研磨分散代工

 

 
 

 

    有研磨分散過經濕式成型燒結後的成品，因燒結體之晶粒細小均勻且密度高，所以其電/光/磁/機械特性都較無分散的好很多。另外，研磨分散後之漿料與黏結劑混合塗佈成膜後表面光滑不龜裂，其電/光/磁/機械特性都較無分散的好很多，可見研磨分散的重要性。

 


研磨與分散之差別

    研磨與分散常被混淆，將粗大的一次粒子及部分鍵結在一起的粗大二次粒子(aggregate)磨成更小的二次粒子或一次粒子或更小的一次粒子稱為研磨；而將因凡德瓦爾力(靜電力)聚集之一次或二次粒子(agglomerate)分開並沒有細化一次粒子或二次粒子的稱為分散，簡單地說有破壞化學鍵結的就是研磨。圖一為一次、二次、三次粒子之示意圖。圖二、三為氧化鋁粉末經強力珠磨機研磨後之SEM顯微照片，只見結團被分散，一次粒子及二次粒子粒徑並未改變，是典型的分散例子；圖四 為氧化矽粉末經強力珠磨機研磨後之SEM顯微照片，發現原先一次粒子被大大細化，是典型的研磨例子。顯然分散需要之機械力較小，但因在溶劑中進行，且過程中產生更多具活性之表面需要分散劑阻止再團聚回去，與研磨相似，所以常被放在一起討論。

 
圖一 （註1）
 
圖二
 
圖三
 
圖四 

 註1、摘自M. N. Rahaman "Ceramic Processing and Sintering".


分散之重要性

    很多客戶買了粉體尤其是奈米粉體，常因使用前未充份分散至使應有功能未能顯現。

    例一為燒結的例子：經充份分散的0.3um Al2O3粉體(圖一)溼式成型後可在1390℃燒到99%的理論密度，且晶粒只均勻長大至2um左右（圖二）；而沒有分散（圖三）採乾式成型的，雖在1600℃燒結密度只有97.6%的理論密度，且晶粒長大至5um左右（圖四），並出現晶粒異常成長現象。

    例二為彩色噴墨亮面相紙的例子：經充份分散的40nm AlOOH粉體（圖五）與PVA適當比例混合後在PE紙上塗佈後之成膜情形（圖六），發現塗層不會龜裂並且非常光亮；而沒有分散（圖七）直接與PVA混合後在PE紙上塗佈的（圖八），塗層龜裂而失去光澤。

    例三為ATO透光塗層的例子：經充份分散的40nm ATO粉體（圖九）與PVA適當比例混合後在玻璃上塗佈成膜後之透光情形（圖十），發現塗層透光度佳且均勻；而沒有分散（圖十一）直接與PVA混合後在玻璃上塗佈成膜的（圖十二），塗層透光度差且不均勻。

   
圖一 圖二
   
圖三 圖四
   
圖五 圖六
圖七 圖八
圖九 圖十
圖十一 圖十二

 


物質能否被研磨之條件

    硬質或軟質材料是評估物質能否被研磨的首要條件，現在使用的磨球大都為YSZ(yttria stabilized zirconia) 莫氏硬度約為9(Knoop 1800)，所以莫氏硬度7(Knoop 800)以上稱為硬質材料，以我司經驗是無法被研磨的，莫氏硬度7以下則為軟質材料是可以研磨的。如在研磨與分散之區別中的圖二~四顯示，硬質的α-Al2O3只能被分散不能被研磨，而軟質的SiO2則可被研磨細化。表一為一些常見物質的硬度情形。另外，若部分鍵結的硬質材料鍵結結構較鬆散(soft aggregate)時，也可以被某程度的磨開細化。

表一 

 Material  Formula   Mohs

 Modified mohs

Knoop
Graphite 

 C

 0.5

    

 Talc

 3MgO.4SiO2.H2O

 1

 1

  
 Gypsum

CaSO4.2H2O 

 2

 2

32

Galena

PbS

2.5

    

Mica

  

2.8

    

Calcite

CaCO3

3

3

135

Aragonite

CaCO3

3.5

    

Dolomite

CaMg(CO3)2

3.5

    

Fluorite

CaF2

4

4

163

Magnesia

MgO

5

  

370

Feldspar(orthoclase)

K2O.Al2O.6SiO2

6

6

560

Hematite

Fe2O3

6

  

750

Magnetite

Fe3O4

6

    

Rutile

TiO2

6.2

    

Agate

SiO2

6.5

    

Silica(fused)

SiO2

  

7

  

Quartz

SiO2

7

8

820

Silicon

Si

7

    

Zircon

ZrSiO4

7.5

    

Aluminum nitride

AlN

    

1225

Emery

Al2O3(impure)

8

    

Zirconia(fused)

ZrO2

  

11

  

Tungsten carbide

WC

    

1880

Alumina(fused)

Al2O3

  

12

  

Carborundum(silicon carbide)

SiC

9.3

13

2500

Boron carbide

B4C

  

14

2800

Diamond

C

10

15

7000

機械力

    圖一為一些常見研磨方法及研磨效果情形，研磨分散採用球磨及珠磨方法來進行。靠著磨球相互撞擊及磨球被攪動旋轉產生的剪切力來研磨分散細化粉體，如圖二及三所示，所以粉體能夠被細化到多小係由磨球大小所決定。現在奈米研磨分散機使用300um 磨球約可將粉體研磨分散至100-200nm之間；50um磨球則可將粉體研磨分散至30-80nm之間。

 
圖一（註1）
 
圖二（註1）
 
圖三 （註1）

註1、摘自M. N. Rahaman "Ceramic Processing and Sintering". 


分散劑

    粉體為使處於安定狀態必須團聚一起來減少表面積降低能量(活性)，當研磨分散時因粉粒間的聚集或鍵結被打開時，表面積增加，雖然粉體表面帶有相同電荷會相互排斥，但電位只有±0-10mV，不足以防阻粉體團聚回去，並且將粉體表面上溶劑因粉體再次團聚被鎖住在粉體之間，致使系統黏度上升，例如從50vol%氧化鋁漿料加入polyacrylate量與黏度及電位的關係圖中(圖一)可看出未加電解質/分散劑/表面活性劑時黏度可高達10000cps以上。

   當加入適當電解質/分散劑/表面活性劑使其電位高過±25mV時，就可穩定分散粉體不會再次團聚，大大降低黏度至50cps以下。圖二、三為粉體吸附電解質/分散劑/表面活性劑之示意圖及電位大小與分散穩定性之關係。這可用Gouy-Chapman的電雙層理論來描述，粉體表面吸附最多與本身電性相反之這些電解質/分散劑/表面活性劑稱為吸附層(Adsorbed layer)，之後吸附量隨著距離以擴散方式遞減到正常值，這一層稱為擴散層(Diffuse layer)，這兩層就稱為電雙層，如圖四所示。

   
圖一（註2） 圖二（註2）
  
圖三（註3）
  
圖四 （註2）


     一般使用電位計(圖五)來研究如何選擇合適的電解質/分散劑/表面活性劑及其用量，如圖六所示。因為一般型電位計需將分散系統稀釋近萬倍(ppm)方能量測，使得pH及離子強度改變並可能引入污染致使量測失真，如圖七所示。Colloidal Zeta Probe 則可在原液之濃度下量測，較為準確。

 

 圖五（註3） 圖六 （註3）
  
圖七（註3）  

註2、摘自James S. Reed "Introduction to the Principles of Ceramic Processing".

註3、摘自磐拓國際股份有限公司販售之Colloidal Zeta Probe產品介紹。

 


現有研磨分散代工及分析設備