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无铁污染法制备高纯超细结晶型硅微粉的研究

作者:admin日期:2020-02-13阅读
以高硬度氧化锆珠研磨介质,对村聚氨酯搅拌磨无铁污染法制备高纯超细结晶硅微粉进行了研究。研究了结晶硅微粉粒径特征参数Dso随搅拌粉磨时间延长的变化规律,考察了钇稳定氧化锆珠对结晶硅徽粉的污染程度,探讨了1m以下结晶硅微粉的形貌特征。实验结果证明:用该搅拌磨磨细石英砂并经过沉降分级,可获得sio2质量分数为99.91%,粒径为1btm以下的高纯超细结晶硅微粉,不经分级可以获得粒径为61.5btm以下占99.99%的结晶硅微粉,但难以获得球形结晶硅微粉;钇稳定氧化锆珠对结晶硅微粉的污染程度小。磨损带进的ZrO2杂质占0.0246%,带进的Y2O3杂质为0.0014%。

0引言
硅微粉有着优良的物理、化学性能,是一种用途广的无机粉体材料。硅微粉有结晶硅微粉、熔融硅微粉、方石英硅微粉等,根据不同的质量品级,可将其用于橡胶、塑料、高级油漆、涂料、耐火材料、电器绝缘、电子封装、高档陶瓷、精密铸造等生产领域。其中多种用途对超细硅微粉的纯度、粒度和粒度分布有相当严格的要求。其生产工艺一般包括破碎、粉磨工序。粉磨一般用滚动球磨、搅拌球磨、振动球磨、气流磨等。搅拌磨由于其特殊的工作原理,与其他超细粉碎设备相比,具有粉碎效率高、能耗、产品粒度细、污染小、工艺过程简单等优点。但对用钇稳定氧化锆珠为研磨介质,将研磨桶内壁和搅拌器都衬以聚氨酯的搅拌磨用于粉磨制备高纯超细结晶硅微粉并能否获得球形结晶硅微粉,对结晶硅微粉粒径特征参数D 随搅拌粉磨时间延长的变化规律,钇稳定氧化锆珠对结晶硅微粉的污染程度,对lttm以下超细结晶硅微粉的形貌特征等缺乏研究和报道【1-5J。本文针对这些问题展开研究。
1实验条件及方法
1.1主要原料和仪器
1.1.1实验原料
石英粉:以脉石英为原料经过选矿提纯后的石英粉,SiO2的质量分数为99.94%,次要成分微量,小于0.074mm的部分占37.39%;钇稳定氧化锆珠:材质密度为6.0g/cm3,莫氏硬度9,直径为3mm;湿磨分散介质:蒸馏水。
1.1.2仪器
ZJM20T搅拌球磨机(研磨桶内壁及搅拌器均衬上聚氨酯),球磨桶容积为6L,搅拌器可调转速范围:0~1200r/rain,入料粒度尺寸小于0.25mm;LS—POP型激光粒度分析仪;纳米粒度与Zeta电位分析仪:型号为ZetasizerNanoZS90;JSM一6380LV型扫描电子显微镜。
1.2实法
通常情况下,装入搅拌球磨机的实验原材料配比料:水:研磨体=1:(0.8~1.1):(1.5~2.3)是适宜范围[引,亦可根据具体情况调整其比例。根据郑州市东方机器制造有限公司的ZJM20T搅拌球磨机的使用说明,计算确定介质球装填量、物料装填量和湿磨分散介质体积。经计算得:料:水
:研磨体=1.57kg:2.11kg:10.26kg=1:1.34:6.54。由于受材料的尺寸大小和密度的影响,实际选用这个比例是合适的。实际装料时介质球与浆料的总体积为球磨桶体积的75%~80%。搅拌球磨机的转速选定为600r/min。用欧美克激光粒度分析仪测定粉磨不同时间后的结晶硅微粉的粒度分布,用纳米粒度与Zeta电位分析仪测定晶硅微粉的粒度分布,用扫描电子显微镜观察分析结晶硅微粉的形貌特征。
2结果与讨论
2.1高纯超细硅微粉的一般质量要求纯度要求:Si02质量分数99.5%~99.9%;杂质要求:Fe203质量分数0.008%~0.03%,Al2O3质量分数0.06%~0.2%,MgO质量分数
0.002%,Na2O质量分数0.01%,TiO2质量分数0.01%,灼烧失量0.1%~0.15%;中位径D50(btm):2.5~150,7~35,8~25,33~150。
2.2粉磨不同时间后结晶硅微粉的粒度变化
2.2.1结晶硅微粉的粒度分布及粒径特征参数
粉磨6h后结晶硅微粉的粒度分布示于图1。
无铁污染法制备高纯超细结晶型硅微粉的研究
从图1看出,粒径43.9btm时的微分分布大为7.17%;大粒径是169.0m时,对应的微分分布为1.07%。并可以看出粉磨6h后结晶硅微粉的负累积百分数达到50%时的特征参数中位径Ds0是32.50m。
粉磨8h后结晶硅微粉的粒度分布见图2。
无铁污染法制备高纯超细结晶型硅微粉的研究
由图2看出,结晶硅微粉的粒径为43.9m时微分分布大为6.58%,大粒径为169.0m时,对应的微分分布为1.32%。同时可以看出粉磨8h后,结晶硅微粉的中位径D5o是3O.54m。
粉磨10h后结晶硅微粉的粒度分布示于图
3。
无铁污染法制备高纯超细结晶型硅微粉的研究(图3)
由图3看出,结晶硅微粉的粒径为22.4tLm
时的微分分布大是5.75%,大的粒径为169.0m时,其对应的微分分布为0.18%。也可以看出粉磨10h后结晶硅微粉的中位径D50是l4.23m。粉磨12h后结晶硅微粉的粒度分布示于图
4。
无铁污染法制备高纯超细结晶型硅微粉的研究
由图4看出,结晶硅微粉的粒径为8.14m时的微分分布大为6.48%,大粒径为72.8m时,其对应的微分分布为0.01%。不经分级可以获得质量分数为99.99%、粒径为61.5f』m以下的结晶硅微粉。由图4还可以看出粉磨12h
后结晶硅微粉的中位径D50是5.24m。
2.2.2结晶硅微粉粒径特征参数的变化规律
研究粉磨不同时间后结晶硅微粉粒径特征参数的变化规律,可以近似地了解搅拌磨粉磨石英粉的难易程度和粉磨动力学。以粉磨不同时间后的结晶硅微粉粒径特征参数D50这个5O%负累积分布百分数对应的粒径为参考。粉磨6、8、10和12h后的结晶硅微粉粒径特征参数D 分别为32.50、30.54、14.23和5.24m。以特征粒径为纵坐标,粉磨时间为横坐标作图,可得粉磨不同时间后粒径特征参数的变化规律曲线,见图5。
无铁污染法制备高纯超细结晶型硅微粉的研究
图5粉磨不同时间后结晶硅微粉粒径特征参数的变化规律
由图5看出,当粉磨时间由6h增加到8h时,石英粉的特征粒径变化较小,这可能是由于石英砂粒度较粗时,磨介的冲击力相对较小,不足以粉碎石英颗粒。当粉磨时间由8h延续至12h,
D50变小的速度明显,说明磨介的粉碎力适合于磨细试验时的石英砂粒度。
2.3晶硅微粉粒度分析
由图4可以得知,在粉磨12h后,物料粒度在1gm左右以下的占11.65%,故要通过沉降分级才能获取1ttm以下的石英粉体。若要增加 1m以下石英粉体产量,还需继续延长搅拌研磨时间。将粉磨12h后的石英粉在1000mL的量筒中进行自由沉降分级,沉降时间为14h,之后设法收集量筒中悬浮液中的结晶硅微粉。用纳米粒度与Zeta电位分析仪测定此结晶硅微粉的粒度,
粒度分布数据见表1。
表1晶硅微粉的粒度分析结果
无铁污染法制备高纯超细结晶型硅微粉的研究(图6)
从表1看出,用搅拌磨粉磨后再经分级可以制得小于1m的石英粉,可满足行业对原料粒度的要求。仪器分析测得粉末的平均粒径为624.7nlTl。
2.4结晶硅微粉的扫描电子显微镜分析
在扫描电子显微镜下观察晶硅微粉,照片见图6。
无铁污染法制备高纯超细结晶型硅微粉的研究(图7)
图6晶硅微粉的SEM分析图
从图6看出,绝大部分结晶硅微粉的粒径在1m以下,且多数颗粒形貌一致、均匀,有少数颗粒呈针状,呈球形的颗粒也很少。这主要是粉磨介质球和物料在搅拌器的驱动下作无规则的多维运动和自转运动,物料在介质球的冲击力、剪切力、研磨力等多种作用力下,不断被粉碎所致。石英晶粒力学性能上的多向异性也可能导致这种现象的发生。
2.5晶硅微粉的化学成分及被污染的程度
晶硅微粉的化学成分见表2。
表2晶硅微粉的化学成分%
无铁污染法制备高纯超细结晶型硅微粉的研究(图8)
由表2可知,晶硅微粉的Sio2质量分数可达到99.91%,其他组分质量分数很,已达到和超过环氧塑封料等用途的硅微粉要求。
晶硅微粉被污染的程度小,由研磨介质球磨损带进的ZrO2杂质占0.0246%,带进的Y,O 杂质也为0.0014%。
3结论
a.用搅拌磨在适当转速、适当磨矿质量分数和合适的磨介充填量下,经过12h的粉磨,可获得11.65%粒径为1m以下的结晶硅微粉;通过沉降分级可以获得SiO2质量分数为99.91%,粒径在1m以下的结晶硅微粉。不经分级可以获得粒径为61.5ITI以下占99.99%的结晶硅微粉。
b.用内衬聚氨酯的搅拌磨,以密度为6.0g/cm3、直径为西3mm的钇稳定氧化锆珠为研磨介质,可将高纯石英砂原料磨细成si02的质量分数为99.91%的结晶硅微粉,从化学成份和粒度考
虑,可达到一般高纯超细硅微粉的质量要求,甚至可达到和超过一般环氧塑封料用硅微粉的要求。
C.用搅拌磨制备的石英微粉,多数颗粒粒径均匀,即使粒径小于1m,仍有少数颗粒呈长条状,难以获得球形结晶硅微粉。
d.晶硅微粉被污染的程度小,由研磨介质磨损带进的ZrO2杂质占0.0246%,Y203杂质为0.0014%。