专利名称：无研磨介质微粒化的分散方法
技术领域：
本发明是关于一种将陶瓷或金属氧化物的粉体微粒化及分散的方法，特别是不须使用研磨介质，而将含有陶瓷粉体或金属氧化物粉体的流体，利用超高剪切力及冲撞力在微米尺度反应器室内，将流体中粒子微小化或分散，其可达微米或奈米尺度。
背景技术：
陶瓷材料的性能(即最终产品的机械强度)取决于粉末材料和分散浆料的物理属性，陶土粉末的粒径大小、粒径分布以及陶土粉末悬浮液的流变属性尤其重要。而粒径会决定在烧结时达到最终密度所需的时间和温度(较细的颗粒所需的烧结时间较短)。粒径与生坯中孔隙的大小也有直接的关系。较大的颗粒往往会使压实不充分，从而产生较大的孔隙。这些孔隙会在烧结过程中保留下来，而降低最终产品的强度。压实效果可以通过降低粒度得到改善。使用多分散的陶土粉末效果较好，因为这些粉末中存在的微小颗粒可以填补较大颗粒间的空隙，从而减小总的孔隙。最后，必须避免较大的结块，因为与分散良好的颗粒相比，在烧结过程中结块颗粒的变大速度更快，因此会导致形成缺陷，从而降低烧结产品的强度。测量悬浮情况下的微粒物质的流变属性通常作为一个分散质量指标以及判断是否存在结块的方法。此外，控制分散稳定性可以防止结块的形成，以免在生坯中形成空隙。
过去分散陶瓷浆料的方法多使用球磨方式，而利用球磨方式会对粒子造成损害以及污染浆料，对于需要高精密度的电子零件来说，是一项极大的隐忧。因此，本发明利用无研磨介质微粒化分散方法来达到粒子微小化以及分散的目标。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种无研磨介质微粒化的分散方法，可达到粒子微小化以及分散的目标。
本发明的一目的在于提供一种无研磨介质微粒化的分散方法，包含(a)将粉体、溶剂与分散剂混合形成一浆料；(b)将步骤(a)中的浆料置入无研磨介质分散设备；(c)根据步骤(a)的浆料特性设定前述设备的压力；以及(d)启动前述设备使浆料均匀分散以达预定的粘度。
前述步骤(a)中的粉体可为陶瓷或金属氧化物粉体。金属氧化物粉体包括，但不限于氧化铝、氧化锌、二氧化钛、钛酸钡、氧化锆、氮化硅或碳化硅。
前述步骤(a)中的溶剂包括，但不限于水、乙醇、甲苯、丙酮、正丁醇或甲基乙基酮(methyl ethyl ketone)。
前述步骤(a)中的分散剂包含，但不限于鱼油(fish oils)或浓缩芳香羟基硫酸(condensed arylsulfonic acid)。
前述步骤(a)中的浆料可进一步包含塑化剂或粘结剂。塑化剂包含，但不限于聚乙二醇(polyethylene glycol)、聚烷基乙二醇油衍生物(polyalkylene glycol derivatives)、磷苯二甲酸丁酯苯甲酯(butyl benzyl phthalate)或乙基甲苯磺胺剂(ethyl toluene sulfonamides)。粘结剂包含，但不限于聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)、聚乙烯缩丁醛树脂(polyvinyl butyralresin)、甲基纤维(methyl cellulose)或聚乙烯(polyethylene)。
前述步骤(b)的无研磨介质分散设备为微粒分散设备(Microfluidizer)，包含一加压装置及一反应器，前述反应器内包含一微米尺度的孔道，用以产生剪切力及冲撞力。本设备是利用高剪切力及冲撞力使浆料中的粒子微小化或分散。前述剪切力范围为7×105sec-1-6×106sec-1，较佳为2.5×106sec-1-5×106sec-1，更佳为3.5×106sec-1-5×106sec-1。
前述步骤(c)中的压力范围为5000psi-27000psi，较佳为10000psi-27000psi。
前述方法可进一步结合以下方法形成一坯片，该方法包含(e)将前述步骤(d)均匀分散后的浆料加入粘结剂混合；(f)除泡；
(g)刮刀成型；以及(h)高温烧结。
本发明利用无研磨介质微粒化分散技术制备陶瓷或金属氧化物的粉体浆料，使该粉体微粒化及分散，而不须使用研磨介质。该方法是将含有陶瓷粉体或金属氧化物粉体的流体，利用超高剪切力及冲撞力在微米尺度反应器室内，将流体中粒子微小化或分散，其可达微米或奈米尺度。此外，可进一步再利用刮刀成型法将此浆料制成生坯片后，在不添加烧结助剂下高温烧结成陶瓷或金属氧化物基板。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中图1是利用本发明的方法制得坯片的流程图。
图2是为本发明实施例一的浆料粒径分布图。
图3是为本发明实施例二中，本发明方法与球磨方法的剪切力与粘滞度关系图。
图4是为本发明实施例二中，本发明方法在相同条件下不同批次所做出浆料的剪切力与粘滞度关系图。
图5是为本发明实施例二中，本发明方法所研磨的浆料，放置不同天数以后的剪切力与粘滞度关系图。
图6是为本发明实施例二中，本发明方法所研磨的不同固含量浆料的剪切力与粘滞度关系图。
图7是为本发明实施例二中，以传统球磨方法以及本发明方法所制作的坯片的致密度图。
具体实施例方式
本发明是提供一种无研磨介质微粒化的分散方法，包含(a)将粉体、溶剂与分散剂混合形成一浆料；(b)将步骤(a)中的浆料置入无研磨介质分散设备；(c)根据步骤(a)的浆料特性设定前述设备的压力；以及(d)启动前述设备使浆料均匀分散以达预定的粘度范围以符合流体流变特性。
前述粘度较佳范围在低转速(6rpm)时为500-2000cp、高转速(60rpm)时为3500-10000cp。
前述无研磨介质微粒化分散设备不需要磨球等研磨介质即可达到微粒化及分散的效果。该无研磨介质微粒化分散设备包含一加压装置及一反应器，主要微粒化反应的部份是在微米尺度的反应器(generator)室内，其内部构造是由超硬材质(如金钢石等)上形成数百微米的孔道，其工作原理为利用加压装置提供的高压将流体打入反应器室内，由于流体粒子间以及粒子与器壁间的对撞产生的超高剪切力(shear force)及冲击力(impact)，使得流体中粒子能快速的微小化或分散。当固定微孔道直径时，不同压力会使液体产生不同的流量，则计算出来的剪切力也不同，越高压时，其剪切力会越大，亦即微粒化或分散效果越好。因此，当流体经过此反应器室内，其剪切力增加数千倍，使得流体经由剪切力的作用而达到快速微小化、乳化或分散。
关于无研磨介质微粒化分散设备的压力设定可视浆料特性作调整，且当浆料第一次进入无研磨介质微粒化分散设备时，设备所设定的压力会影响粒子微小化的时间以及粒径大小，但不影响浆料本身的性质。然而当加入塑化剂后，浆料进入分散设备时，设备所设定的循环压力较佳需能控制在5000psi左右，以降低剪接力对于塑化剂的高分子结构的破坏以及对于浆料性质的影响。
本发明的浆料配方比例可根据不同粘度需求而调整，调整方式可为熟知此技艺的人根据已知技术实施，以下实施例中所使用的浆料配方仅为使用本发明方法所分散的配方之一。
图1是利用本发明的方法制得坯片的流程图，首先将粉体、溶剂、与分散剂预混合后，置入无研磨介质分散设备分散，接着加入塑化剂，再以无研磨介质分散设备分散，接着加入粘结剂，经过混合及除泡、刮刀成型，最后即可高温烧结形成坯片。
以下是提供利用本发明的实施例详细说明书本发明的技术及特点，然本实施例并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。
实施例实施例一、以无研磨介质分散制程制作坯片将氧化铝粉、MEK(丁酮，或称甲基乙基酮Methyl EthylKetone)、无水乙醇及分散剂预先混合均匀，其配方比如表一所示。将预混好的浆料置入微粒分散设备(Microfluidizer)，以10,000psi的压力通过反应器(generator)并于机台内循环6次，循环过程中以18℃的水冷却以避免反应器内因高剪切力及冲击力产生过多的热。接着加入塑化剂并将压力调整至5,000psi并于机台内循环2次后收集浆料，并加入粘结剂以高转速(-200rpm)滚动12hr后，再以低转速(-20rpm)除泡12hr，测其粘度。之后将符合流变行为的浆料做拉带(casting)及烧结(sintering)。
表一
*2为较高固含量的配比粒径测量结果如图2所示，q(％)是指密度分布，亦即在此粒径下所占有粒子的数量或体积。由粒径分布状态可发现以球磨方式研磨浆料的颗粒约为2976.3nm，而以本发明的方法研磨浆料时，使用两次或四次的浆料颗粒大小约为1509.9nm，显示本发明的方法相较于传统球磨方式所研磨的浆料颗粒较为细致，即本发明的浆料分散效果较已知技术为佳。
实施例二、以无研磨介质分散制程处理浆料的特性测试将根据实施例一所处理的浆料进行浆料特性测试，浆料必须符合高剪切力低粘度、低剪切力高粘度的流体流变行为。由图3可知，由无研磨介质微粒化分散技术所得的浆料粘度特性与传统由球磨技术所得的浆料粘度特性接近一致。而根据图4显示，以本发明于相同条件下不同批次所做出来的浆料，其粘度特性皆符合流体流变行为，显示本发明的无研磨介质分散方式的再现性佳。反观传统球磨制程的浆料，其不同批次的再现性极差，如图4中箭头所指的两曲线所示。此外根据图5显示，将本发明同批次制成的浆料维持流动放置一段时间(0天、1天、2天、7天、14天)后，其所得的粘度特性仍不会变，则显示利用本发明研磨的浆料其稳定性佳。
由于高固含量会使浆料粘度增加，传统球磨技术由于粘度太高会使磨球无法研磨，因此其粉体的固含量限制在70％左右。若以本发明的无研磨介质分散技术可成功制备出粉体固含量80％以上的浆料，且其粘度特性亦符合流体流变行为，如图6所示。
根据图7显示，利用本发明的方法所制备出的浆料，以刮刀成型制作生坯片，并且在不添加烧结助剂下高温烧结成基板，其所得的致密度皆达95％以上，与传统球磨技术达到相似的结果。
综上所述，球磨制程以及无研磨介质分散制程的比较如表二，显示本发明较传统制程具有节省时间、再现性高、稳定性高即粘度变动率小、可应用于固含量高的浆料研磨等优点。本发明研究利用无研磨介质微粒化分散方法来达到粒子微小化以及分散的目标，不但不会污染浆料，对于粒子的损害更可以忽略；此外，浆料经由此方法其效率高，作业时间短等，极具有发展的潜力。
表二
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此，本发明的保护范围，当视后附的申请专利范围所界定的为准。
其它实施态样本发明的实施方法已详述于前述实施例中，任何熟悉本技术领域的人士皆可依本发明的说明，在不背离本发明的精神与范围内视需要更动、修饰本发明，因此，其它实施态样亦包含在本发明的申请专利范围中。
权利要求
1.一种无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，包含(a)将粉体、溶剂与分散剂混合形成一浆料；(b)将步骤(a)中的浆料置入无研磨介质分散设备；(c)根据步骤(a)的浆料特性设定前述设备的压力；以及(d)启动前述设备使浆料均匀分散以达预定的粘度。
2.如权利要求1所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述步骤(a)中的粉体可为陶瓷或金属氧化物粉体。
3.如权利要求2所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述金属氧化物粉体包括氧化铝、氧化锌、二氧化钛、钛酸钡、氧化锆、氮化硅、碳化硅。
4.如权利要求1所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述步骤(a)中的溶剂包含水、乙醇、甲苯、丙酮、正丁醇或甲基乙基酮。
5.如权利要求1所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述步骤(a)中的分散剂包含鱼油或浓缩芳香羟基硫酸。
6.如权利要求1所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述步骤(a)中的浆料可进一步包含塑化剂或粘结剂。
7.如权利要求6所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述塑化剂包含聚乙二醇、聚烷基乙二醇油衍生物、磷苯二甲酸丁酯苯甲酯或乙基甲苯磺胺剂。
8.如权利要求6所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述粘结剂包含聚乙烯醇、聚乙烯缩丁醛树脂、甲基纤维或聚乙烯。
9.如权利要求1所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述的无研磨介质分散设备为微粒分散设备。
10.如权利要求1所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述步骤(c)中的压力范围为5000psi-27000psi。
11.如权利要求1所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述步骤(c)中的压力范围为10000psi-27000psi。
12.如权利要求1所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述研磨介质分散设备是利用高剪切力及冲撞力使浆料中的粒子微小化或分散。
13.如权利要求12所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述剪切力范围为7×105sec-1-6×106sec-1。
14.如权利要求13所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述剪切力范围为2.5×106sec-1-5×106sec-1。
15.如权利要求14所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述剪切力范围为3.5×106sec-1-5×1066sec-1。
16.如权利要求1所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述研磨介质分散设备包含一加压装置及一反应器。
17.如权利要求16所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述反应器内包含一微米尺度的孔道，用以产生剪切力及冲撞力。
18.如权利要求1所述的无研磨介质微粒化的分散方法，其特征在于，其中前述方法可进一步结合以下方法形成一坯片，该方法包含(e)将前述步骤(d)均匀分散后的浆料加入粘结剂混合；(f)除泡；(g)刮刀成型；以及(h)高温烧结。
全文摘要
本发明提供一种无研磨介质微粒化的分散方法，包含(a)将粉体、溶剂与分散剂混合形成一浆料；(b)将步骤(a)中的浆料置入无研磨介质分散设备；(c)根据步骤(a)的浆料特性设定前述设备的压力；以及(d)启动前述设备使浆料均匀分散以达预定的粘度。本发明是利用超高剪切力及冲撞力，将流体中粒子微小化或分散，其可达微米或奈米尺度。
文档编号B28C1/02GK1927467SQ200510099698
公开日2007年3月14日 申请日期2005年9月7日 优先权日2005年9月7日
发明者黄纬苓, 赖庆智, 张世杰, 王朝仁 申请人:财团法人工业技术研究院