超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉（鋅片）制備技術(shù)研究

嚴(yán)海錦 徐旭華

江蘇科創(chuàng)金屬新材料有限公司 江蘇科成有色金屬新材料有限公司 泰州華民鋅品有限公司（江蘇泰州 225300）

超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉（鋅片）為磁性金屬材料[1]，主要用于制備水溶性無機(jī)鹽涂料、無機(jī)富鋅涂料、非電解性金屬防腐涂料(鋅鉻涂料，也稱達(dá)克羅），涂層致密、耐腐蝕性較好。達(dá)克羅涂層技術(shù)是將片狀鋅、鉻酐等配制成的涂料覆在鋼材等基體表面,經(jīng)300℃左右固化后獲得厚約6～8μm、有金屬光澤的銀灰色鋅鉻涂層。它無污染、無氫脆[2]、耐腐蝕性高，成為綠色環(huán)保型高防腐表面處理技術(shù)。以超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉為主要原料的達(dá)克羅涂層的防腐蝕效果一般比電鍍鋅和熱鍍鋅的防腐蝕效果高4倍以上[3]。用于金屬閃光面漆時(shí)，片狀結(jié)構(gòu)的超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉在涂膜中定向排列，鋅粉粒徑大、粒度分布廣，純度高、活性強(qiáng)，金屬閃光效果好。目前許多發(fā)達(dá)國(guó)家已采用達(dá)克羅涂覆、交美特涂覆等工藝取代電鍍和熱鍍鋅。

國(guó)內(nèi)外制備鱗片狀鋅粉的方法有很多，包括爆炸法、球磨法、電解法、蒸餾法、冷軋法；但所制備的鱗片狀鋅粉粒徑分布窄，平均粒徑為10～14μm，金屬鋅和微量元素等化學(xué)指標(biāo)與GB/T 26035—2010《片狀鋅粉》存在一定差距。粉體材料最主要和最重要的衡量指標(biāo)之一是粒度[4]，本研究介紹的技術(shù)與產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)超薄超細(xì)化，純度、粒度分布范圍超過國(guó)際同類產(chǎn)品指標(biāo)，且符合制備防腐材料的理化指標(biāo)要求。

1 鋅粉制備工藝技術(shù)路線和主要技術(shù)參數(shù)

1.1 制備工藝路線

將鋅錠原料在熔化爐中恒定溫度下熔析去雜，通過控制鋅液流速，使其穩(wěn)定、恒速流入蒸發(fā)密閉蒸發(fā)池內(nèi)，通過控制蒸發(fā)池內(nèi)的溫度，使鋅液以設(shè)定的蒸發(fā)速率形成鋅蒸汽；當(dāng)鋅蒸汽進(jìn)入冷凝器時(shí)，控制好冷凝溫度及冷凝器內(nèi)循環(huán)氣氛（惰性氣體）流動(dòng)速率，使鋅蒸汽能夠在微米級(jí)水平冷凝球化成核，然后在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行氣流分級(jí)，獲得制備超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉的原材料——超細(xì)超純高活性鋅粉。在后續(xù)的深加工過程中，通過球磨、出漿、脫油、甩干處理實(shí)現(xiàn)干態(tài)片狀轉(zhuǎn)化，通過分散和拋光、分級(jí)，實(shí)現(xiàn)超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉的制備。

1.2 制片設(shè)備的工作原理

研磨制片在臥式研磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行，在研磨前利用攪拌機(jī)對(duì)物料進(jìn)行預(yù)分散及潤(rùn)濕處理。預(yù)加工物料由固態(tài)和液態(tài)物料相混合而成，通過電動(dòng)隔膜泵將分散好的物料輸入臥式研磨機(jī)，物料進(jìn)入筒體后，由于受到分散器的攪動(dòng)作用，與其中的研磨介質(zhì)一起進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這就使得物料中的固體和一些微粒與研磨介質(zhì)之間產(chǎn)生了非常強(qiáng)烈的碰撞、摩擦和剪切作用，使物料實(shí)現(xiàn)片狀化。在研磨過程中，研磨介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度以及球與球之間相互運(yùn)動(dòng)的方式、碰撞沖量決定了研磨機(jī)的能量水平或效率。而球形粉末變形及撕裂所需的能量主要靠球的沖撞而獲得。若球的運(yùn)動(dòng)速度低，相互運(yùn)動(dòng)以磨擦為主，沖撞的幾率低，則研磨效率低。提高球的運(yùn)動(dòng)速度可增大沖撞幾率,從而提高研磨效率。磨球動(dòng)能Ekin=1/2mv2。其中：Ekin為球的動(dòng)能，m為球的質(zhì)量，v為球的運(yùn)動(dòng)速度?？梢?，提高球動(dòng)能的最有效方式是提高其運(yùn)動(dòng)速度?？赏ㄟ^調(diào)整臥式研磨機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制高能研磨過程中研磨介質(zhì)的碰撞速度，制備不同粒徑分布的超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉。

1.3 工藝參數(shù)

根據(jù)技術(shù)要求GB/T 26035—2010、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/321202 HKC001—2019及客戶需求，確定了最佳工藝參數(shù)。

（1）研磨工藝

以3～7μm高純低雜質(zhì)球形鋅粉為原料，200#溶劑油為溶劑（料、液質(zhì)量比為2∶3），加入物料總量1%的硬脂酸作為復(fù)合助磨劑，配以直徑為2，3及10 mm的氧化鋯球（各類型氧化鋯的質(zhì)量比為3∶4∶1）。球形鋅粉與研磨介質(zhì)氧化鋯（料、球質(zhì)量比為3∶5）在臥式研磨機(jī)內(nèi)研磨3 h左右，研磨機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min，停機(jī)后取樣化驗(yàn)，此時(shí)制得的料漿平均粒徑為18～22μm，顆粒厚度為0.3～0.15μm。研磨過程中，根據(jù)料漿的黏度適當(dāng)調(diào)整料球比例。

（2）脫液工藝

將研磨合格的料漿通入平板式沉降離心機(jī)（轉(zhuǎn)速為1 000 r/min），利用離心力的作用將液體和固體分離，得到膏狀鱗片狀鋅粉。脫液過程中，可以通過調(diào)整沉降離心機(jī)轉(zhuǎn)速，得到不同含固量的膏狀鱗片狀鋅粉。值得注意的是，需確保脫液過程無雜質(zhì)、雜物介入。

（3）烘干工藝

將膏狀鱗片狀鋅粉放置在真空干燥箱內(nèi)，保持干燥箱真空度不大于-0.095 MPa（從設(shè)備的安全及產(chǎn)品的純度等方面考慮，真空干燥箱的真空度務(wù)必達(dá)到此要求），溫度為60～70℃，所得產(chǎn)品干燥8 h，得到含濕量不大于3%的鱗片狀鋅粉。所得產(chǎn)品符合GB/T 26035—2010的技術(shù)要求。

（4）拋光工藝

將干燥后的鱗片狀鋅粉按比例投入自制拋光設(shè)備中，加入物料量0.5%的復(fù)合改性劑，拋光2 h。

（5）分級(jí)工藝

該工藝有著舉足輕重的作用。將拋光后的鱗片狀鋅粉投入已設(shè)置固定頻率的分級(jí)機(jī)內(nèi)進(jìn)行分級(jí)，得到平均粒徑為18～22μm的鱗片狀鋅粉。

（6）包裝

將檢驗(yàn)合格的鱗片狀鋅粉按GB/T 26035—2010中的包裝要求進(jìn)行包裝，包裝桶及包裝袋務(wù)必密封到位。

2 超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉的理化分析

2.1 主要儀器

用X-射線衍射儀測(cè)定粉末的物相組成，用馬爾文激光粒度分析儀測(cè)粒徑分布，用進(jìn)口描掃電鏡觀察粉末形貌，用原子吸收光譜儀檢測(cè)雜質(zhì)元素，用化學(xué)分析法分析粉體氧化情況。

2.2 產(chǎn)品主要物理指標(biāo)

在原料平均粒徑為3～7μm，金屬鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97%～98%的條件下，所制得產(chǎn)品的粒度分布如表1所示。

表1 鋅粉產(chǎn)品粒度分析結(jié)果

2.3 產(chǎn)品主要化學(xué)指標(biāo)

在原料平均粒徑為3～7μm，金屬鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97%～98%的條件下，所制得產(chǎn)品的化學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉組成 %

2.4 原料對(duì)超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉的影響

不同粒徑和金屬活性的原料在相同工藝條件下的研磨結(jié)果如表3所示。由表3可知，不同粒徑分布和金屬活性的球形鋅粉直接影響超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉的性能。原料球形鋅粉平均粒徑小于3μm時(shí)，其流動(dòng)性差，研磨過程中氧化速率高，導(dǎo)致在研磨過程中延展不充分。原料平均粒徑大于7μm時(shí)，研磨過程中氧化速率變小，但研磨受力不均勻，所得產(chǎn)品平均粒徑不符合GB/T 26035—2010的技術(shù)要求。原料平均粒徑為3～7μm，金屬鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)在97%～98%之間時(shí)，制得的超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉平均粒徑符合GB/T 26035—2010、Q/321202 HKC001—2019的技術(shù)要求，且金屬光澤明顯。

表3 不同原料所得產(chǎn)品的性能

2.5 表面改性劑對(duì)超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉的影響

在球形鋅粉向片狀轉(zhuǎn)化的研磨制片工藝中，拋光工段以表面活性劑為助劑，通過化學(xué)反應(yīng)、物理吸附來對(duì)鱗片狀鋅粉的表面包裹成膜。因此，選擇合適的表面改性劑對(duì)粉體表面進(jìn)行改性至關(guān)重要。采用平均粒徑在3～7μm之間的球形鋅粉為原料，在設(shè)備和工藝等條件相同的前提下，不同表面改性劑對(duì)產(chǎn)品性能的影響見表4、圖1。

表4 不同表面改性劑改性產(chǎn)品的性能

圖1 產(chǎn)品形貌

根據(jù)表4可知，表面改性劑對(duì)產(chǎn)品片徑、片厚和成片效果影響較大，單一表面改性劑的效果沒有復(fù)合表面改性劑好。這是因?yàn)椋涸箱\粉表面能較大，制片過程中極易氧化和團(tuán)聚；復(fù)合表面改性劑利用范德華力吸附在原料表面，并通過化學(xué)反應(yīng)與原料形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，使原料在研磨過程中均勻受力，抑制了原料在制片過程中的氧化和團(tuán)聚程度。通過掃描電鏡觀察產(chǎn)品形貌并進(jìn)行對(duì)比分析，復(fù)合表面改性劑所制得的超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉片徑、片厚均勻，效果最為明顯，符合GB/T 26035—2010、Q/321202 HKC001—2019的技術(shù)要求。因此，鋅粉制備時(shí)選擇復(fù)合表面改性劑。

3 結(jié)論

選擇平均粒徑為3～7μm，金屬鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)在97%～98%之間的原料，配以復(fù)合表面改性劑促進(jìn)產(chǎn)品片狀化、抑制氧化。按本研究生產(chǎn)工藝流程可以制備出性能優(yōu)異的超薄超細(xì)鱗片狀鋅粉，產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，且符合制備防腐材料的理化指標(biāo)要求。