余冬玲，張小輝，吳南星，廖達(dá)海

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引 言

陶瓷干法制粒具有節(jié)能減排、生產(chǎn)效率高[1-2]等優(yōu)點(diǎn)，已逐步取代高能耗、低產(chǎn)量的濕法造粒技術(shù)[3]。但干法制備氮化硅顆粒存在以下缺陷：顆粒壓縮率過(guò)低、團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重、表面粗糙等[4-5]，上述問(wèn)題導(dǎo)致干法制備的氮化硅顆粒致密性較差[6]。調(diào)整顆粒在制粒室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間對(duì)改善顆粒松密度，提高顆粒分散率及表面光滑度有重要影響[7]。

在氮化硅陶瓷干法制粒中，制粒時(shí)間表示為氮化硅粉末結(jié)合成具有一定直徑的氮化硅球狀顆粒所經(jīng)過(guò)的時(shí)間尺度，顆粒致密性受制粒過(guò)程的影響較大。制粒時(shí)間對(duì)顆粒性能的影響特征受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者廣泛的研究。P.G.Subhash等[8-9]研究了同一采樣時(shí)間的相同粒徑的顆粒，其顆粒致密性、粘結(jié)劑含量、孔隙度、溶出度、顆粒強(qiáng)度等性能也存在明顯的不均勻性。楊月喬等[10]研究了時(shí)間對(duì)顆粒污泥形成的影響，結(jié)果表明強(qiáng)化造粒時(shí)間，有助于顆粒污泥的?；?，且顆粒較緊實(shí)。R.Dreu等[11-12]研究了造粒時(shí)間和進(jìn)氣量對(duì)顆粒大小和粒度分布、顆粒形狀和流動(dòng)性以及致密性的影響，粘結(jié)劑用量、粘結(jié)劑粒度和造粒時(shí)間的相互作用影響顆粒形狀且對(duì)顆粒的致密性有一定的影響。孫科等[13-14]考察了在快速攪拌制粒機(jī)中加水量、造粒時(shí)間、攪拌方式對(duì)致密性多孔玻璃顆粒造粒過(guò)程的影響，造粒時(shí)間越長(zhǎng)，致密性松散，小顆粒越多。從上述文獻(xiàn)可知，不同造粒時(shí)間對(duì)顆粒的致密性存在影響。

鑒于前人研究結(jié)果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同造粒時(shí)間下氮化硅顆粒的特性變化。采用SEM(掃描電子顯微鏡)觀察顆粒表面粗糙情況及裂紋狀態(tài)[15]，通過(guò)水分測(cè)試儀測(cè)定顆粒含水率[16]，利用自動(dòng)強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)得顆粒強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)顆粒特性的檢測(cè)，能夠有效選擇合理的制粒時(shí)間。上述方法及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)優(yōu)化氮化硅陶瓷干法制粒過(guò)程有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及原料

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

制粒時(shí)間-顆粒致密性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由兩部分組成：制粒階段和檢測(cè)分析階段。制粒階段所用的高速混合制粒機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，為臥式圓筒結(jié)構(gòu)。該制粒機(jī)使用流態(tài)化造粒機(jī)制，制粒效果近似球形。攪拌槳電動(dòng)機(jī)設(shè)置在底部，通過(guò)轉(zhuǎn)向軸帶動(dòng)攪拌槳運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速控制攪拌槳的低速、中速、高速。串激電機(jī)體型較小可直接安裝在造粒室外部，與粉碎槳直接相連。其造粒過(guò)程主要分為三個(gè)階段：干混、濕混、造粒。(1)干混階段，攪拌槳低速度轉(zhuǎn)動(dòng)使物料在造粒室內(nèi)翻騰；(2)物料混合均勻后通過(guò)粘合劑噴頭向造粒室內(nèi)添加粘合劑，攪拌槳轉(zhuǎn)速增加，屬于濕混階段；(3)制粒階段是關(guān)鍵階段，攪拌槳和粉碎槳的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，物料被粉碎槳切成細(xì)小的顆粒狀，顆粒受到強(qiáng)大離心力而被擠壓與滾動(dòng)，結(jié)構(gòu)致密且均勻。

1.電動(dòng)機(jī) 2.出料口 3.造粒室 4.造粒室端蓋 5.粘合劑噴頭6.支撐桿 7.粉碎槳 8.串激電機(jī) 9.攪拌槳 10.底座圖1 高速混合制粒機(jī)Fig 1 Granuator of high speed mixing

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的氮化硅粉(Si3N4)選用的是秦皇島一諾高新材料開發(fā)有限公司純度為99.99%、粒度為0.6 μm，其材料化學(xué)成分如表1所示。

在氮化硅陶瓷造粒過(guò)程中，分別加入聚乙烯醇、海藻酸鈉、酚醛樹脂等幾種不同的添加劑，且造粒添加劑的含量不能超過(guò)所占原料的5%。在每種添加劑下又分成3組分別進(jìn)行造粒，造粒時(shí)間分別為4，5和6 min。

表1 Si3N4粉材料化學(xué)成分表

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)變量表

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 制備過(guò)程

氮化硅顆粒制備流程圖如圖2所示。將氮化硅粉末放入高速混合制粒機(jī)中低速干混，使氮化硅粉末中存在的一些雜質(zhì)均勻的分散到氮化硅粉中。干混過(guò)后，噴入適量的水和添加劑溶液在中速下進(jìn)行濕混，在攪拌槳的作用下使添加劑與氮化硅粉末充分混合，在側(cè)置高速粉碎槳的作用下形成均勻濕顆粒。

2.2 分析方法

制粒時(shí)間-顆粒致密性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中檢測(cè)分析階段圖2所示。

圖2 氮化硅顆粒制備流程圖Fig 2 Flow chart of silicon nitride particles preparation process

(1)SEM分析：利用掃描電鏡 (Hitachi SU9000)新型超高分辨冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡)得到氮化硅顆粒三維形貌圖，主要觀察裂痕狀態(tài)，判斷顆粒光滑度。

(2)含水率分析：利用水分測(cè)試儀(上海品重檢測(cè)設(shè)備有限公司PL-100Z)分析氮化硅顆粒在造粒時(shí)間不同情況下的含水率[17]。

(3)自動(dòng)強(qiáng)度測(cè)定儀(KQ-3)：氮化硅顆粒強(qiáng)度通過(guò)自動(dòng)強(qiáng)度測(cè)定儀[18-19]測(cè)得。

(4)綜合上述得出的光滑度、含水率、顆粒強(qiáng)度，分析得出造粒時(shí)間與致密性的關(guān)系。

圖3 氮化硅顆粒檢測(cè)分析示意圖Fig 3 Schematic diagram of silicon nitride particles detection and analysis

3 結(jié)果與討論

為分析制粒時(shí)間對(duì)顆粒致密性的影響，設(shè)置3組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，其中一組添加劑為聚乙烯醇、二組添加劑為海藻酸鈉、三組添加劑為酚醛樹脂。取造粒時(shí)間分別為4、4.5、5、5.5和6 min時(shí)的氮化硅顆粒樣品，對(duì)3組顆粒樣品進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 含水率分析

圖4為3組顆粒樣品在不同制粒時(shí)間下的含水率曲線圖?？傮w上3種制粒添加劑下隨著時(shí)間的推移顆粒含水率逐漸降低，在4～5 min時(shí)含水率的降低速度比5～6 min時(shí)降低速度要快些。制粒時(shí)間分別為4 min時(shí)，顆粒的含水率約為12%,含水率較高由于添加劑溶液中的水分，制備出的顆粒沒有經(jīng)歷風(fēng)干，水分較多不凝實(shí)，致密性不高。制粒時(shí)間為5 min時(shí)，顆粒含水率為9.0%，由生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知顆粒含水率為8%～10%最優(yōu)，制備出的顆粒水分揮發(fā)較快，形成的顆粒凝實(shí)致密性高。制粒時(shí)間為6 min時(shí)，顆粒的含水率為7.6%，制粒時(shí)間較長(zhǎng)，制備出的顆粒水分揮發(fā)快，含水降低，顆粒干裂，結(jié)構(gòu)松散造成顆粒致密性不高。

圖4 不同制粒添加劑制備氮化硅顆粒含水率曲線圖Fig 4 The moisture content curves of silicon nitride particles prepared by different granulating additives

3.2 SEM分析

圖5～7是利用超高分辨冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡拍攝的顆粒微觀形貌圖。圖5(a)為制粒時(shí)間4 min時(shí)，粉末偏多，形成的顆粒少且粗糙不規(guī)則，顆粒不凝實(shí)，致密性不高。圖5(b)為制粒時(shí)間為5 min時(shí)，成型的顆粒多且規(guī)則，顆粒表面光滑較凝實(shí)致密性高。圖5(c)為制粒時(shí)間為6 min，粉末較少并出現(xiàn)顆粒的碎屑，部分顆粒的表面出現(xiàn)裂紋。猜想是制粒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成氮化硅顆粒間相互摩擦、碰撞，使成型的顆粒重新裂開，造成顆粒的致密性不高。

圖5 聚乙烯醇為添加劑時(shí)不同制粒時(shí)間時(shí)的微觀形貌Fig 5 Microstructure of polyvinyl alcohol with different granulation time

圖6 海藻酸鈉為添加劑時(shí)不同制粒時(shí)間時(shí)的微觀形貌Fig 6 Microstructure of sodium alginate with different granulation time

圖7 酚醛樹脂為添加劑時(shí)不同制粒時(shí)間時(shí)的微觀形貌Fig 7 Microstructure of phenolic resin with different granulation time

3.3 強(qiáng)度分析

圖8是根據(jù)自動(dòng)強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)得3種不同制粒添加劑制備的氮化硅顆粒強(qiáng)度制定的曲線圖。制粒時(shí)間為4 min時(shí)，制備的顆粒水分多，顆粒疏松不夠凝實(shí)，測(cè)得3種添加劑制備的氮化硅顆粒的強(qiáng)度約為1 N。4～5 min時(shí)，成型的顆粒水分揮發(fā)，致密性增加，強(qiáng)度逐漸上升。制粒時(shí)間為5 min時(shí)，成型的顆粒數(shù)目較多，顆粒中的含水率降低，顆粒致密性高，測(cè)得強(qiáng)度為2.5、2.3、2.1 N。當(dāng)制粒時(shí)間為6 min，由曲線可知：顆粒的強(qiáng)度在逐漸下降，測(cè)得顆粒的強(qiáng)度為2.0、1.7、1.6 N,分析原因是制粒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，已經(jīng)成型的顆粒在制粒室內(nèi)相互擠壓、碰撞導(dǎo)致顆粒受損，顆粒的致密性下降。

圖8 不同添加劑顆粒的硬度曲線圖Fig 8 Hardness curves of different additive particles

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)制粒時(shí)間為5 min時(shí)，測(cè)得以海藻酸鈉為制粒添加劑制備出的氮化硅顆粒強(qiáng)度最高為2.5 N，含水率為9.2%，通過(guò)SEM觀測(cè)得顆粒表面凝實(shí)，綜上所述，該條件下制備的氮化硅顆粒的致密性相比其他條件下顆粒的致密性要高。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明干法制備氮化硅顆粒的致密性與制粒時(shí)間有相關(guān)，干法制備氮化硅顆粒時(shí)，選擇合適的制備時(shí)間對(duì)氮化硅顆粒致密性的影響顯著。所用的方法和結(jié)論對(duì)陶瓷干法制粒時(shí)間的優(yōu)化選擇具有一定的指導(dǎo)意義。