纳米粉体分散研磨技术的探讨

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摘 要：纳米科技是21世纪科技发展的重要技术，其应用领域非常广泛，遍及电子产业、光电产业、医药生化保健品产业、化织产业、建材产业、金属产业、基础产业等领域。不论其应用领域如何，所需材料均为次微米或纳米级细度的材料。如何得到纳米级的粉体及如何将纳米级的材料进行适当的界面改性，并成功地将其应用到最终的产品，已成为目前行业共同研究的课题之一。本文主要介绍了纳米粉体在市场上应用现状与发展，同时针对纳米界面改性技术进行了探讨。

关键词：转化技术；纳米微粒；分散；改质

1 引言

随着3C产品（轻、薄、短小化及纳米细度材料）的流行性趋势，如何将超微细研磨技术应用于纳米材料的制备，以及分散研磨，已成为现今研究的重要课题之一。1998年以前，企业界所面临的问题为如何提高分散研磨效率以降低劳力成本，如染料、涂料、油漆、油墨、铅笔、食品等产业。而1998年以后，产业技术瓶颈则为如何得到微细化（纳米化）材料及如何将纳米化材料分散到最终产品里，如光电业TFTLCD、Jet ink、磁性材料、保健品、生物制药和细胞破碎、氧化物、纳米材料、电子产业、光电产业、医药生化产业、化纤产业、建材产业、金属产业、肥皂、皮革、电子陶瓷、导电浆料、胶印油墨、纺织品、生物制药、喷绘油墨、芯片抛光液、细胞破碎、化妆品、喷墨墨水、陶瓷喷墨、金属纳米材料、塑料材料、特种纳米航空材料等行业。

目前，各大陶瓷生产企业纷纷推出别具特色的陶瓷喷墨打印产品，尤其是凹凸面的高清晰喷墨打印陶瓷砖，令人耳目一新。毫无疑问，喷墨打印技术的春天已经到来。虽然陶瓷喷墨打印技术在我国只有几年的发展历史，还存在着一些技术性的问题（如拉线、烧成后发色不稳定、明亮的红色墨水不能制备）、成本问题（如喷头、墨水的核心技术在外国企业手中，导致喷头、墨水价格偏高）、新商业模式的问题（如新产品管理制度还需要突破、陶瓷喷墨打印设计和研发体系尚未成熟、针对大批采购的个性化供应链体系尚未成形）等。随着博今科技、道氏制釉、明朝科技、金鹰色料、万兴色料等国产墨水企业对于陶瓷墨水品质的不断提升；随着泰威、美嘉、精陶等喷墨打印机企业已经掌握了除喷头外的机械自动化系统、软件系统，喷墨打印技术将在中国市场上获得更广泛的应用。但喷墨粉体的研磨细度及其稳定性成为所有生产企业所面临的一大难题。在技术方面，除了拉线、发色的问题外，笔者认为喷墨的多功能化、喷墨打印快速化、喷墨技术与薄板更好地结合、墨水固含量的提高、胶状化学物质的均匀分布及稳定性的提升、模具的设计和使用也将是今后的发展方向。

不论是传统产业研磨效率求快，还是高科技产业纳米化材料求细，污染控制都同样重要。所以细﹑快﹑更少污染已成为新一代分散研磨技术最重要的课题。本文主要介绍了纳米粉体在市场上应用现状与发展，同时针对纳米界面改性技术进行了探讨。

2 纳米粉体在市场上应用现状与发展

依据USNSF（National Science Foundation）的预测，在2010～2015年间，纳米粉体的潜在市场规模将达3400亿美元。多年来，世界各地的纳米专家不断地在开发纳米粉体的新应用，例如：有学者研究将传统工业产品纳米化，以便提升产品的价值及性能，其应用的领域，如涂料、油墨、树脂、功能性色膏、陶瓷粉等传统产业纳米化；也有学者研究利用纳米材料的特性开发出消费性新产品，如光学膜、光触媒、保健品、医药等产品。纳米科技可说是产业的另一次大革命。

尽管US-NSF大胆地预测纳米市场的潜在规模如此之大，同时，美、日、德等国家亦已投入相当大的人力、物力来开发纳米粉体的应用（如德国Degussa公司开发纳米级的SiO2等）。然而在2003年，全世界的纳米陶瓷粉的产值仅为1.5亿美元，与预测值相距太远，其原因如下。

2.1 价值链落差

纳米粉体仍无法成功地应用于量产阶段，其主要原因为生产者尚未将传统工业纳米化，虽然生产者已掌握住所有制程的转化条件，如工艺配方的设计、纳米粉体的前处理、纳米粉体的转化条件等。尤其是纳米粉体因范德华力的作用易产生团聚的现象。但是只靠传统的分散技术，无法将纳米粉体分散开来。因此若要成功地将传统工业纳米化，首先要掌握的关键技术是如何将纳米粉体适当地转化，使其进入到下一个界面后仍为纳米粒子，不会出现团聚现象。纳米粉体至今为何仍无法成功地被应用，其主要原因为市面上大部分的纳米粉体未适当地改性，使其无法成功地应用到纳米产品的开发与制造中。

2.2 纳米粉体需要因不同的应用而加以改性

目前，市面上至少有200种纳米产品已被开发出来，但大部分的粉体，如Inkjet、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2等皆尚未被依需求而改性，无法成功地被应用。主要是由于未被改性的纳米粉体添加到最终的产品时，往往因界面不相容而产生团聚现象，所以纳米材料的作用无法表现出来。例如，有学者将纳米ZnO粉体涂布到光学膜上，由于该 ZnO粉体未做适当的界面改性，所以光学膜涂布ZnO粉体后，抗UV效果非但没有增加，其穿透力反而大幅度将低。

3 界面改质技术的概念

3.1 化学机械制程

现今人们利用三辊研磨、分散机、珠磨机、搅拌磨等分散研磨设备将材料分散研磨到微米或次微米级，但却很难达到纳米级的程度，其研磨原理如图1所示。主要是由于一旦材料的颗粒大小被机械力分散研磨纳米化后，此时粉体的比表面积急剧增加，范德华力效应及布朗运动明显加剧，粉体因而容易再度凝聚。所以，不管怎样分散研磨，其粒径很难降下来。然而，通过化学机械制程法可以解决此问题。利用高速搅拌珠磨机，将纳米粉体进行适当的界面改性，以避免纳米粉体再凝聚，从而使得粉体分散研磨后粒径达到要求。

本系统采用了湿法分散研磨方法，因此浆料温度不易因研磨而急速上升，所以可以选用较小的磨球，如0.05～0.3mm的氧化锆珠，再配以研磨机高线速度 (10～16m/s)运转，以缩短分散研磨及反应所需的时间。采用化学机械制程的另一个好处为研磨参数，如搅拌器的转速、磨球的充填率、流量、产品温度等均可以因需要而调整到最佳化的研磨条件，并可以等比例放大，以供日后正式量产时使用。在使用化学机械制程法时，我们只需先将表面改质剂加入到需要改性粉体的浆料内，再依最终的粒径要求来设定研磨机所需的消耗电能及比能量值，利用串联循环研磨（如图2所示）操作工艺流程模式进行分散、研磨及界面改性之工作。研磨机运转过程中将自动累积所消耗的电能，直到所设定的比能量达到时，会自动停机，这样可以确保研磨品质的均一性。