al2O3粉體顆粒越細(xì)，表面能越高，粉體顆粒之間越容易團(tuán)聚，因此探究Al2O3處理方式和測(cè)試條件對(duì)其粒度測(cè)試的影響非常重要［9］。激光粒度分析儀具有測(cè)試速度快、測(cè)試粒度范圍寬、測(cè)試重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，在超細(xì)粉體的粒度測(cè)試方面得到廣泛應(yīng)用［10-11］。本文通過改變球磨時(shí)間來探究Al2O3粉體處理?xiàng)l件對(duì)粒度測(cè)試結(jié)果的影響，同時(shí)采用不同種類的分散劑、改變分散劑的用量、改變超聲分散時(shí)間等來探究測(cè)試Al2O3粒徑的最佳測(cè)試條件，以期為工業(yè)化的Al2O3粉體的處理方法和測(cè)試條件提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與原料

儀器：Easysizer20型激光粒度分析儀；QM-1F型行星式快速球磨機(jī)；TD3500型X射線衍射儀；電子天平；電熱鼓風(fēng)干燥箱。

原料：氧化鋁細(xì)粉；六偏磷酸鈉；聚乙二醇2000；聚乙二醇4000；十二烷基苯磺酸鈉；蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取5份100 g氧化鋁粉體，放入球磨罐中，然后按照m（料）∶m（球）∶m（水）=1∶1.3∶1加入適量的瓷球和水，將粉體分別球磨0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 h，然后取出球磨后的漿料于100℃下烘干備用。

1.3 測(cè)試分析

采用D/max2200PC型X射線衍射儀（XRD）分析氧化鋁粉體樣品的物相組成；采用Easysizer20型激光粒度分析儀對(duì)球磨不同時(shí)間后的粉體樣品進(jìn)行粒徑分布測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化鋁粉體的物相組成分析

XRD可以用來對(duì)晶態(tài)物質(zhì)進(jìn)行物相分析。通過粉體樣品的XRD譜圖與已知的晶態(tài)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)衍射譜圖的對(duì)比分析即可完成樣品物相組成和結(jié)構(gòu)的定性鑒定。圖1為氧化鋁粉體樣品的X射線衍射譜圖。從圖1可看出，衍射峰的主峰主要為α-Al2O3的特征峰，且雜峰較少，說明該氧化鋁粉體樣品純度高，雜質(zhì)含量低。

圖1 氧化鋁樣品的X射線衍射譜圖

2.2 球磨時(shí)間對(duì)氧化鋁粉體粒徑的影響

分別稱取球磨時(shí)間不同的5種粉體0.1 g置于100 mL燒杯中，編號(hào)1～5，加入蒸餾水至80 mL，再加入0.2%六偏磷酸鈉，在功率為200 W的超聲波分散器中震蕩分散5 min后使用激光粒度儀進(jìn)行粒度測(cè)試，測(cè)得結(jié)果如表1所示。從表1可看出，不同球磨時(shí)間對(duì)氧化鋁粉體粒徑分布有較大影響，球磨0.5 h的樣品測(cè)得的中位徑D50為6.53 μm，在一定時(shí)間內(nèi)，隨著球磨時(shí)間變長，粉體的粒徑呈減小趨勢(shì)，球磨1.0 h和2.0 h的樣品測(cè)得中位徑減小到6.33 μm和5.23 μm。當(dāng)球磨時(shí)間達(dá)到4.0 h時(shí)，測(cè)得的粉體粒徑達(dá)到最佳，此時(shí)中位徑D50為4.72 μm。這主要是由于外力的作用時(shí)間越長，粒子之間的凝聚力減小，粉體的粒徑越小。從實(shí)驗(yàn)中也可以看出球磨3.0 h和4.0 h粒徑的變化不大，可能是已經(jīng)達(dá)到球磨極限，若繼續(xù)球磨，可能會(huì)產(chǎn)生二次顆粒。圖2是球磨4.0 h后的氧化鋁粉體樣品粒度分布圖。從圖2可看出，氧化鋁粉體基本上呈正態(tài)分布，說明粉體顆粒分布比較均勻。

表1 不同球磨時(shí)間對(duì)氧化鋁粉體粒度的影響

圖2 球磨4.0 h后的氧化鋁粉體樣品粒度分布曲線

2.3 測(cè)試條件對(duì)氧化鋁粉體粒徑影響

2.3.1 樣品的加入量對(duì)氧化鋁粉體粒徑影響

分別稱取0.1～0.6 g的球磨1.0 h的粉體置于100 mL燒杯中，編號(hào)1～6，加入蒸餾水至80 mL，再加入0.2%的六偏磷酸鈉，再在功率為200 W的超聲波分散器中震蕩5 min，使用激光粒度儀進(jìn)行粒度測(cè)試，測(cè)得的結(jié)果如表2所示。表2表明，在其他條件不變的情況下，稱取的樣品質(zhì)量不同，對(duì)粉體粒徑有影響，測(cè)得1號(hào)樣品的D50為6.66 μm。隨著加入量的增加，當(dāng)樣品加入量為0.2 g時(shí)，測(cè)得的粉體D50為6.71 μm；當(dāng)樣品加入量為0.4 g時(shí)，測(cè)得的粉體粒度達(dá)到最佳，此時(shí)D50為6.52 μm。

表2 樣品的加入量對(duì)氧化鋁粉體粒徑影響

2.3.2 超聲分散時(shí)間對(duì)氧化鋁粉體粒徑影響

稱取等質(zhì)量0.1 g球磨1.0 h的7份樣品置于100 mL燒杯中，編號(hào)1～7，加入蒸餾水至80 mL，再加入0.2%六偏磷酸鈉，在功率為200 W的超聲波分散器中分別震蕩不同時(shí)間，使用激光粒度儀進(jìn)行粒度測(cè)試，測(cè)得的結(jié)果如表3所示。從表3可知，在其他條件不變的情況下，超聲分散時(shí)間對(duì)氧化鋁粉體的粒徑有顯著的影響。未進(jìn)行超聲分散時(shí)，測(cè)得樣品粒徑D50為7.14 μm；超聲分散1 min和3 min時(shí)，測(cè)得樣品粒徑D50分別為6.59 μm和6.57 μm。在一定范圍內(nèi)，隨著時(shí)間的增強(qiáng)，粒徑呈減小趨勢(shì)。在震蕩7 min時(shí)，粒徑達(dá)到最佳，此時(shí)D50為6.29 μm；當(dāng)超聲分散時(shí)間增加到9 min和11 min時(shí)，測(cè)得樣品粒徑D50分別為6.61 μm和6.51 μm。這可能是經(jīng)過一定時(shí)間的超聲分散，使分散體系中的團(tuán)聚作用降低，得到更小的粒子；而過長的超聲分散，使部分分散開的粉體顆粒又重新團(tuán)聚。

表3 不同分散時(shí)間對(duì)氧化鋁粉體粒徑影響

2.3.3 分散劑種類對(duì)氧化鋁粉體粒徑影響

稱取等質(zhì)量0.1 g球磨1.0 h的5份樣品，置于100 mL燒杯中，編號(hào)1～5，分別加入0.2%的PEG-2000、PEG-4000、六偏磷酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉，再加入蒸餾水至80 mL，用玻璃棒攪拌均勻，在功率為200 W的超聲波分散器中震蕩5 min，使用激光粒度儀進(jìn)行粒度測(cè)試，測(cè)得結(jié)果見表4。從表4可以看出，未加入分散劑時(shí)，測(cè)得1號(hào)樣品粒徑D50為7.51 μm，分散劑對(duì)氧化鋁粉體的顆粒分散有明顯的促進(jìn)作用，測(cè)得2～5號(hào)樣品粒徑D50分別為6.39、6.43、6.38、6.45 μm。測(cè)得4號(hào)樣品的粒度達(dá)到最佳，D50達(dá)到6.38 μm。這可能是高分子分散劑在顆粒表面形成的吸附層之間的位阻效應(yīng)，使顆粒間產(chǎn)生很強(qiáng)的位阻排斥力，使得粉體的粒徑變小。以上分析表明，在本體系中加入六偏磷酸鈉的分散效果最理想。

表4 分散劑種類對(duì)氧化鋁粉體粒徑影響

2.3.4 分散劑的用量對(duì)氧化鋁粉體粒徑影響

稱取等質(zhì)量0.1 g球磨1.0 h的4份樣品，置于100 mL燒杯中，分別加入80 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的六偏磷酸鈉溶液，用玻璃棒攪拌均勻，在功率為200 W的超聲波分散器中震蕩5 min，使用激光粒度儀進(jìn)行粒度測(cè)試，測(cè)得結(jié)果如表5所示。從表5可知，未加入分散劑時(shí)，測(cè)得1號(hào)樣品粒徑D50為7.53 μm。分散劑的用量對(duì)氧化鋁粉體的顆粒分散有明顯的促進(jìn)作用，測(cè)得2～5號(hào)樣品粒徑D50分別為6.38、6.33、6.40、6.49 μm?？梢姰?dāng)六偏磷酸鈉用量為0.2%時(shí)測(cè)試結(jié)果達(dá)到最佳，D50為6.33 μm。

表5 分散劑的用量對(duì)氧化鋁粉體粒徑影響

2.3.5 研究氧化鋁粉體的最佳測(cè)試條件

通過前面各種測(cè)試條件的探究，確定氧化鋁粉體的最佳測(cè)試條件為：樣品加入量為0.4 g，超聲分散7 min，分散劑采用添加量為0.2%的六偏磷酸鈉。在此條件下，選用球磨1.0 h的粉體樣品進(jìn)行粒度測(cè)試，測(cè)得的粉體樣品的中位徑D50為6.22 μm，粉體大體上呈均勻分布（見圖3）。

圖3 最佳測(cè)試條件下樣品粒度分布圖

3 結(jié)論

1）采用QM-1F行星式球磨機(jī)，按m（料）∶m（球）∶m（水）=1∶1.3∶1對(duì)氧化鋁粉體進(jìn)行球磨細(xì)化處理，當(dāng)球磨時(shí)間為 4.0 h時(shí)所測(cè)得的中位徑最?。―50= 4.72 μm）。2）確定了最佳測(cè)試條件：選取球磨時(shí)間為1.0 h的氧化鋁粉體樣品，超聲分散功率為200 W，分散時(shí)間為7 min，分散劑六偏磷酸鈉用量為0.2%，樣品加入量為0.4 g。在本測(cè)試條件下，測(cè)得的粉體樣品中位徑達(dá)到最小。

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Effects of milling time and testing conditions on particle size analysis of alumina powders

Hu Jilin，Liu Qiong，Luo Yige，Luo Jinqiu
（Hunan Provincial Key Laboratory of Fine Ceramics and Powder Materials，School of Materials and Environmental Engineering，Hunan University of Humanities，Science and Technology，Loudi 417000，China）

The particle size of the powder was analyzed by Easysizer20 laser particle size analyzer，using alumina powders as the raw materials and water as the dispersion medium.The effects of milling time，the amount of the sample，the type of the dispersant，the amount of dispersant，and the time of ultrasonic dispersion on the test result of particle size distribution were studied.The phase component of alumina powder was analyzed by X-ray diffractmeter.Results showed that the particle size of alumina powders was decreasing with the increase of milling time.The powder′s median diameter（D50）could reach 4.72 μm when the milling time was 4 h.The best testing conditions of alumina powders were as follows：the ultrasonic dispersing power was 200 W，the dispersion time was 7 min，the dosage of sodium hexametaphosphate as dispersant was 0.2%，and the amount of the sample was 0.4 g when the sample milled for 1 h.The size of the sample was the minimum under those conditions.

milling time；aluminapowder；laser particle size analyzer

TQ133.1

A

1006-4990（2017）04-0064-04

2016-10-21

胡繼林（1978— ），男，博士，副教授，研究方向?yàn)闊o機(jī)超細(xì)粉體及高性能結(jié)構(gòu)陶瓷，已發(fā)表論文30余篇。

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016TP1028）；婁底市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014）；湖南人文科技學(xué)院產(chǎn)學(xué)研合作引導(dǎo)項(xiàng)目（2014CXY03）；湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（湘教通［2015］269號(hào)）。

聯(lián)系方式：hujilin@126.com