杜妍辰，張虹，王敏蕙，顧依靜，曾海雙，楊文斌

上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院(上海， 200093)

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超細氧化鋅顆粒制備工藝研究

杜妍辰，張虹，王敏蕙，顧依靜，曾海雙，楊文斌

上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院(上海， 200093)

E-mail:duyanchen@hotmail.com

【摘要】納米材料是指結構單元尺寸介于1 nm～100 nm范圍之間的材料總稱， 以其三大特征效應而廣泛應用于醫(yī)療業(yè)、 電子業(yè)、 化工業(yè)等行業(yè)。超細氧化鋅是一種較為常見的納米材料， 該文使用臥式振動磨的干磨法對其進行研磨， 其中采用氧化鋯陶瓷作為研磨介質， 對不同形狀、 不同尺寸的研磨介質混合進行實驗， 分析研磨后的粒徑數(shù)據(jù)， 得出研磨介質的尺寸及形狀對顆粒粒徑的影響。實驗表明， 填充率一定時， 研磨氧化鋅與研磨介質的比重有關， 研磨介質的比重越大， 其沖量也越大， 得到的研磨效果越好。

【關鍵詞】氧化鋅; 超細研磨; 氧化鋯陶瓷; 納米材料

超細氧化鋅是一種新型的多功能無機材料， 其粒子尺寸約為1～100 nm， 具有納米材料特有的表面效應、 體積效應、 量子隧道效應。超細氧化鋅的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性較好， 具有優(yōu)良的生物、 光學、 電學及化學等多種效應， 在醫(yī)療業(yè)、 電子業(yè)、 化工業(yè)等行業(yè)中得到廣泛的應用與研究[1-5]。

超細氧化鋅的制備方法分為物理方法和化學方法， 化學制備方法加工成本高， 應用范圍窄， 而采用機械研磨方法可對超細氧化鋅進行大規(guī)模生產， 產量大， 成本低， 工藝簡單， 應用較廣泛[6]。機械研磨過程中， 顆粒與研磨介質共同運動， 通過顆粒與磨介、 顆粒與磨筒內壁以及顆粒之間發(fā)生摩擦、 削磨而使顆粒減小， 但顆粒粒徑分布尺寸較為廣泛。在振動磨中， 研磨介質的直徑、 形狀等因素均可以影響研磨效率及成品細度， 將會對之后的工業(yè)應用中產生一定的影響[7]。

1研磨材料及設備

1.1研磨材料

選用上海國藥集團生產的AR級氧化鋅， 含量為99%。氧化鋅外觀為白色粉末或六方結晶。該材料可溶于酸或強堿， 幾乎不溶于水。

1.2研磨設備

實驗采用振動對研磨材料進行粉碎。振動磨具有結構緊湊， 密封性好， 環(huán)境污染小， 粉碎效率較高。目前德國、 日本對動植物藥的粉碎均選用該設備。

圖1實驗用振動磨機結構圖

Fig.1Vibration mill chart in experiment

根據(jù)工藝配置的不同， 振動磨分為間歇式、 連續(xù)式、 干式、 濕式等磨機種類。根據(jù)筒體配置的不同， 又分為垂直式和水平式。其中， 水平式的振動磨又稱為臥式振動磨， 其工作原理是將研磨材料和研磨介質逐層交錯平鋪于磨筒內， 磨筒由彈簧支承， 經電機驅動偏心激振器， 使得磨筒及其筒內研磨材料和研磨介質運動。在沖擊力、 剪切力及摩擦力等力的共同作用下， 研磨材料被粉碎為更小的顆粒， 該方法在高檔涂料、 醫(yī)藥、 高級耐火及保溫材料、 填料和新材料等產業(yè)中得到了廣泛應用[8-9]。

1.3研磨介質

研磨介質， 簡稱為磨介， 是磨機中采用沖擊力和摩擦力對研磨材料進行粉碎的載能體[10]。根據(jù)研磨材料、 磨機等條件， 可選用不同的磨介。

實驗中， 磨介材料選用氧化鋯陶瓷， 形狀選用球狀及柱狀。氧化鋯陶瓷呈白色， 熱膨脹系數(shù)接近于鋼， 具有高韌性、 高抗彎強度和高耐磨性等優(yōu)良性能， 采用氧化鋯陶瓷制成的磨介表面圓整光滑， 產品性能優(yōu)良。氧化鋯陶瓷是一種較為常用的研磨介質， 在應用中能降低磨耗、 電耗、 人工、 設備等綜合成本[11-14]。

2實驗方法

實驗采用干燥-粉碎-粒徑檢測的實驗方法進行。實驗主要驗證磨介對顆粒尺寸的影響， 因此， 對于其研磨時間、 研磨材料、 研磨介質填充率及物料填充率等均采取相同數(shù)值。實驗中， 采用不同形狀、 不同尺寸的研磨介質， 將其中任意兩種研磨介質兩兩混合， 研究在不同研磨介質共同作用下的研磨效果。實驗采用振動磨研磨氧化鋅， 即通過研磨介質與研磨材料、 研磨材料與研磨材料之間的相互作用， 將研磨材料破碎成較小顆粒， 采用激光粒度儀對研磨后的粉體粒徑進行檢測， 對研磨效果進行判斷。

3不同磨介混合對粉碎效果的影響

實驗選取直徑分別為10 mm、 20 mm的球狀氧化鋯陶瓷磨介以及長度為7 mm， 直徑為7 mm柱狀氧化鋯陶瓷磨介兩兩混合進行比較， 研磨介質填充率為80%， 研磨材料的粉體填充率為0.5， 對應的粉體質量為600 g。研磨介質充填率是研磨介質的體積占磨筒有效容積的百分比， 一般取40%～80%。粉體填充率是研磨材料占研磨材料及研磨介質總體積的比值， 其最佳取值為0.45～0.5。

3.1Ф20 mm球狀磨介+Ф10 mm球狀磨介混合

圖2Ф20 mm球狀磨介與Ф10 mm球狀

磨介混合后顆粒中位徑與粉碎時間關系

Fig.2Relation between particle median diameter and

grinding time after mixed with Ф20 mm globular grinding

media and Ф10 mm globular grinding media

圖2為顆粒的中位徑(即顆粒的平均粒徑， d50)隨粉碎時間的變化規(guī)律表示在粉碎40 min內， 物料的粒徑下降緩慢， 直至60 min時， d50急劇下降至38 nm左右。當粉碎時間超過60 min以后， 粉碎出現(xiàn)了逆研磨現(xiàn)象。

圖3時間與粒徑分布關系

Fig.3Distribution relation between time and particle

從圖3可以看出， 研磨30 min后得到的粒徑精度更高。

3.2Ф20 mm球狀磨介+7×Ф7 mm柱狀磨介

圖4 Ф20 mm球狀磨介與7×Ф7 mm柱狀

磨介混合后中位徑與粉碎時間關系

Fig.4Relationship between particle median and time with Ф20 mm

globular grinding media and 7×Ф7 mm cylindrical grinding media

Ф20 mm球狀磨介與7×Ф7 mm柱狀磨介顆粒尺寸隨粉碎時間的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可以看出， 將20 mm研磨球與7×Ф7 mm研磨柱混合作為研磨介質時， d50勻速下降， 在粉碎60 min時， 得到最小的d50值。將圖2與圖4進行比較發(fā)現(xiàn)， 圖4中的最低點更低， 表示Ф20 mm球狀磨介與7xФ7 mm柱狀磨介混合后得到的顆粒粒徑更小。

圖5Ф20 mm球狀磨介與7×Ф7 mm

柱狀磨介混合研磨粒徑分布

Fig.5Grinded particle size distribution after mixed with Ф20 mm

globular grinding media and 7×Ф7 mm cylindrical grinding media

圖5為Ф20 mm球狀磨介與7×Ф7 m柱狀磨介混合研磨10 min、 30 min后的粒徑分布。研磨30 min時比研磨10 min時得到的粒徑精度更高。將圖3與圖5比較可見， 同樣研磨10 min， 圖3所用的混合磨介得到的效果更好。

3.3Ф10 mm球狀磨介與7×Ф7 mm柱狀磨介

圖6Ф10 mm球狀磨介與7×Ф7 mm柱狀磨介

混合后顆粒中位徑與粉碎時間關系

Fig.6Relationship between particle median diameter

and grinding time after mixed with Ф10 mm globular

grinding media and 7×Ф7 mm cylindrical grinding media

由圖6可以看到， 粉碎40 min內， 研磨材料的顆粒粒徑勻速下降， 至40 min時粒徑達到最低值。

圖7Ф10 mm球狀磨介與7×Ф7 mm柱狀磨介混合研磨粒徑分布

Fig.7Grinded particle size distribution after mixed with Ф10 mm

globular grinding media and 7×Ф7 mm cylindrical grinding media

由圖7可以看到30 min內， 研磨后的粒徑精度逐漸增高， 研磨效果最好。

3.4實驗結果對比

三種混合方式中d50隨時間變化的趨勢大致相同， 但將Ф20 mm球狀磨介分別與Ф10 mm球狀磨介、 7×Ф7 mm柱狀磨介混合研磨時， 均在60 min時粒徑達到最低值， 而將10 mm研磨球與7×Ф7mm研磨柱混合研磨時， 則較早在40 min時已達到粒徑最低值。在使用混合研磨并不添加分散劑的情況下， 需選用合適時間來對物料進行粉碎。

4結論

當磨介填充率一定時， 超細氧化鋅的研磨效果與研磨介質的比重有關。Ф10 mm球狀磨介與7×Ф7 mm柱狀磨介混合后的研磨效果最好， 能夠在最短的時間內得到最小的顆粒粒徑。

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Experimental on Grinding Process of Ultrafine Zinc Oxide

DU Yanchen, ZHANG Hong,WANG Minhui, GU Yijing, ZENG Haishuang, YANG Wenbin

School of Medical Instrument and Food Engineering,

University of Shanghai for Science and Technology (Shanghai,200093)

【Abstract】Nano-material is the material of the structure size between 1 nm～100 nm， which has been widely used in medical industry, electronic industry, chemical industry and other industries because of its three characteristic effects. Ultrafine zinc oxide is one of the most common nanomaterials. This work used a dry grinding method of horizontal vibrating mill to grind the ultrafine zinc oxide. Zirconia ceramic was used as the grinding medium. Experiment with different shape, different size of grinding medium mixing method, were carried out to analyze the data of the grinding particle size and to study the grinding medium size and shape on the influence of particle size. The results show that, when the grinding medium filling rate is constant, grinding of zinc oxide is associated with the proportion of grinding media, the proportion of grinding beads greater, the impulse greater and the grinding efficiency higher.

【Key words】zinc oxide, superfine grinding, zirconia ceramic, nanophase materials

收稿日期：(2015-06-28)

【中圖分類號】TB44

【文獻標志碼】A

文章編號：1674-1242(2015)04-0214-04

作者簡介：杜妍辰，副教授，博士，

doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2015.04.006