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一文了解纳米氧化锆粉体制备及改性技术
来源: | 作者:purnssa123 | 发布时间: 2023-02-15 | 1756 次浏览 | 分享到:
氧化锆(ZrO2)是一种高熔点金属氧化物,化学性质稳定,具有耐磨、耐高温、耐腐蚀等特性,又因其具有抗热冲击性好、折射率高、热稳定性好等优良的力学性能,在义齿、人工关节、飞机发动机零部件,再到汽车电池材料等领域得到广泛应用并备受关注。


其中,氧化锆在义齿行业可谓是“大佬”级别,市场规模巨大。同时,新型纳米氧化锆材料的出现,实现了从氧化锆粉末到牙冠的生产技术革新,烧结后自带天然牙釉光泽,加之自动化的生产流程,成本可降低约60%。据估算,国内每年所需齿科用纳米级氧化锆已超过2000吨,且复合增长率达到10%以上。

近年来,纳米氧化锆陶瓷已经具有一定的韧性和可加工性,由于纳米陶瓷晶粒的细化,晶界数量大幅度的增加,使得材料的强度、韧性和塑性都大大提高。
纳米氧化锆性能
国际市场上,氧化锆纳米粉体已经进入工业化发展阶段,美国、日本和西欧等发达国家和地区,纳米氧化锆粉体的生产规模比较大,产品规格较为齐全,在氧化锆陶瓷的专利上也具有明显的竞争优势。国内高端氧化锆粉体实力较强的厂商有东方锆业、国瓷材料、三环集团等。随着新型陶瓷制造业迅速发展,陶瓷粉体的需求也在增加,开发纳米氧化锆工业也显得越来越迫切。
氧化锆陶瓷粉体的技术壁垒很高,研究如何制备出超细且粒度分布优良的纳米陶瓷粉体制备工艺、通过表面改性改善纳米粉体的流动性,也是当前陶瓷研究的热点。

                                                                                                                              纳米氧化锆粉体,图来源:三环集团

目前制备纳米氧化锆粉体的方法有固液法、液相法和气相法。其中液相法化学反应过程简单、操作方便、生产成本低、易于规模化生产,且制备出的纳米粉体粒径分布窄、分散性好、组分均匀。所以目前液相法是工业上应用最广泛的方法。

纳米氧化锆制备方法优缺点:


纳米氧化锆粉体制备中,纳米氧化锆粉体团聚是一大难题,纳米氧化锆粉体表面能较高、活性强,颗粒之间很容易在混料时形成团聚。在陶瓷团聚体烧结后成为裂纹发源地,严重降低陶瓷部件的断裂强度和韧性。


对纳米粉体进行表面修饰可以有效的改善粉体团聚的倾向。表面改性可以改善粉体粒子分散性,使其不团聚;改善粒子与其他物质的相容性;改善纳米粉体耐久性。此外还能提高粒子表面活性,使微粒产生新的物理、化学、机械性能和新的功能。

目前根据改性剂和纳米粉体表面有无化学反应,可分为表面物理改性和表面化学改性两大类。

2.1偶联剂类表面改性

钛酸酯偶联剂对氧化锆粉体改性,在有机粘结剂中不会形成团聚,其致密性(相对密度99.6%)温度为1450℃,比原始粉体要低100℃左右。硅烷偶联剂包覆在纳米氧化锆粉体表面进行改性,能保持纳米粉体结构特性,修饰后粉体表面积能达到354m2/g。


2.2硬脂酸表面表面改性


利用硬脂酸处理无机粉体有类似偶联剂的作用,可以改善无机粉体与高聚物基料的亲和性,提高其在有机溶剂中的分散度。另外,由于硬脂酸本身具有润滑作用,使用硬脂酸对粉体进行表面改性还可以减小复合体系内的摩擦力,改善复合体系的流动性能。

相对于物理方法制备的纳米氧化锆粉体纯度低、化学组份不均匀等缺点,化学法制备氧化锆纳米粉体因为纯度高、颗粒均匀性好、化学组成均匀可控且设备工艺简单等优点得到产业的青睐。

理想的纳米粉体应同时具备组分均匀、颗粒细、粒径分布窄、无团聚、比表面积大等诸多优点,在满足这些条件的同时,作为商品其成本不能过高。作为功能陶瓷,纳米氧化锆因其出色的性能而具有巨大的市场已得到人们的共识,但是高效率、低成本的制备工艺却少之又少。

因此,研究纳米氧化锆粉体的表面改性技术法,探索稳定环保的改性剂及其对粉体微观结构的影响机理,对纳米氧化锆陶瓷粉体的成功应用至关重要。同时,探索生产周期短、成本低的纳米氧化锆生产工艺,对满足市场的需求具有重要的意义。