制粒時間對干法制備氮化硅顆粒致密性的影響

余冬玲，張小輝，吳南星，廖達海

(景德鎮陶瓷大學 機械電子工程學院，江西 景德鎮 333403)

0 引 言

陶瓷干法制粒具有節能減排、生產效率高[1-2]等優點，已逐步取代高能耗、低產量的濕法造粒技術[3]。但干法制備氮化硅顆粒存在以下缺陷：顆粒壓縮率過低、團聚現象嚴重、表面粗糙等[4-5]，上述問題導致干法制備的氮化硅顆粒致密性較差[6]。調整顆粒在制粒室內的運動時間對改善顆粒松密度，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，制粒時間表示為氮化硅粉末結合成具有一定直徑的氮化硅球狀顆粒所經過的時間尺度，顆粒致密性受制粒過程的影響較大。制粒時間對顆粒性能的影響特征受到國內外相關學者廣泛的研究。P.G.Subhash等[8-9]研究了同一采樣時間的相同粒徑的顆粒，其顆粒致密性、粘結劑含量、孔隙度、溶出度、顆粒強度等性能也存在明顯的不均勻性。楊月喬等[10]研究了時間對顆粒污泥形成的影響，結果表明強化造粒時間，有助于顆粒污泥的?；翌w粒較緊實。R.Dreu等[11-12]研究了造粒時間和進氣量對顆粒大小和粒度分布、顆粒形狀和流動性以及致密性的影響，粘結劑用量、粘結劑粒度和造粒時間的相互作用影響顆粒形狀且對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中加水量、造粒時間、攪拌方式對致密性多孔玻璃顆粒造粒過程的影響，造粒時間越長，致密性松散，小顆粒越多。從上述文獻可知，不同造粒時間對顆粒的致密性存在影響。

鑒于前人研究結果，通過實驗測量不同造粒時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[15]，通過水分測試儀測定顆粒含水率[16]，利用自動強度測定儀測得顆粒強度。通過對顆粒特性的檢測，能夠有效選擇合理的制粒時間。上述方法及實驗結果對優化氮化硅陶瓷干法制粒過程有一定的理論指導意義。

1 實驗裝置及原料

1.1 實驗裝置

制粒時間-顆粒致密性實驗平臺由兩部分組成：制粒階段和檢測分析階段。制粒階段所用的高速混合制粒機結構示意圖如圖1所示，為臥式圓筒結構。該制粒機使用流態化造粒機制，制粒效果近似球形。攪拌槳電動機設置在底部，通過轉向軸帶動攪拌槳運轉，通過改變電機轉速控制攪拌槳的低速、中速、高速。串激電機體型較小可直接安裝在造粒室外部，與粉碎槳直接相連。其造粒過程主要分為三個階段：干混、濕混、造粒。(1)干混階段，攪拌槳低速度轉動使物料在造粒室內翻騰；(2)物料混合均勻后通過粘合劑噴頭向造粒室內添加粘合劑，攪拌槳轉速增加，屬于濕混階段；(3)制粒階段是關鍵階段，攪拌槳和粉碎槳的轉速達到最大，物料被粉碎槳切成細小的顆粒狀，顆粒受到強大離心力而被擠壓與滾動，結構致密且均勻。

1.電動機 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 9.攪拌槳 10.底座圖1 高速混合制粒機Fig 1 Granuator of high speed mixing

1.2 實驗材料

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

在氮化硅陶瓷造粒過程中，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所占原料的5%。在每種添加劑下又分成3組分別進行造粒，造粒時間分別為4，5和6 min。

表1 Si3N4粉材料化學成分表

表2 實驗參數變量表

2 實驗過程

2.1 制備過程

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中低速干混，使氮化硅粉末中存在的一些雜質均勻的分散到氮化硅粉中。干混過后，噴入適量的水和添加劑溶液在中速下進行濕混，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

制粒時間-顆粒致密性實驗平臺中檢測分析階段圖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)新型超高分辨冷場發射掃描電鏡)得到氮化硅顆粒三維形貌圖，主要觀察裂痕狀態，判斷顆粒光滑度。

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

(3)自動強度測定儀(KQ-3)：氮化硅顆粒強度通過自動強度測定儀[18-19]測得。

(4)綜合上述得出的光滑度、含水率、顆粒強度，分析得出造粒時間與致密性的關系。

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

3 結果與討論

為分析制粒時間對顆粒致密性的影響，設置3組實驗進行對比分析，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。取造粒時間分別為4、4.5、5、5.5和6 min時的氮化硅顆粒樣品，對3組顆粒樣品進行對比分析。

3.1 含水率分析

圖4為3組顆粒樣品在不同制粒時間下的含水率曲線圖?？傮w上3種制粒添加劑下隨著時間的推移顆粒含水率逐漸降低，在4～5 min時含水率的降低速度比5～6 min時降低速度要快些。制粒時間分別為4 min時，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歷風干，水分較多不凝實，致密性不高。制粒時間為5 min時，顆粒含水率為9.0%，由生產經驗可知顆粒含水率為8%～10%最優，制備出的顆粒水分揮發較快，形成的顆粒凝實致密性高。制粒時間為6 min時，顆粒的含水率為7.6%，制粒時間較長，制備出的顆粒水分揮發快，含水降低，顆粒干裂，結構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發射掃描電鏡拍攝的顆粒微觀形貌圖。圖5(a)為制粒時間4 min時，粉末偏多，形成的顆粒少且粗糙不規則，顆粒不凝實，致密性不高。圖5(b)為制粒時間為5 min時，成型的顆粒多且規則，顆粒表面光滑較凝實致密性高。圖5(c)為制粒時間為6 min，粉末較少并出現顆粒的碎屑，部分顆粒的表面出現裂紋。猜想是制粒時間過長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不同制粒時間時的微觀形貌Fig 5 Microstructure of polyvinyl alcohol with different granulation time

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

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

3.3 強度分析

圖8是根據自動強度測定儀測得3種不同制粒添加劑制備的氮化硅顆粒強度制定的曲線圖。制粒時間為4 min時，制備的顆粒水分多，顆粒疏松不夠凝實，測得3種添加劑制備的氮化硅顆粒的強度約為1 N。4～5 min時，成型的顆粒水分揮發，致密性增加，強度逐漸上升。制粒時間為5 min時，成型的顆粒數目較多，顆粒中的含水率降低，顆粒致密性高，測得強度為2.5、2.3、2.1 N。當制粒時間為6 min，由曲線可知：顆粒的強度在逐漸下降，測得顆粒的強度為2.0、1.7、1.6 N,分析原因是制粒時間過長，已經成型的顆粒在制粒室內相互擠壓、碰撞導致顆粒受損，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 論

(1)通過實驗證明，當制粒時間為5 min時，測得以海藻酸鈉為制粒添加劑制備出的氮化硅顆粒強度最高為2.5 N，含水率為9.2%，通過SEM觀測得顆粒表面凝實，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)實驗結果表明干法制備氮化硅顆粒的致密性與制粒時間有相關，干法制備氮化硅顆粒時，選擇合適的制備時間對氮化硅顆粒致密性的影響顯著。所用的方法和結論對陶瓷干法制粒時間的優化選擇具有一定的指導意義。