一种纳米氧化锆造粒粉末的制备方法与流程

本发明属于纳米陶瓷材料领域，具体涉及一种纳米氧化锆造粒粉末的制备方法。

背景技术：

氧化锆陶瓷因具有高的强度、高的硬度、高的断裂韧性以及优异的耐化学腐蚀性能，被广泛用在多个工业领域。但是，和其它陶瓷材料一样，氧化锆陶瓷由于熔点和硬度高，脆性大，一般只能采用固相烧结成型的方法，也即先将氧化锆粉末制成坯体，再对坯体进行高温烧结。

高性能氧化锆陶瓷的制备需要首先制备出密度均匀、缺陷少的坯体，而坯体的成型方法是决定坯体质量的核心。常见的制坯成型方法有压制法、浇注法、注射法、流延法等。其中，压制法具有设备投入低、操作简单、易自动化等优点，被广泛用于简单形状陶瓷坯体的制备。采用压制工艺制备氧化锆坯体时，需要先将氧化锆粉末制备成流动性好的球形造粒粉，再将球形造粒粉装入模具中加压，粉末在压力下收缩变形，形成与模具内腔形状相同的坯体。压制工艺要求造粒粉颗粒内部缺陷少，流动性好，易变形等。在各类压制用球形造粒粉末的制备方法中，喷雾干燥造粒由于投资小、效率高、所制备的造粒粉末性能好等优点而被广泛应用。

采用纳米粉末制备陶瓷，具有烧结温度低、制品力学性能高等优点。然而，大量的研究表明，采用喷雾干燥对纳米粉末进行造粒时，由于纳米粉末的质量小，在水分蒸发所形成的毛细管力的作用下，粒子会向颗粒表面迁移，形成的是空心或异型结构(苹果型、洋葱圈型等)的非球形粉末。采用该类粉末压制坯体时，对于空心结构的造粒粉末，由于粉末中心含有大量的气体，粉末变形时极易将气体封闭在其中，被封闭的气体在退压后膨胀，易造成坯体分层。为避免坯体分层，在压制时通常需要采用慢的加压速度、长的保压时间和更高的压制力，不仅设备投入大，同时生产效率低，生产成本高。对于异型结构造粒粉末，所制成的坯体中孔隙的尺寸通常远高于所用纳米粉末的尺寸而导致在陶瓷中产生较大的缺陷。

为了降低由于造粒粉末的空心或异形结构带来的坯体缺陷，提升陶瓷制品的性能，有研究者采用有机溶剂低温喷雾造粒法和喷雾冷冻干燥法制备出多孔结构造粒粉末，研究发现，采用该种造粒粉末压制坯体时，可以在低的压制压力、短的保压时间情况下，压制出缺陷少、密度高的坯体。但是，由于有机溶剂低温喷雾造粒法使用的是有机溶剂，在制备浆料、喷雾造粒阶段均需要密封处理，导致设备昂贵，安全管理难度大，粉末成本高；喷雾冷冻干燥法需要在低温、真空下缓慢的排除粉末中的水分，设备投入大，粉末的制备成本极高，影响其在工业中的大规模应用，需要一种更低成本的方法来制备该种类的多孔粉末。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种纳米氧化锆造粒粉末的制备方法。采用该种方法制备的粉末，其结构和性能与采用有机溶剂低温喷雾造粒法或喷雾冷冻干燥法制备的纳米氧化锆造粒粉末相似，但成本低，可大规模应用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种纳米氧化锆造粒粉末的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一，将纳米氧化锆粉末、去离子水、分散剂混合均匀得到浆料；

步骤二，将浆料磨细至颗粒尺寸小于200nm；

步骤三，在磨细后的浆料中加入絮凝剂，并低速搅拌均匀；

步骤四，在步骤三中所述搅拌均匀的浆料中加入粘接剂，继续低速搅拌至均匀；

步骤五，对步骤四中得到的浆料进行喷雾干燥处理，得到造粒料；

步骤六，将造粒料进行筛分处理，保留其中粒径小于160um的粉末，得到一种纳米氧化锆造粒粉末。

作为本发明的一种改进，所述步骤一中所述浆料中氧化锆粉末的含量为(20～30)％；所述分散剂为聚丙烯酸胺，所述分散剂用量为纳米粉末重量的(0.5～1.0)％。聚丙烯酰胺在水中离解后，其高分子基团一端吸附在纳米颗粒表面，另一端相互缠绕，将浆料中的纳米颗粒连接成疏松絮状的聚集体。在喷雾造粒时，一方面，疏松絮状聚集体之间相互摩擦形成阻碍，抑制其中的纳米颗粒向表面迁移，避免了空心或异形结构粉末的形成。

作为本发明的一种改进，步骤三中所述的絮凝剂为阴离子型聚丙烯酰胺，其分子量为8000～12000，用量为纳米粉末重量的(0.1～0.2)％；所述的搅拌速度为不高于30转/分钟。

作为本发明的一种改进，步骤四中所述的粘接剂为丙烯酸树脂，用量为纳米粉末重量的3％；所述的搅拌速度为不高于60转/分钟。

作为本发明的一种改进，步骤五中喷雾造粒时，进口温度为(360～380)℃，出口温度为(105～115)℃。

本发明的技术原理是：本发明在分散好的纳米氧化锆浆料中加入了聚丙烯酰胺絮凝剂，絮凝剂在水中离解后，其高分子基团一端吸附在纳米氧化锆粒子表面，另一端相互缠绕，将浆料中的纳米氧化锆粒子连接成疏松絮状的聚集体。在喷雾造粒时，一方面，疏松絮状聚集体之间相互摩擦形成阻碍，抑制其中的纳米氧化锆粒子向表面迁移，最终形成的是类似有机溶剂低温喷雾造粒法或喷雾冷冻干燥法制备的多孔球形造粒粉末，避免了空心或异形结构粉末的形成。

本发明所使用的阴离子型聚丙烯酰胺为日常工业中常用的絮凝剂，价格便宜，用量低，不会明显增加成本。并且由于具有与有机溶剂低温喷雾造粒法或喷雾冷冻干燥法粉末相似的多孔结构，与目前市售的造粒粉末相比，具有成坯压力低、坯体缺陷少，制品性能好等优点。

与能够制备多孔球形粉末的有机溶剂低温喷雾造粒法或喷雾冷冻干燥工艺相比，本发明的方法仅增加少量的增加絮凝剂和搅拌时间，不需要改变现有工业中常用的喷雾干燥体系，不需要增加高密封的在砂磨机、有机溶剂喷雾干燥塔、低温冷冻设备、低温真空干燥设备等，具有投入小，生产成本低的优点。

附图说明

图1：本发明一种纳米氧化锆造粒粉末的表面sem照片；

图2：本发明一种纳米氧化锆造粒粉末的截面sem照片；

图3：对比造粒粉末的表面sem照片；

图4：对比造粒粉末的截面sem照片；

图5：本发明一种纳米氧化锆造粒粉末坯体的截面光学照片；

图6：对比造粒粉末坯体的截面光学照片。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

一种纳米氧化锆造粒粉末,其制备方法包括如下步骤：

步骤一：将纳米氧化锆粉末和去离子水按照20％固含量混合,并加入氧化锆粉末重量0.5％的分散剂，混合均匀得到浆料；

步骤二：采用砂磨机研磨浆料，直至浆料中的颗粒尺寸小于200nm；

步骤三：在磨细后的浆料中加入分子量为8000的阴离子型聚丙烯酰胺，加入量为纳米氧化锆粉末重量的0.2％，采用25转/分钟的搅拌速度搅拌至均匀；

步骤四：在浆料中继续加入丙烯酸树脂，加入量为纳米氧化锆粉末重量的3％，继续采用50转/分钟的搅拌速度搅拌至均匀；

步骤五：浆料进行喷雾干燥处理，得到造粒料；造粒时的进口温度为360℃，出口温度为110℃；

步骤六：将烧结后的粉末进行筛分处理，去除其中粒径大于160um的粉末，最终得到纳米氧化锆造粒粉末。

本发明实施例制备的一种纳米氧化锆造粒粉末的表面和截面sem照片如附图1和附图2所示。从附图中可以看出，本发明制备的粉末为球形多孔结构，没有空心或异形结构。附图3和附图4是采用本发明方法除步骤3外的其它步骤制备的对比造粒粉末，可以看出，当没有添加絮凝剂时，粉末为异形或空心结构。

将本发明的一种纳米氧化锆造粒粉末与对比造粒粉末在120mpa压力下制坯，并在1480℃下保温2h烧结，坯体和陶瓷的性能如下表1所示：

表1：本发明造粒粉和对比粉制备氧化锆坯体及陶瓷性能对比

从表中可以看出，在相同的压力和烧制温度下，采用本发明方法制备的的多孔球形粉末，其坯体密度、陶瓷密度和弯曲强度明显优于对比粉。从附图5和附图6可以看出，采用本发明方法制备的的多孔球形结构粉末，坯体明显致密，而对比粉的坯体中存在一定数量的未变形完全的粉末，说明采用本发明方法制备的多孔球形粉末，更易压制高性能的氧化锆坯体。

实施例2：一种纳米氧化锆造粒粉末,其制备方法包括如下：

步骤一：将纳米氧化锆粉末和去离子水按照25％固含量混合,并加入氧化锆粉末重量0.75％的分散剂，混合均匀得到浆料；

步骤二：采用砂磨机研磨浆料，直至浆料中的颗粒尺寸小于200nm；

步骤三：在磨细后的浆料中加入分子量为10000的阴离子型聚丙烯酰胺，加入量为纳米氧化锆粉末重量的0.15％，采用50转/分钟的搅拌速度搅拌至均匀；

步骤四：在浆料中继续加入丙烯酸树脂，加入量为纳米氧化锆粉末重量的2％，继续采用30转/分钟的搅拌速度搅拌至均匀；

步骤五：浆料进行喷雾干燥处理，得到造粒料；造粒时的进口温度为360℃，出口温度为110℃；

步骤六：将烧结后的粉末进行筛分处理，去除其中粒径大于160um的粉末，最终得到纳米氧化锆造粒粉末。

将本发明的一种纳米氧化锆造粒粉末与对比造粒粉末在120mpa压力下制坯，并在1480℃下保温2h烧结，测得其坯体密度为2.95g/cm³，陶瓷的密度为6.02g/cm³，弯曲强度为1190mpa，制品性能优异。

实施例3：一种纳米氧化锆造粒粉末,其制备方法包括如下：

步骤一：将纳米氧化锆粉末和去离子水按照30％固含量混合,并加入氧化锆粉末重量1％的分散剂，混合均匀得到浆料；

步骤二：采用砂磨机研磨浆料，直至浆料中的颗粒尺寸小于200nm；

步骤三：在磨细后的浆料中加入分子量为12000的阴离子型聚丙烯酰胺，加入量为纳米氧化锆粉末重量的0.1％，采用50转/分钟的搅拌速度搅拌至均匀；

步骤四：在浆料中继续加入丙烯酸树脂，加入量为纳米氧化锆粉末重量的2％，继续采用30转/分钟的搅拌速度搅拌至均匀；

步骤五：浆料进行喷雾干燥处理，得到造粒料；造粒时的进口温度为360℃，出口温度为110℃；

步骤六：将烧结后的粉末进行筛分处理，去除其中粒径大于160um的粉末，最终得到纳米氧化锆造粒粉末。

将本发明的一种纳米氧化锆造粒粉末与对比造粒粉末在120mpa压力下制坯，并在1480℃下保温2h烧结，测得其坯体密度为2.96g/cm³，陶瓷的密度为6.03g/cm³，弯曲强度为1207mpa，制品性能优异。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。