注：如需PDF原文，请将E-mail发送至本公司邮箱，注明所需文章即可。

高玮，朱孟钦，罗美芳，李春忠

摘要：将氧化钇粉体在水性介质进行不同时间的球磨解聚，分别测定了粉体粒径、比表面积、∈一电位以及体系pH值，得知球磨6小时后可获得最佳的解聚效果，时间过长会导致二次团聚的发生。采用反聚集强度参数对这一过程进行了解释。

关键词：氧化钇；球磨；解聚

    氧化钇在陶瓷材料领域应用广泛。高性能陶瓷材料要求原料的粒度更细、分布更均匀，但是，由于颗粒尺寸减小将导致表面能的迅速增大，粉末的团聚程度也更加严重。粗大的团聚体颗粒是生坯和烧结体显微结构不均匀的直接原因，同时大颗粒引起的空隙将阻碍烧结致密化过程，致使烧结体密度低、烧结体中产生各种裂纹状气孔。

   为制备出高性能的陶瓷制品，常采用两种手段解决团聚问题。一是控制团聚体的形成，例如采用水热法、溶胶凝胶法、微乳液法、喷雾热解法等新的合成工艺，或者通过在沉淀体系中加入分散剂、冷冻干燥前驱体、有机溶剂脱水来改善团聚情况。这些工艺在很大程度上改善了粉末的性能，但也使粉末的制备工艺更加复杂，生产成本及周期显著增加。另外一种思路则是在团聚体形成后进行球磨解聚。

    由于球磨过程包含有团聚体颗粒的破碎、颗粒间的相互作用、颗粒与器壁的作用、原粒间的二次作用、原粒与球磨球的作用等过程，因此，过长的球磨时间不仅不能有效地解聚，而且会导致杂质的增加或粉体晶型的改变。本文将以氧化钇为研究对象，对其在水性介质中的球磨解聚过程进行研究，找到获得最佳解聚效果的最优球磨时间并使用反聚集强度参数对其机理进行了解释。

1 实验

    实验所使用的氧化钇粉体采用草酸铵钇前驱体在箱式电阻炉中700~C焙烧2小时得到。球磨工艺条件为50g氧化钇粉料，加50mL 去离子水和80g电熔氧化锆球(夺6mm)，在400mL塑料磨瓶中分别球磨。

    粉体的粒度分布采用Coulter LS230激光粒度仪进行测定，并使用N 吸附法在MicromeriticsASAP24O比表面分析仪上测定颗粒的比表面积。在水性浆料中颗粒的∈一电位由Malvern Zetasizer-3进行测定，浆料的pH 值采用上海分析仪器厂PHS一3C酸度计测定。

2 结果与讨论

2．1 解聚过程中粒度与比表面积变化

    将氧化钇粉体在水性介质中分别球磨2、4、6、8、10、12小时进行解聚，分别测定其不同球磨时间粉料的粒度和比表面积，得到了图1和图2所示曲线。

    由图1和图2可以看出，球磨开始后，随着球磨时间的增加，粉料的粒度减小，比表面积增加。当球磨时间为6小时时，粉料具有最小的粒径和最大的比表面积。球磨时间继续增加，则粒径逐渐变大，比表面积趋于减小。

2．2 解聚过程中颗粒的表面电位变化

    分别测定氧化钇粉体经不同时间球磨后的￡一电位值，得到图3所示结果。

    由图3可以得出，氧化钇颗粒在水介质中是带负电的，球磨6h的粉料具有最大的∈一电位值，这可以从氧化钇晶体结构的表面双电层得到解释。由于氧化钇颗粒表面带负电，因而在水介质中，细颗粒氧化钇的胶团结构内，除了在吸附层内有氢离子外，部分氢离子处于扩散层中。比较图1和图3可知，∈一电位和颗粒粒径的变化具有良好的对应关系，球磨时间为6小时时，粉料的∈一电位最大，粒径最小。这是因为表面电位值增大，颗粒间将由于动电电位的作用而相互排斥，因而不易聚沉同时可以看出，对于这一胶体一悬浮体体系，∈一电位及颗粒粒径与球磨时间之间的关系比较复杂。

    测定各试样的pH值得到图4所示结果。分析这一结果可知，未磨的原始粉料的悬浮液，其pH值为8．20。这说明在该悬浮液中，自由氢离子浓度较高。这时，由于氢离子压缩扩散层而使∈一电位下降。随着球磨时间的增加，颗粒被进一步粉碎，新的颗粒表面随之而增加。在水介质中，每一个新的颗粒表面都将形成扩散双电层的胶团结构。由于新增的胶团结构要吸附一定数量的氢离子，因而水介质中自由氢离子的浓度下降。由图4可以看出，随着球磨时间的增加，悬浮液的pH 值上升，氢离子浓度下降。其结果使氧化钇胶团扩散层增大，∈一电位上升。但是，如果球磨时间继续增加，pH 值又重新下降，也就是氢离子浓度重新增大，这可能是由于颗粒继续粉碎，使新的颗粒表面增加太多，而相应的水介质中自由氢离子的浓度已下降到不足以形成新的氧化钇胶团。在这种情况下，粉碎后的细颗粒将通过带正电荷的氢离子作为桥梁而相互团聚起来。球磨时间越长，颗粒越细，新生的颗粒表面越多，这种团聚现象就越严重。团聚的结果使原来属于氧化钇胶团中的氢离子部分释放而导致水介质中自由氢离子浓度的增加。因而，随着球磨时间的增加，颗粒的粒径反而增大。悬浮液的pH 值下降，∈一电位也下降。

    可见，在球磨解聚过程中，原料的球磨时间并非是越长越好，对每一特定的原料，应存在一个最佳的球磨解聚条件。

2．3 反聚集强度的计算

    基于以上的实验和讨论，可以认为粉体的粒径是度量聚集状态的一个重要参数，而}电位则决定了粉料在水介质中的聚集状态及其强度；pH值是可以改变颗粒}电位值的一个外界因素。如适当控制这一条件，就有可能使粉料获得最佳解聚效果。采用强度参数可表征颗粒的反聚集状态强度设S为粉末在水介质中的反聚集状态强度参数；D为粉末颗粒的粒径(以 m 表示)；Z为粉末颗粒在水介质中的}电位值(以mV表示)则：

    从结果可以看出，反聚集强度参数S。能定性地表示颗粒的聚集状态。在球磨解聚的初期，反聚集强度最小，因此颗粒粒径最大，即团聚最为严重。经过6小时的球磨，反聚集强度最大，团聚体颗粒得到最佳解聚，因此颗粒粒径最小，比表面积最大。

3 结论

    在水性介质中通过球磨对氧化钇粉体进行球磨解聚时，存在最佳的球磨时间可以得到最大程度的解聚。解聚效果的好坏是由粒径和颗粒的专一电位决定的。采用反聚集状态强度参数可定性地表征解聚效果。