稀有金属 2001,(05),336-339 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.05.005

喷雾干燥法制备PSZ-3Y粉末的粒度研究

张玲秀 林钢 林红 吴亮

上海大学锆材料研究中心!上海200072,上海大学锆材料研究中心!上海200072,上海大学锆材料研究中心!上海200072,上海大学锆材料研究中心!上海200072,上海大学锆材料研究中心!上海200072

摘 要：

用激光衍射法和BET法 (Brunner Emmett TellerMethod) 研究了用喷雾干燥法制备的PSZ 3Y粉末的粒度性能。用喷雾干燥法能制得粒度均匀性好的球状PSZ 3Y粉末。影响粉末粒度的主要因素是料液中 (ZrO2 +Y2 O3) 的浓度 , 其次是送料速度。从颗粒形貌图看出 , 颗粒表面布满了裂纹 , 所以这样的粉末经二次处理后 , 可获得超细粉末

关键词：

喷雾干燥;粒度分布;比表面;

中图分类号： TQ174

收稿日期：2000-06-13

Study on Particle Size of PSZ-3Y Powder Prepared by Spray Drying Method

Abstract：

The particle size of SPZ 3Y powder prepared by spray drying method was investigated by laser diffraction and BET technique. The results indicate that the PSZ 3Y powder with fine and well distributed spherical particle can be prepared by spray drying method. One of the main factors affecting the particle size is the consistence of ZrO 2 and Y 2O 3 in the solution, and the other is the speed of the solution conveyed. It can be observed from the particle structure chart that the particles are spread with crackles. So the ultrafine powder can be obtained after processed secondly.

Keyword：

Spary drying; Distribution of particle; Surface area;

Received： 2000-06-13

部分稳定氧化锆 (PSZ-3Y) 烧结陶瓷体具有极优良的机械性能和断裂韧性, 所以近年来用途越来越广泛, 而影响陶瓷体机械性能的因素除了 PSZ-3Y 的相结构外 ^[1] , 与 PSZ-3Y 粉末颗粒的分布和形貌也有着直接的关系, 它直接影响粉末的分散性、流动性、可塑性和烧结体的烧结密度。通过不同的工艺方法和不同的制粉制度可以获得不同性能的粉末。本文通过喷雾干燥法制备 PSZ-3Y 粉末, 探讨了粒度的变化。

1 实验过程

以 ZrOCl₂·8H₂O 和 Y₂O₃ 为原料, 其主体氧化物 (ZrO₂+Y₂O₃) 的纯度大于 99.8%, 按化学计量配成含 3% Y₂O₃ (摩尔分数) 的料液, 采用常州统一干燥设备厂生产的 LPG 型高速离心喷雾干燥机制备 PSZ-3Y 一次含水粉末, 然后在 1000℃下煅烧成粉末。

采用 LS100 型激光衍射粒度分析仪检测粉末的粒度分布, 采用 JB-1 氮吸附比表面测定仪测定粉末颗粒的比表面积。

实验通过采用同一料液但控制其不同的主体氧化物在料液中的浓度和送料速度, 从而获得不同粒度的颗粒, 并取样检测。

2 结果与讨论

2.1 喷雾干燥设备及制备粉末的原理

喷雾干燥机设备示意图如图1所示。

图1 喷雾干燥系统设备示意图1—料液桶;2—料液泵;3—转子流量计;4—空气过滤器;5—热风发生器;6—雾化器;7—干燥室;8—接料桶;9—旋风分离器;10—接料桶;11—排风机

Fig.1 Diagrammatic sketch of spray drying system

用按化学计量配制的含 3% Y₂O₃ (摩尔分数) 的氧氯化锆混合液, 配制成不同的 (ZrO₂+Y₂O₃) 浓度溶液, 并盛于料桶中。用热风发生器把温度升至 400℃ 之后, 经空气过滤器, 通过风机调节, 送入干燥室, 控制进料口温度达 380℃, 通过料液泵将所制备的料液输入雾化器, 进入高速离心喷头。在干燥室中, 经 22000 r/min 高速旋转及在惯性力作用下, 将料液均匀雾化成细微液滴, 表面积瞬时增大, 经与热风接触得以急速干燥, 成为球形颗粒。雾化后的粉末部分沿干燥室壁沉降于接料桶8中, 另一部分悬浮于干燥室空间的颗粒随排风通过旋风分离沉降于接料桶10中。输送料液的速度是通过转子流量计和回流系统控制的。

用喷雾干燥法所获粉末的相对湿度为 3.5%～4%, 经 1000℃ 煅烧炉煅烧后即可得到原始粒度的 PSZ-3Y 粉末。

2.2 同一配比的料液, 不同主体氧化物的浓度对粉末粒度的影响

将含 PSZ-3Y 的料液调配成不同的浓度, 以同样速度 (40 L/h) 送入喷雾干燥室, 获得不同的粉末粒度, 对试样进行检测, 其结果列于表1。其粒度分布曲线示于图2。

图2 不同主体氧化物浓度对颗粒分布影响曲线图 (a) 2# 样; (b) 10# 样; (c) 11# 样

Fig.2 Distribution of particles with different consistence of (ZrO₂+Y₂O₂)

表1 不同主体氧化物浓度获得的粉末粒度性能  下载原图

Table 1 Properties of particle obtained with different consistence of (ZrO₂+Y₂O₃)

表1 不同主体氧化物浓度获得的粉末粒度性能

结果表明: (1) 三种试样颗粒分布都在比较窄的范围内, 粗细颗粒比例倍数不是很大; (2) 比较图2 (b) 和 (c) , 当主体氧化物浓度较低时, 粒度较细, 颗粒分布范围很窄, 粒度均匀性很好。这是由于料液中主体氧化物浓度低时, 雾化效果好, 形成的雾化液滴分散性很好, 在高速离心时, 雾滴很快散发到器壁上, 经器壁碰撞摩擦, 变成非常细小的球状颗粒。因此比表面积也大; (3) 当料液中主体氧化物浓度大时 (见图2 (a) ) , 在喷雾干燥室中, 雾化成的液滴浓度也相应增大, 干燥时增大了颗粒之间碰撞, 阻碍了液珠向器壁喷射的速度。这些液滴在干燥室空间聚合干燥, 然后喷射到圆壁上, 虽然它也形成球状颗粒, 但颗粒较粗, 由于速度不均匀, 因而产品颗粒的均匀性较差, 比表面积也下降。

比较图2 (a) 、 (b) 、 (c) , 料液中主体氧化物浓度对颗粒分布和比表面都有直接的影响, 低浓度的颗粒比表面积是高浓度的 2.7 倍。而低浓度喷雾获得颗粒的2个样品, 不仅较细, 比表面积相差很小, 平均粒度也非常接近, 颗粒分布也很均匀。

2.3 不同的加料速度对粉末颗粒度的影响

配备相同浓度的料液 (78 g/L) , 控制不同的进料速度, 制备粉末试样, 其检测结果列于表2, 其颗粒分布曲线分别示于图3。

表2 不同的送料速度对粉末粒度的影响  下载原图

Table 2 Properties of particle obtained at different conveying speed

表2 不同的送料速度对粉末粒度的影响

图3 不同送料速度对颗粒分布影响的曲线图 (a) 1# 样; (b) 5# 样; (c) 6# 样

Fig.3 Distribution of particles with different conveying speed

结果表明:当料液输送速度快时, 其颗粒的 D₅₀和平均粒径都比较大, 尤其是粗颗粒比较多, 均匀性较差, 比表面积也比较小 (见图3 (a) ) 。这是由于当加料速度快时, 在喷雾干燥室中产生的液滴浓度大, 干燥时水分来不及挥发, 液滴就聚合凝结变成大液珠, 干燥后变成大颗粒, 颗粒越大, 喷射速度越小, 由于重力的影响, 容易沉降在下面;另外, 部分未聚合的液珠借喷雾速度力的作用, 通过高速旋转变成非常细小颗粒。因此颗粒分布不均匀, 由于粗颗粒的影响, 所以比表面积也下降。

比较图3 (b) 、 (c) 中的曲线, 由于送料速度较低, 在干燥室内, 喷入料液和水分干燥蒸发速度达到平衡, 很少产生液滴再聚成液珠, 以同样速度向器壁散射, 因而能得到较细且均匀的粉末颗粒, 其分布也比较均匀 (在一个很窄范围内波动) , 而粒度越细比表面积越大, 比表面积、D₅₀和平均粒径都非常接近, 可见在同浓度的料液中, 输送速度为 50 L/h 时, 即可获得很好的效果。

2.4 料液浓度和送料速度的交叉实验

从以上实验得知, 料液中主体氧化物 (ZrO₂+Y₂O₃) 的浓度和送料速度的不同都直接影响到其粒度大小、粒度分布和比表面积。在中等浓度和适当的输料速度下, 能获得粒度分布均匀的颗粒, 其粒度变化也不大, 曲线几乎趋于重叠位置。同时, 在低浓度、高输料速度下进行了交叉试验, 选择的主体氧化物 (ZrO₂+Y₂O₃) 浓度为 42.8 g/L, 送料速度为 100 L/h, 获得粉末的颗粒分布情况如表3所示。

表3 低浓度高送料速度下的交叉实验结果  下载原图

Table 3 Cross experimental result obtained at low consistency and high speed

表3 低浓度高送料速度下的交叉实验结果

从以上数据看出, 颗粒比较细, 粒度分布均匀性比较好 (见图4) , 基本保持在 5～25 μm 之间很窄的范围内。由于浓度较低, 虽然输送速度较快, 但实际上大部分是水含量, 而在 380℃ 下, 水分蒸发速度很快, 它带动了料液中主体氧化物向外高速喷雾, 由于形成的颗粒较少, 所受阻力很小, 在高速离心时, 颗粒飞到器壁上, 经旋转后完全形成小球状颗粒, 因而比表面突然增大。

图4 粒度分布曲线

Fig.4 Diagram of particle distribution curves

2.5 喷雾干燥法所获 PSZ 粉末的颗粒形貌

选取两张用喷雾干燥法制得的粉末颗粒的形貌图 (如图5所示) , 从中可以看出: (1) 粉末颗粒分布非常均匀, 且是球形; (2) 单颗粒表面布满裂纹, 易于二次处理成非常细的颗粒。

图5 PSZ-3Y 粉末的颗粒形貌 (a) 颗粒分布; (b) 颗粒形貌

Fig.5 Appearance of PSZ-3Y powder

3 结论

1.用喷雾干燥法可获得比较均匀细小的球形氧化锆颗粒分布, 比表面积比较大。

2.氧化锆粉末的颗粒分布的性质与混合液中 (ZrO₂+Y₂O₃) 的浓度有关, 也与其喷雾时送料速度有关。

3.当混合液中 (ZrO₂+Y₂O₃) 的浓度很低时, 喷雾成粉, 主要影响的是浓度, 而与送料速度关系不大。

4.用喷雾干燥法获得的 PSZ 粉末, 其球形颗粒表面含有很多裂纹, 如果通过二次处理可获得非常细小的粉末。

参考文献

[1] 　林振汉, 张玲秀稀有金属, 1994, 18 (2) :126