化学溶蚀辅助珠磨制备类球形亚微米粒级氧化锌和氧化铝颗粒

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:siyang2003
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氧化锌和氧化铝均为重要的现代无机工业原料。其中氧化锌具有独特的催化、热电、压电和光电特性,作为一种多功能材料,常被广泛应用于电子、生物医学、涂层、填料、陶瓷和催化剂等多种领域;氧化铝由于具备了化学性质稳定、耐腐蚀、硬度高、绝缘性能好、熔点高、韧性强等诸多特点,常作为一种陶瓷工程材料,被广泛应用在高硬度研磨材料、抛光材料、集成电路基板、耐火材料等领域。对于现代无机氧化物粉体,为了改善其流动性和分散性,增加其堆积密度,以提高应用产品的后续性能,不仅要求其颗粒粒径微细(如,亚微米或纳米粒级)和粒度分布均匀,还要求颗粒形貌较为规则(如,呈球形或类球形)。现代制备超细球形或类球形氧化物粉体的方法主要包括物理法(如,机械研磨法、等离子体法、火焰熔融法等)和化学法(如,化学气体凝结法、溅射法、沉淀法、乳液法、溶胶-凝胶法、水热合成法、喷雾法等)。由于这些制备方法存在着各自不足,因此,有必要探索一种可制备亚微米粒级类球形氧化物颗粒的高经效比方法。本论文依据介质搅拌磨(即,珠磨)超细研磨对颗粒所产生的剪切与挤压应力和颗粒表面的化学溶蚀的耦合作用机制,探索采用一种经化学溶蚀辅助珠磨制备亚微米粒级类球形氧化锌和氧化铝颗粒的方法。首先,本论文采用一种立式高能量密度介质搅拌磨在超细研磨氧化锌颗粒过程中,分别加入不同酸或碱溶液(即,盐酸、醋酸、草酸、柠檬酸、氨水/氯化铵和氢氧化钠溶液)以使得氧化锌颗粒边缘及表面发生部分溶蚀,以制备出亚微米粒级类球形氧化锌颗粒。探索了酸或碱溶液的种类与浓度、浆料固含量和研磨时间诸因素对氧化锌颗粒的粒径、粒度分布和球形度的影响。使用激光粒度仪和Rosin-Rammer-Bennett模型分析了颗粒的粒径及粒度分布并计算了粒度分布的均匀性系数,使用扫描电子显微镜和图像分析系统分析了在不同溶液中研磨前后颗粒的粒径和形貌并计算了颗粒的球形度。结果表明,当特定条件为在浓度为0.010 mol/L的醋酸溶液、20 wt.%的固含量和30分钟的研磨时间,所制备出的氧化锌颗粒粒径较小(中位径为370 nm)、粒度分布较窄(均匀性系数为2.28)、球形度较高(球形度为0.91)。此外,还探究了在醋酸溶液情形下超细研磨氧化锌颗粒的化学溶蚀机理。使用电感耦合等离子体光谱仪和X射线衍射仪表征了氧化锌颗粒产物的成分和结构,使用酸碱度测试仪分析了颗粒的溶蚀过程。结果表明,在介质搅拌磨研磨过程中由于机械力化学效应所使用的稀醋酸溶液可以使氧化锌颗粒表面的锌氧键更容易被氢离子破坏,有效地促进颗粒表面溶蚀,进而影响颗粒的粒径和形貌。还结合粒数衡算模型中的选择函数与破碎函数模拟和分析了有无化学溶蚀辅助介质搅拌磨超细研磨氧化锌颗粒的破碎机制。分析结果表明,在采用介质搅拌磨粉碎颗粒过程中,被粉碎颗粒主要受到剪切应力作用,其次为挤压应力作用,且在研磨过程中加入稀醋酸溶液有利于减小颗粒粒径和改善粒径分布。另外,对氧化锌原料颗粒、在水中研磨和在浓度为0.010 mol/L的醋酸溶液中研磨的氧化锌颗粒进行了光催化降解罗丹明B的实验,并采用紫外分光光度计测量和计算了光催化降解率。结果表明,由于在稀醋酸溶液中研磨的氧化锌颗粒具有较小粒径和类球形形貌,致使其具有更好的光催化降解效果。再者,还探索了在不同的酸或盐溶液(即,盐酸、硫酸、醋酸、柠檬酸、氯化铵、氟化钠和氟化铵)下经超细研磨,以制备亚微米粒级类球形氧化铝颗粒。探究了酸或盐溶液的种类与浓度、研磨时间和浆料固含量诸因素对氧化铝颗粒的粒径、粒度分布、球形度和比表面积的影响。结果表明,在浓度为0.010 mol/L的氯化铵溶液中、研磨时间为60分钟和氧化铝浆料固含量为20 wt.%时,可以制备出粒径较小、粒度分布较窄、球形度较高的亚微米粒级类球形氧化铝颗粒(中位径为333 nm,均匀性系数为2.48,球形度为0.88)。使用了摩擦系数仪分析了在不同溶液研磨前后氧化铝颗粒的摩擦系数。相对于在水中研磨的氧化铝颗粒而言,在氯化铵溶液中所研磨的颗粒的摩擦系数明显较小,这是由于颗粒变得更加规则,改善了其球形度。此外,还探究了氧化铝在湿法超细研磨中的化学溶蚀机理,分析结果表明,在超细研磨过程中氧化铝颗粒在氯化铵溶液中会因机械力化学效应而促进化学溶蚀。经有无化学溶蚀辅助超细研磨氧化铝颗粒的选择函数与破碎函数分析结果表明,在介质搅拌磨超细研磨过程中,氯化铵溶液的化学溶蚀辅助作用可以减小氧化铝颗粒粒径和改善粒径分布。最后,论文根据所获得的实验结果和相关讨论分析,给出主要结论和今后的研究展望。
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