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        一文了解納米氧化鋯粉體制備及改性技術(shù)


        來源:中國粉體網(wǎng)   空青

        [導(dǎo)讀]  了解納米氧化鋯粉體制備方法及改性方法。

        中國粉體網(wǎng)訊  氧化鋯(ZrO2)是一種高熔點金屬氧化物,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,具有耐磨、耐高溫、耐腐蝕等特性,又因其具有抗熱沖擊性好、折射率高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)良的力學(xué)性能,在義齒、人工關(guān)節(jié)、飛機發(fā)動機零部件,再到汽車電池材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并備受關(guān)注。


        其中,氧化鋯在義齒行業(yè)可謂是“大佬”級別,市場規(guī)模巨大。同時,新型納米氧化鋯材料的出現(xiàn),實現(xiàn)了從氧化鋯粉末到牙冠的生產(chǎn)技術(shù)革新,燒結(jié)后自帶天然牙釉光澤,加之自動化的生產(chǎn)流程,成本可降低約60%。據(jù)估算,國內(nèi)每年所需齒科用納米級氧化鋯已超過2000噸,且復(fù)合增長率達到10%以上。


        近年來,納米氧化鋯陶瓷已經(jīng)具有一定的韌性和可加工性,由于納米陶瓷晶粒的細化,晶界數(shù)量大幅度的增加,使得材料的強度、韌性和塑性都大大提高。


        納米氧化鋯性能


        國際市場上,氧化鋯納米粉體已經(jīng)進入工業(yè)化發(fā)展階段,美國、日本和西歐等發(fā)達國家和地區(qū),納米氧化鋯粉體的生產(chǎn)規(guī)模比較大,產(chǎn)品規(guī)格較為齊全,在氧化鋯陶瓷的專利上也具有明顯的競爭優(yōu)勢。國內(nèi)高端氧化鋯粉體實力較強的廠商有東方鋯業(yè)、國瓷材料、三環(huán)集團等。隨著新型陶瓷制造業(yè)迅速發(fā)展,陶瓷粉體的需求也在增加,開發(fā)納米氧化鋯工業(yè)也顯得越來越迫切。


        氧化鋯陶瓷粉體的技術(shù)壁壘很高,研究如何制備出超細且粒度分布優(yōu)良的納米陶瓷粉體制備工藝、通過表面改性改善納米粉體的流動性,也是當(dāng)前陶瓷研究的熱點。


        納米氧化鋯粉體,圖來源:三環(huán)集團


        目前制備納米氧化鋯粉體的方法有固液法、液相法和氣相法。其中液相法化學(xué)反應(yīng)過程簡單、操作方便、生產(chǎn)成本低、易于規(guī)模化生產(chǎn),且制備出的納米粉體粒徑分布窄、分散性好、組分均勻。所以目前液相法是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的方法。


        納米氧化鋯制備方法優(yōu)缺點



        納米氧化鋯粉體制備中,納米氧化鋯粉體團聚是一大難題,納米氧化鋯粉體表面能較高、活性強,顆粒之間很容易在混料時形成團聚。在陶瓷團聚體燒結(jié)后成為裂紋發(fā)源地,嚴重降低陶瓷部件的斷裂強度和韌性。


        對納米粉體進行表面修飾可以有效的改善粉體團聚的傾向。表面改性可以改善粉體粒子分散性,使其不團聚;改善粒子與其他物質(zhì)的相容性;改善納米粉體耐久性。此外還能提高粒子表面活性,使微粒產(chǎn)生新的物理、化學(xué)、機械性能和新的功能。


        目前根據(jù)改性劑和納米粉體表面有無化學(xué)反應(yīng),可分為表面物理改性和表面化學(xué)改性兩大類。


        表面物理改性


        通過分子間的作用力(如范德華力、氫鍵等)使得表面改性劑附著在粉體表面,在粉體粒子表面形成包覆層,來降低粉體表面的張力,改變粉體粒子的的表面極性,減少粉體之間的團聚作用是表面物理改性常用的一類方法。


        幾種常規(guī)包覆方案


        為了增強氧化鋯陶瓷的耐蝕性,減少粉體間的團聚,Vivekanandhan等通過丙烯酰胺輔助的檸檬酸聚合物燃燒制備了納米ZrO2粉末,并以聚丙烯酸和乙二醇為前驅(qū)體,采用聚合樹脂法在500℃的條件下在納米ZrO2粉體表面包覆了一層超。蚾O3,通過透射電鏡表征發(fā)現(xiàn)MoO3厚度約為3nm,包覆層均勻連續(xù)。


        表面化學(xué)改性


        1、偶聯(lián)劑類表面改性


        鈦酸酯偶聯(lián)劑對氧化鋯粉體改性,在有機粘結(jié)劑中不會形成團聚,其致密性(相對密度99.6%)溫度為1450℃,比原始粉體要低100℃左右。硅烷偶聯(lián)劑包覆在納米氧化鋯粉體表面進行改性,能保持納米粉體結(jié)構(gòu)特性,修飾后粉體表面積能達到354m2/g。


        2、硬脂酸表面表面改性


        利用硬脂酸處理無機粉體有類似偶聯(lián)劑的作用,可以改善無機粉體與高聚物基料的親和性,提高其在有機溶劑中的分散度。另外,由于硬脂酸本身具有潤滑作用,使用硬脂酸對粉體進行表面改性還可以減小復(fù)合體系內(nèi)的摩擦力,改善復(fù)合體系的流動性能。


        相對于物理方法制備的納米氧化鋯粉體純度低、化學(xué)組份不均勻等缺點,化學(xué)法制備氧化鋯納米粉體因為純度高、顆粒均勻性好、化學(xué)組成均勻可控且設(shè)備工藝簡單等優(yōu)點得到產(chǎn)業(yè)的青睞。


        理想的納米粉體應(yīng)同時具備組分均勻、顆粒細、粒徑分布窄、無團聚、比表面積大等諸多優(yōu)點,在滿足這些條件的同時,作為商品其成本不能過高。作為功能陶瓷,納米氧化鋯因其出色的性能而具有巨大的市場已得到人們的共識,但是高效率、低成本的制備工藝卻少之又少。


        因此,研究納米氧化鋯粉體的表面改性技術(shù)法,探索穩(wěn)定環(huán)保的改性劑及其對粉體微觀結(jié)構(gòu)的影響機理,對納米氧化鋯陶瓷粉體的成功應(yīng)用至關(guān)重要。同時,探索生產(chǎn)周期短、成本低的納米氧化鋯生產(chǎn)工藝,對滿足市場的需求具有重要的意義。


        參考來源:

        靳藝凱等人:納米氧化鋯粉體制備及其表面改性技術(shù)的研究進展

        郭江濤:納米氧化鋯粉體的制備及表面修飾

        郭霞:納米氧化鋯基固體電解質(zhì)的可控制備及離子導(dǎo)電性

        段晴晴:納米氧化鋯的制備及應(yīng)用于納米陶瓷的性能研究

        中國粉體網(wǎng):納米復(fù)合氧化鋯粉市場騰飛的背景與競爭格局解析


        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青)

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        作者:空青

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