一种窄粒度分布的超细、纳米粉体制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有窄粒度分布范围的超细/纳米材料的制备方法。其工艺过程包括球磨（同时加入分散剂）、超声波分散、精密水力分级、烘干等步骤；所制备的产品平均粒径可达到微米、纳米级别，并且具有粒度分布窄的特点，非常适合用于陶瓷涂层制品、精细陶瓷制品的生产。
【专利说明】一种窄粒度分布的超细、纳米粉体制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种窄粒度分布的超细、纳米粉体制备方法，属于新材料领域。
【背景技术】
[0002] 超细、纳米粉末在精细陶瓷、陶瓷涂层等领域具有重要应用。但一般超细、纳米粉 末的粒度都有一个较宽的分布范围，即平均粒度为1 〇 〇 nm的粉末可能会存在少量微米 级甚至十几微米的颗粒，这将给某些方面的应用带来十分不利的影响(如制品强度下降、光 洁度降低、涂层厚度无法精确控制等)。因此窄粒度分布的超细、纳米粉末材料具有良好的 应用前景。
[0003] 各种制备方法得到的粉末材料中都存在一定的超粗、超细颗粒，这是在披露生产 过程中难以避免的。超粗的颗粒形成原因主要有粉末制备过程中成核长大或者粉末二次团 聚。目前的工艺技术主要采用球磨将初级粉末原料磨细，再用风力分级的方式进行分级以 得到窄粒度分布的粉末材料。但不可避免的球磨会出现死角区域，而且球磨停止后粉末活 性较高容易团聚而形成粉末团聚体；而在风力分级中无法打开团聚体而导致其分级精度不 高，因此产品中仍然会存在一些夹粗或超细的颗粒，这将无法满足一些高要求的应用领域。
[0004] 本发明以常规方法制备的粉末为初级原料，将其与分散剂、球磨介质(水、酒精等） 一起球磨，球磨后采用高速搅拌及超声波相结合的高强分散手段将粉末充分分散，在再超 声波分散措施存在的条件下将粉体浆料控制适当的流量依此流入不同直径的沉降柱，由于 不同直径沉降柱中的液体流速不同，因此不同粒度的粉末会在不同沉降柱内沉降。由于液 体的流速比气体的流速更易精确控制，因此能够得到粒度分布范围窄的粉体材料。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种窄粒度分布的超细、纳米粉体制备方法。
[0006] 本发明所述的一种窄粒度分布的超细、纳米粉体制备方法为： (1) 初级粉末原料球磨 将初级粉末原料(氧化物、碳化物、氮化物、单质等粉末）按料球比=1 : (3?10)的比 例与磨球一起放入球磨罐中；加入适量水或酒精作为球磨介质，加入十二烧基硫酸钠等作 为分散剂，在转速100?800r/min下球磨3?24小时； (2) 超声波分散 将球磨后的物料转移至金属或玻璃容器，在容器中插入超声波分散棒或将整个容器置 于超声波分散机中进行超声波振荡10分钟至2小时；可以在超声波分散的同时开启高速搅 拌； (3) 精密水力分级 将超声波振荡后的物料转移至水力分级设备（以水为介质的分级设备）的料槽中，开启 料槽中的搅拌和超声波分散棒，调节料槽出料口的阀门大小，控制适当流量使浆料依此通 过由小到大不同直径的沉降柱；不同直径的沉降柱中流速不同，不同粒度的粉末在不同直 径的沉降柱中沉降至并收集于容器中，粉末得到精密分级； (4)过滤烘干 将收集到的不同粒度的粉末，根据其粒度的大小，合适粒度的过滤、烘干直接作为产 品；也可根据需要直接将合适粒度的粉末浆料不经过滤直接作为产品；超粗的粉末返回第 (1)步重新球磨。
[0007] 2.所述的初级粉体材料是三氧化二铝、氧化锆、氧化硅、氧化镁、氧化锌、二氧化 钛、三氧化二硼等氧化物粉末中的一种；也可以是碳化硅、碳化钽、碳化铌、碳化铬等碳化物 粉末中的一种；还可以是氮化钛、氮化硅等氮化物粉末中的一种；还可以是石墨、硅、钽、铌 等单质粉末中的一种；还可以是钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等含锂粉末中的一种；还可以 是上述粉末的混合物。
[0008] 3 ·所述的第（3)步"精密水力分级"工序中所述的水力分级中的介质水也可以采 用酒精、Y -丁内脂、碳酸二甲酯、丙三醇、N甲基吡咯烷酮中的一种或一种以上的混合物 作为介质。
[0009] 上述方法所制备的产品平均粒径可达到微米、纳米级别，并且具有粒度分布窄的 特点，粉体中没有超粗的粉末夹杂，非常适合用作高端精密陶瓷产品、超薄涂层产品、高光 洁度要求的陶瓷产品等。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为本发明所述的水力分级装置示意图。
[0011] 图2为本发明制备的粉末扫描电镜照片，可以看出粉末颗粒大小均匀。
[0012] 图3为对比例制备的粉末扫描电镜照片，可以看出粉末中有夹粗现象。
【具体实施方式】
[0013] 实施例1 (1) 初级粉末原料球磨 将初级三氧化二错粉末原料按料球比=1 :1〇的比例与磨球一起放入球磨罐中；加入 适量水作为球磨介质，加入粉末原料量2 %的十二烷基硫酸钠作为分散剂，在转速800r/ min下球磨24小时； (2) 超声波分散 将球磨后的物料转移至不锈钢容器中，开启高速搅拌，转速2 0 0 Or/min，在容器中 插入超声波分散棒进行超声波振荡2小时； (3) 精密水力分级 将超声波振荡后的物料转移至水力分级设备（以水为介质的分级设备，如图1所示， 图中1、2、3为不同直径的沉降柱，4、5、6为粉末收集瓶，7为料槽，8为超声波分散 棒，9为高速搅拌）的料槽中，开启料槽中的搅拌和超声波分散棒，调节料槽出料口的阀门 大小，控制适当流量使浆料依此通过由小到大不同直径的沉降柱；不同直径的沉降柱中流 速不同，不同粒度的粉末在不同直径的沉降柱中沉降至并收集于容器中，粉末得到精密分 级； (4) 过滤烘干 将收集到的不同粒度的粉末，根据其粒度的大小，合适粒度的过滤、烘干得到样品，样 品的粒度指标如表1所示，扫描电镜照片如图2所示；超粗的粉末返回第（1)步重新球磨。
[0014] 实施例2 (1) 初级粉末原料球磨 将氧化锆初级粉末原料按料球比=1 :3的比例与磨球一起放入球磨罐中；加入适量水 作为球磨介质，在转速100r/min下球磨1 0小时； (2) 超声波分散 将球磨后的物料转移至金属或玻璃容器，高速在容器中插入超声波分散棒或将整个容 器置于超声波分散机中进行超声波振荡1小时； (3) 精密水力分级 将超声波振荡后的物料转移至水力分级设备的料槽中，开启料槽中的搅拌和超声波分 散棒，调节料槽出料口的阀门大小，控制适当流量使浆料依此通过由小到大不同直径的沉 降柱；不同直径的沉降柱中流速不同，不同粒度的粉末在不同直径的沉降柱中沉降至并收 集于容器中，粉末得到精密分级； (4) 过滤烘干 将收集到的不同粒度的粉末，根据其粒度的大小，合适粒度的过滤、烘干得到样品，样 品的粒度指标如表1所示；超粗的粉末返回第（1)步重新球磨。
[0015] 实施例3 (1) 初级粉末原料球磨 将氧化锌和氧化镁(各5 0 % )初级粉末原料按料球比=1 : 8的比例与磨球一起放入 球磨罐中；加入适量酒精作为球磨介质，加入粉末量1 %的聚酰胺和粉末量1 %的四甲基 氢氧化铵作为分散剂，在转速5 OOr/min下球磨1 2小时； (2) 超声波分散 将球磨后的物料转移至玻璃容器中，将容器中置于超声波分散机中进行超声波振荡1 小时；同时开启高速搅拌（1 5 0 Or/min)。
[0016] (3)精密水力分级 将超声波振荡后的物料转移至以酒精为介质的分级设备的料槽中，开启料槽中的搅拌 和超声波分散棒，调节料槽出料口的阀门大小，控制适当流量使浆料依此通过由小到大不 同直径的沉降柱；不同直径的沉降柱中流速不同，不同粒度的粉末在不同直径的沉降柱中 沉降至并收集于容器中，粉末得到精密分级； (4)过滤烘干 将收集到的不同粒度的粉末，根据其粒度的大小，合适粒度的过滤、烘干得到样品，样 品的粒度指标如表1所示；超粗的粉末返回第（1)步重新球磨。
[0017] 实施例4 (1)初级粉末原料球磨 将石墨（2 %)、碳化铌（2 %)、磷酸亚铁锂（9 6 % )初级粉末原料按料球比=1 : 5的 比例与磨球一起放入球磨罐中；加入粉末量2 0 0 %的Y -丁内脂和粉末量3 0 0 %碳 酸二甲酯作为球磨介质，加入粉末量1 %的聚丙烯酸和粉末量1 %的亚甲基双荼磺酸钠作 为分散剂，在转速3 OOr/min下球磨3小时； (2) 超声波分散 将球磨后的物料转移至金属或玻璃容器，在容器中插入超声波分散棒进行超声波振荡 0 . 5小时； (3) 精密水力分级 将超声波振荡后的物料转移至丁内脂和碳酸二甲酯分级设备的料槽中，开启料槽中的 搅拌和超声波分散棒，调节料槽出料口的阀门大小，控制适当流量使浆料依此通过由小到 大不同直径的沉降柱；不同直径的沉降柱中流速不同，不同粒度的粉末在不同直径的沉降 柱中沉降至并收集于容器中，粉末得到精密分级； (4) 过滤烘干 将收集到的不同粒度的粉末，根据其粒度的大小，合适粒度的过滤、烘干得到样品，样 品的粒度指标如表1所示；超粗的粉末返回第（1)步重新球磨。
[0018] 对比例1 (1)初级粉末原料球磨 将初级三氧化二错粉末原料按料球比=1 :1〇的比例与磨球一起放入球磨罐中；加入 适量水作为球磨介质，在转速800r/min下球磨24小时； (2 )过滤烘干 将球磨后的粉末过滤、烘干； (3)风力分级 用风力分级的方式将球磨后的干燥粉末进行分级，得到对比例的样品的粒度指标如表 1所示，扫描电镜照片如图3所示。
[0019] 由上述实施例和对比例的粉末粒度列表及扫描电镜照片可以看出，采用本发明工 艺制备的粉末粒度分布窄，无夹粗现象。
[0020] 表 1
【权利要求】
1. 本发明涉及一种窄粒度分布的超细/纳米粉体材料的制备工艺，其工艺特征包括以 下步骤： (1) 初级粉末原料球磨 将初级粉末原料按料球比=1 : (3?10)的比例与磨球一起放入球磨罐中；加入适量 水或酒精作为球磨介质，在转速100?800r/min下球磨3?24小时； (2) 超声波分散 将球磨后的物料转移至金属或玻璃容器，在容器中插入超声波分散棒或将整个容器置 于超声波分散机中进行超声波振荡10分钟至2小时； (3) 精密水力分级 将超声波振荡后的物料转移至水力分级设备（以水为介质的分级设备）的料槽中，开启 料槽中的搅拌和超声波分散棒，调节料槽出料口的阀门大小，控制适当流量使浆料依此通 过由小到大不同直径的沉降柱；不同直径的沉降柱中流速不同，不同粒度的粉末在不同直 径的沉降柱中沉降至并收集于容器中，粉末得到精密分级； (4) 过滤烘干 将收集到的不同粒度的粉末，根据其粒度的大小，合适粒度的过滤、烘干直接作为产 品；超粗的粉末返回第（1)步重新球磨。
2. 如权利要求1所述的窄粒度分布的超细/纳米粉体材料的制备工艺，其特征在于所 述的粉体材料是三氧化二铝、氧化锆、氧化硅、氧化镁、氧化锌、二氧化钛、三氧化二硼等氧 化物粉末中的一种；也可以是碳化硅、碳化钽、碳化铌、碳化铬等碳化物粉末中的一种；还 可以是氮化钛、氮化硅等氮化物粉末中的一种；还可以是石墨、硅、钽、铌等单质粉末中的一 种；还可以是钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等含锂粉末中的一种；还可以是上述粉末的混合 物。
3. 如权利要求1所述的窄粒度分布的超细/纳米粉体材料的制备工艺，其特征在于所 述的第（1)步"初级粉末原料球磨"或第（2)步"超声波分散"工序中加入分散剂，以进一步 提高分散效果；分散剂可以是十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚酰胺、四甲基氢氧 化铵、亚甲基双荼磺酸钠、酒精、N甲基吡咯烷酮中的一种或一种以上的混合物。
4. 如权利要求1所述的窄粒度分布的超细/纳米粉体材料的制备工艺，其特征在于所 述的第（2 )步"超声波分散"工序中可以同时加入高速搅拌。
5. 如权利要求1所述的窄粒度分布的超细/纳米粉体材料的制备工艺，其特征在于所 述的第（3)步"精密水力分级"工序中所述的水力分级中的介质水也可以采用酒精、γ -丁 内脂、碳酸二甲酯、丙三醇、N甲基吡咯烷酮中的一种或一种以上的混合物作为介质。
6. 如权利要求1所述的窄粒度分布的超细/纳米粉体材料的制备工艺，其特征在于所 述的第（4) "过滤烘干"工序的收集到的不同粒度的粉末，也可以将合适粒度范围的粉末不 经过滤，而直接以粉末浆料的形式作为产品。
【文档编号】C04B35/626GK104230349SQ201310231812
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月13日 优先权日:2013年6月13日
【发明者】李荐, 杨亮, 周宏明 申请人:张家港能瓷材料科技有限公司