纳米钛酸钡颗粒砂磨分散工艺研究

敖宏，彭文

（广东微容电子科技有限公司,云浮 527200）

1 引言

随着多层陶瓷电容器（MLCC）的小型化，用于介电层部分的钛酸钡瓷粉颗粒尺寸越来越小，因此对颗粒分散的要求日益提高。瓷粉用于制作浆料时，需要加入溶剂、粘结剂、分散剂等然后进行分散，随着分散的进行，附着、凝聚、增粘等问题都随之而来。因此选择适当的分散条件以保证分散作业的顺利进行是非常有必要的。

达到分散目的的方法主要是对粉体颗粒施加外力，具体由砂磨机分散、高压分散、超声波分散等。其中砂磨机最初应用于油墨、涂料等化工，逐渐发展成为无机纳米材料常用的一种分散手段。使用超细磨球（一般指直径0.10m 以下），可以提高磨球撞击频率，进而提高效率，同时由于每次撞击能量较小而减少对结晶性的破坏。然而，砂磨实践过程中，对于根据分散目的、分散物质强度选择适当的磨球的方法却不是十分明确。

本论文对砂磨时磨球的选择及流量设定的方法进行初步探讨。

2 实验的方法及设备

2.1 使用的材料

固相法制备的纳米钛酸钡粉体（BaTiO3: 比表面积7.0m2/g）。

所使用的粉体使用SEM电镜观察的结果见图1，其粒径信息见表1。

图1 实验用钛酸钡粉体

表1 实验用粉体粒径数据

溶剂：甲乙酮（MEK）和丙酮（IPA）混合液。

分散剂：共荣社化学G-700 型高分子分散剂。

2.2 使用的砂磨机

所使用的砂磨机为广岛金属的立式砂磨机（UAM），外观及结构图见图2。

图2 砂磨机外观、构造及单罐循环状态图

2.3 分散处理工艺顺序

在浆料储存罐中加入溶剂，然后按照溶剂质量比40wt%量加入瓷粉颗粒，再加入相对于瓷粉质量5wt%的分散剂，搅拌30min，即可以进行砂磨循环。砂磨机中添加磨球的粒径分别为：0.03mm，0.05mm，0.10mm，转速选择6.0m/s,7.5m/s,9.0m/s。

2.4 评价方法

考察对象为砂磨后的D50，使用激光粒度仪进行测量（掘场LA960）,测试时使用浆料体积比10 倍的乙醇进行稀释，然后直接进行测试。

3 结果与讨论

3.1 流量范围的选择

砂磨过程中浆料在砂磨机腔体中上升，磨球在浆料中下降。如果浆料上升的速度大于磨球下降的速度则会出现磨球逸出或者聚集在分离器附近，降低砂磨效率，并可能导致磨腔内部压力过高，影响砂磨机的连续运行。

图3 磨球沉降速度

磨球在浆料中的下降速度以Stokes 方程进行计算：

Dp—磨球粒径；ps—磨球密度；pl—浆料；u—粘度

实测砂磨过程中的粘度变化范围为3-5cP，计算中取最大值5cP，浆料的密度取1.4g/cm3磨腔的横截面积255cm2，磨球密度取6.01g/cm3，各种粒径计算结果见表2。

表2 各粒径允许最大流量计算表

实验中为便于进行对比，各条件的流量均选用120ml/min。

3.2 磨球粒径与砂磨机转速对分散效率的影响

使用0.03，0.05 和0.10mm 磨球，分别采用（a）6.0m/s,(b)7.5m/s 和(c)9.0m/s 的研磨速度对钛酸钡颗粒进行分散，D50 随分散时间的变化关系见图4 所示。

图4 浆料颗粒D50 随研磨时间的推移（a）6.0 m/s (b)7.5 m/s (c)9.0m/s

使用不同直径的锆球达到目标粒径（0.15um）所需时间不同，6.0m/s 条件下0.10mm 达到目标粒径时间最短，9.0m/s 条件下0.03mm 所需时间最短。无论在哪种转速条件下，分散结束时所能达到的最小D50 随磨球粒径减小而减小。

随着砂磨时间的延长，凝聚体被充分解碎、分散，分散剂未附着的表面增加，高活性的表面会重新凝聚，分散剂一定的情况下，分散末期会产生颗粒凝聚。

同一台砂磨机的条件下，分散动力及单颗磨球冲击动力按照以下方法定义：

分散动力=实际运行的动力—不加入磨球的状态运行所需动力

单颗磨球冲击力=分散动力/磨球颗数

相同的加入重量的情况下0.05mm 磨球数量是0.10mm 磨球的8.1 倍，但是单颗磨球的冲击能量是1/11(6.0m/s 条件下实测),故在此条件下0.05mm 磨球的分散效能是相同重量0.10mm 的73%。

分散效能与磨球冲击频率及冲击能量密切相关，分散效能（R）参照田中粉碎公式进行计算。

式中σst为材料的破碎强度，b 为材料的粒径，D 为磨球直径，v 为砂磨机转速，ρ 为磨球密度。

根据上述公式，在（a）6.0m/s(b)7.5m/s 和(c)9.0m/s 转速的条件下将分散效能R 与磨球粒径的关系曲线做出，然后将实验中实测的数据放入图中，见图5。

图5 各种转速条件下研磨效率与磨球直径相关性（a）6.0 m/s (b)7.5 m/s (c)9.0m/s

本次实验的数据与=800Pa 的曲线在各转速条件一致性均较好，故推定本次实验所使用的粉体的粉碎强度为800Pa。

根据上述结果，对于本次实验所选粉体颗粒最适合磨球直径为0.08～0.10mm，此时砂磨机分散效率可以达到最佳。

此外，线速度提升对于小粒径磨球分散效率提升效果更明显（见图6）。

图6 转速提升对不同粒径磨球分散效率的影响

4 小结

（1）砂磨机运行时的流速上限由磨球沉没速度决定，磨球较小时可使用的流速上限较低。

（2）本实验中所用钛酸钡粉体的研磨强度约800Pa,根据研磨目标适合的磨球为0.08～0.10mm。