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在特種陶瓷行業(yè)中, 粉料的細粉碎是很重要的一個環(huán)節(jié), 粒度小且分布窄的粉料可以降低材料的燒結(jié)溫度, 提高材料的性能。近年來, 超細粉體的制備與表面改性技術(shù)日益受到了重視。國內(nèi)目前在工業(yè)上應(yīng)用的超細粉碎方法主要有水熱法和氣流磨粉碎法。本文中介紹另一種可以工業(yè)化應(yīng)用的超細粉碎方法———砂磨機粉碎法。雖然砂磨機粉碎法在國內(nèi)的陶瓷行業(yè)中有不同程度的應(yīng)用, 但其粉碎極限是顆粒平均粒徑d50 約0.7 #m。在日本, 以三井株式會社為代表, 通過改進砂磨機的粉碎腔體結(jié)構(gòu)和減小研磨介質(zhì)球的粒徑, 砂磨機的粉碎極限是顆粒平均粒徑d50 約0.2 $m, 甚至更小。由于這種方法效率高、粉料粒度分布窄, 因此, 砂磨機粉碎法在日本被廣泛應(yīng)用于化妝品、染料、陶瓷等行業(yè)。

砂磨機的結(jié)構(gòu)及工作原理
      砂磨機的結(jié)構(gòu)一般由4 部分組成, 如圖1 所示,有漿料桶、漿料泵、粉碎腔及轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。一定粘度的漿料在泵作用下。進入粉碎腔( 粉碎腔結(jié)構(gòu)見圖2) , 與高速轉(zhuǎn)動( 轉(zhuǎn)速1 600～2 200 r/min) 的介質(zhì)球接觸, 粉料顆粒受到介質(zhì)球的沖擊碰撞和研磨而碎裂。同時, 在轉(zhuǎn)子的帶動下, 漿料隨介質(zhì)球一起高速滾動, 顆粒受到流體剪切力的作用而碎裂。從粉碎腔內(nèi)流出的漿料經(jīng)冷卻塔回到漿料桶, 再次重復(fù)前述粉碎過程。砂磨機粉碎是個循環(huán)粉碎作業(yè)過程,顆粒在不斷的沖擊碰撞和剪切力作用下實現(xiàn)粉碎,得到的顆粒粒度細且粒徑分布窄。
在砂磨機的整個結(jié)構(gòu)中, 粉碎腔是***為關(guān)鍵的部件, 它直接決定著粉碎效率和粉碎所得顆粒的尺寸大小。如圖2 所示, 腔體結(jié)構(gòu)一般由3 部分組成:轉(zhuǎn)子、陶瓷環(huán)和金屬墊片組成的特殊“篩網(wǎng)”、外殼。由于介質(zhì)球和漿料在腔體內(nèi)同轉(zhuǎn)子、陶瓷環(huán)等部件

      直接接觸, 所以要求這些部件必須耐磨, 通常是增強二氧化鋯陶瓷。“篩網(wǎng)”用金屬墊片的厚度調(diào)節(jié)“網(wǎng)眼”的大小, 初始漿料中顆粒粒度必須小于墊片厚度, 否則會引起“篩網(wǎng)”堵塞。
砂磨機粉碎中, 介質(zhì)球的強度和尺寸大小影響著粉碎效率。介質(zhì)球必須耐磨, 一般采用增強氧化鋯球。同其他機械粉碎法相似, 增大介質(zhì)球的表面積有利于制備粒度小的顆粒。生產(chǎn)中, 制備顆粒平均粒徑d50 約0.45 !m 的粉料時, ZrO2 陶瓷球的直徑約0.5 mm。在美國和日本, 常采用直徑為0.3 mm 甚至更小的ZrO2 陶瓷球來制備顆粒平均粒徑d50 小于0.30 "m 的粉料。

砂磨機粉碎法的工業(yè)應(yīng)用試驗
      試驗選用的粉料是本公司生產(chǎn)使用的鋯鈦酸鉛( PZT) 粉料, 其密度約7.6 g/cm3, 試驗所用砂磨機是日本三井礦山株式會社產(chǎn)SC150A 型試驗機( 粉碎腔容積1.3 L) 。PZT 粉料先用攪拌磨粉碎至顆粒平均粒徑d50 約1.50 #m, 后將漿料注入砂磨機中二次粉碎。試驗所用初始粉料顆粒約40 kg( 同水混合的漿料共約65 kg) , 經(jīng)砂磨機粉碎作業(yè)約4 h 后, 測試顆粒粒度, 所得結(jié)果見圖3 及表1。粉碎后的顆粒粒徑小、粒度分布窄。顆粒平均粒徑d50 約0.45 $m 時, ***粒徑小于0.7 %m, 且大部分顆粒的粒徑分布于0.38～0.60 &m。后用這種PZT 顆粒制備陶瓷瓷片,測試瓷片的三點抗彎強度, 測試結(jié)果表明, 材料的三點抗彎強度比生產(chǎn)線使用材料的強度提高15%～20%, 其原因是較細的初始粉料顆粒促進了材料的致密化, 如圖4 所示, 初始粉料顆粒尺寸細化后, 材料的內(nèi)部氣孔變小且數(shù)量減少( 日本KEYENCE 公司產(chǎn)VH- 7000 型高倍顯微鏡下觀察) 。

結(jié)論
      砂磨機是一種具有高效率、低能耗特點的連續(xù)工作型超細粉碎機, 但生產(chǎn)作業(yè)過程中也發(fā)現(xiàn)了幾個問題: (1)砂磨機需要不定期清洗, 而連接管道、漿料泵中殘留的粉料無法完全清除, 所以若材料性能依賴于初始粉料的純度, 則一臺砂磨機只能粉碎某一種特定的粉料; (2)砂磨機的進料顆粒粒度宜小, ***小于2 ’m, 這樣就必須采用分級粉碎, 對于生產(chǎn)而言, 成本較高。
砂磨機采用了一種獨特的粉碎腔結(jié)構(gòu), 通過介質(zhì)球和粉料的高速圓周運動, 使介質(zhì)球?qū)Ψ哿项w粒產(chǎn)生研磨、沖擊及強剪切粉碎作用, 從而使顆粒得到有效的粉碎, 它是一種高效的超細粉碎設(shè)備。PZT 粉料的超細粉碎工業(yè)化試生產(chǎn)表明, 砂磨機粉碎法可以應(yīng)用于陶瓷材料行業(yè)的顆粒超細粉碎工序中, 若生產(chǎn)的產(chǎn)品對成本不敏感, 則砂磨機粉碎法可以被廣泛應(yīng)用。