Как выполнять микронное просеивание порошка диоксида циркония? Инженер рассказывает о реальном применении воздушного сита с отрицательным давлением в керамических материалах

Большинство специалистов, занимающихся исследованиями и разработкой керамических материалов, сталкивались с похожими ситуациями. В лаборатории только что была подготовлена партия порошка диоксида циркония (ZrO₂), и планируется провести анализ распределения частиц по размеру методом просеивания. Теоретический размер частиц составляет около 8 мкм, однако результаты просеивания выглядят несколько странно: доля частиц размером более 20 мкм превышает десять процентов. При повторном тестировании на другой машине для просеивания результат меняется и составляет всего несколько процентов.

Это одна и та же партия порошка, но данные не совпадают. Первая реакция многих инженеров обычно такова: не произошло ли агломерации порошка? Однако после дальнейшей проверки иногда выясняется, что проблема заключается не в самом материале, а в способе просеивания.

Для микронных керамических порошков, таких как диоксид циркония, если по-прежнему используется традиционное вибрационное сито, процесс просеивания легко подвергается влиянию таких факторов, как агломерация и засорение сетки. Поэтому многие лаборатории материалов впоследствии перешли на другой тип оборудования — воздушное сито с отрицательным давлением.

Ниже, исходя из логики анализа, которой обычно пользуются инженеры, рассмотрим реальное применение этого оборудования при просеивании порошка диоксида циркония.

I. Что такое воздушное сито с отрицательным давлением?

Проще говоря, воздушное сито с отрицательным давлением — это устройство, использующее воздушный поток для просеивания порошков. Принцип его работы полностью отличается от традиционного вибрационного сита.

Традиционное просеивание основано на:
механической вибрации → подпрыгивании порошка → прохождении через отверстия сетки

Принцип воздушного сита заключается в следующем:
воздушный поток диспергирует порошок → отрицательное давление втягивает мелкий порошок → классификация через сетку

Во время работы оборудования под сеткой формируется стабильное отрицательное давление, а воздушное сопло непрерывно подает воздух на поверхность сита. Под действием воздушного потока порошок диспергируется, мелкие частицы проходят через сетку под действием отрицательного давления, в то время как более крупные частицы остаются на поверхности.

Многие инженеры, впервые увидев работу устройства, обычно говорят: «Это больше похоже не на просеивание порошка, а на воздушную классификацию». Именно этот способ делает просеивание микронных порошков более стабильным.

II. Почему порошок диоксида циркония лучше подходит для воздушного просеивания?

Сложность просеивания порошка диоксида циркония в основном связана с тремя аспектами.

Мелкий порошок, склонный к агломерации

Многие керамические порошки диоксида циркония имеют диапазон размеров частиц 0.5 мкм–10 мкм. Порошки такого уровня очень легко образуют комки, ложные частицы и искусственно «увеличенный» размер частиц на вибрационном сите.

В лаборатории часто встречается ситуация, когда порошок с реальным размером частиц 8 мкм показывает результат, похожий на частицы размером 15 мкм. Причина обычно не в том, что частицы стали больше, а в том, что агломераты не были разрушены.

Во время работы воздушного сита сопло непрерывно создает воздушный поток для диспергирования порошка. Обычно давления около 3000 Па достаточно для разрушения агломератов мелкого порошка.

Высокомелкая сетка легко засоряется

Для просеивания порошка диоксида циркония обычно используются:

сетка 1000 mesh (примерно 13 мкм)
сетка 1250 mesh (примерно 10 мкм)

На традиционном вибрационном сите такая сетка часто начинает засоряться уже в середине процесса. Чем мельче порошок, тем более выражено засорение.

Во время работы воздушный поток постоянно проходит по поверхности сита, обеспечивая определенный очищающий эффект для отверстий сетки. При использовании сетки с алмазным покрытием проблема засорения может быть значительно уменьшена. Многие лаборатории уже при первом использовании замечают, что сетка остается относительно чистой.

Экспериментальные данные требуют воспроизводимости

При разработке керамических материалов часто необходимо проводить тесты распределения размеров частиц, сравнение партий материала и проверку классификации порошка.

Если результаты просеивания каждый раз сильно отличаются, экспериментальные данные трудно использовать в качестве ориентира.

Преимущество воздушного сита заключается в том, что его параметры можно стабильно контролировать, например: значение отрицательного давления, скорость сопла и время просеивания. Один и тот же набор параметров можно многократно использовать повторно, что повышает воспроизводимость результатов эксперимента.

III. Кому больше всего необходимо это оборудование?

Воздушное сито с отрицательным давлением в основном является лабораторным оборудованием, и его пользователи обычно делятся на три категории.

Инженеры по исследованию и разработке материалов

Например, при разработке керамических материалов, таких как порошок диоксида циркония, оксида алюминия и нитрида кремния. Эти материалы обычно имеют мелкий размер частиц и требуют высокой точности просеивания.

Лаборатории анализа порошков

Многие внутренние лаборатории предприятий проводят просеивание порошков по размеру частиц и контроль качества. Объем образцов обычно невелик, но требования к стабильности данных очень высоки.

Университеты и научно-исследовательские учреждения

Факультеты материаловедения и институты порошковых исследований также часто используют воздушные сита для анализа размера частиц и проверки экспериментальных данных.

IV. Когда следует рассматривать использование воздушного сита?

В лабораторной практике при возникновении следующих ситуаций обычно рассматривается использование воздушного сита.

Во-первых: размер частиц менее 20 мкм, например порошок диоксида циркония и нанокерамический порошок, для которых вибрационное сито трудно обеспечивает стабильное просеивание.

Во-вторых: размер сетки превышает 1000 mesh, поскольку такая мелкая сетка легко засоряется на вибрационном сите.

В-третьих: небольшой объем образца. Во многих лабораториях за один раз просеивают только 50 g–100 g, что больше подходит для лабораторного оборудования.

В-четвертых: требуется стабильность экспериментальных данных. Обычно воздушное сито выполняет одно просеивание всего за несколько минут и обладает хорошей воспроизводимостью.

V. В каких отраслях обычно используется это оборудование?

Хотя многие впервые сталкиваются с воздушным ситом именно в керамической промышленности, на самом деле область его применения довольно широка. К распространенным отраслям относятся:

современная керамика: порошок диоксида циркония, оксида алюминия, нитрида кремния
электронные материалы: керамический порошок MLCC, порошки для электронных паст
новые энергетические материалы: графитовый порошок, кремниевый порошок, тройные материалы
тонкая химия: пигментные порошки, порошки покрытий

Все эти отрасли объединяет одна общая особенность: порошки мелкие и легко агломерируются.

VI. Как лаборатории выбрать подходящее воздушное сито?

С инженерной точки зрения обычно обращают внимание на несколько ключевых факторов.

Размер сита

Наиболее распространенный лабораторный стандарт — сито диаметром 200 mm, подходящее для большинства тестов порошков.

Диапазон размеров частиц

В целом воздушное сито может поддерживать диапазон 5 мкм – 4000 мкм, но наиболее часто используемый диапазон обычно составляет 10 мкм – 200 мкм.

Материал сетки

Для высокоточного просеивания обычно рекомендуется использовать алмазную сетку. Такая сетка имеет износостойкое покрытие, меньше подвержена засорению и обладает более длительным сроком службы.

Требуется ли ультразвук

Если размер частиц ≤10 мкм, многие инженеры рекомендуют устанавливать ультразвуковой модуль, который может дополнительно уменьшить агломерацию.

VII. Анализ распространенных проблем при просеивании порошка диоксида циркония

Вопрос 1: Как выполнять микронное просеивание порошка диоксида циркония?

Для порошка диоксида циркония размером 10 мкм и менее рекомендуется в первую очередь использовать воздушное сито с отрицательным давлением. За счет воздушной диспергации + отрицательного всасывания можно уменьшить влияние агломерации и повысить точность просеивания и стабильность данных.

Вопрос 2: Почему после просеивания размер частиц порошка диоксида циркония кажется больше?

Основная причина не в том, что частицы стали больше, а в том, что агломераты не были разрушены. Особенно при использовании вибрационного сита агломерированные частицы учитываются как «крупные частицы», что обычно приводит к отклонению результатов в пределах 5%–15%.

Вопрос 3: Требуется ли ультразвук для просеивания порошка диоксида циркония?

Если размер частиц менее 10 мкм, рекомендуется установка ультразвука. Это может эффективно уменьшить агломерацию порошка и повысить проходную способность и согласованность данных.

Вопрос 4: Как определить, нужно ли вам воздушное сито с отрицательным давлением?

Если наблюдаются следующие ситуации, его использование можно вполне рассматривать:

размер частиц менее 20 мкм, нестабильные данные при использовании вибрационного сита, высокомелкая сетка легко засоряется, малый объем экспериментального образца (<100 g)

При длительной работе с просеиванием порошков становится очевидной одна закономерность: чем мельче порошок, тем важнее метод просеивания.

Для керамических порошков, таких как диоксид циркония на уровне 10 мкм, многие проблемы связаны не с самим материалом, а с агломерацией, засорением сетки и нестабильностью данных в процессе просеивания.

Основные функции воздушного сита с отрицательным давлением на самом деле сводятся к трем вещам: диспергирование порошка, стабилизация процесса просеивания и повышение воспроизводимости экспериментальных данных. Поэтому после использования многие лаборатории материалов дают довольно схожую оценку: это может быть не самое быстрое оборудование для просеивания, но часто одно из самых стабильных с точки зрения данных.

Если ваша лаборатория в настоящее время работает с порошком диоксида циркония, керамическим микропорошком или просеиванием порошков уровня 10 микрон, вы также можете привезти образцы для реального тестирования, чтобы проверить, подходит ли эффект просеивания для вашего материала. Добро пожаловать, звоните по номеру 15601937055 для записи на бесплатное тестирование образцов.