一文了解纳米氧化锆粉体制备及改性技术

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一文了解纳米氧化锆粉体制备及改性技术

来源: | 作者:purnssa123 | 发布时间: 2023-02-15 | 3143 次浏览 | 分享到:

氧化锆（ZrO₂）是一种高熔点金属氧化物，化学性质稳定，具有耐磨、耐高温、耐腐蚀等特性，又因其具有抗热冲击性好、折射率高、热稳定性好等优良的力学性能，在义齿、人工关节、飞机发动机零部件，再到汽车电池材料等领域得到广泛应用并备受关注。

其中，氧化锆在义齿行业可谓是“大佬”级别，市场规模巨大。同时，新型纳米氧化锆材料的出现，实现了从氧化锆粉末到牙冠的生产技术革新，烧结后自带天然牙釉光泽，加之自动化的生产流程，成本可降低约60%。据估算，国内每年所需齿科用纳米级氧化锆已超过2000吨，且复合增长率达到10%以上。

近年来，纳米氧化锆陶瓷已经具有一定的韧性和可加工性，由于纳米陶瓷晶粒的细化，晶界数量大幅度的增加，使得材料的强度、韧性和塑性都大大提高。

纳米氧化锆性能

国际市场上，氧化锆纳米粉体已经进入工业化发展阶段，美国、日本和西欧等发达国家和地区，纳米氧化锆粉体的生产规模比较大，产品规格较为齐全，在氧化锆陶瓷的专利上也具有明显的竞争优势。国内高端氧化锆粉体实力较强的厂商有东方锆业、国瓷材料、三环集团等。随着新型陶瓷制造业迅速发展，陶瓷粉体的需求也在增加，开发纳米氧化锆工业也显得越来越迫切。
氧化锆陶瓷粉体的技术壁垒很高，研究如何制备出超细且粒度分布优良的纳米陶瓷粉体制备工艺、通过表面改性改善纳米粉体的流动性，也是当前陶瓷研究的热点。
纳米氧化锆粉体，图来源：三环集团
目前制备纳米氧化锆粉体的方法有固液法、液相法和气相法。其中液相法化学反应过程简单、操作方便、生产成本低、易于规模化生产，且制备出的纳米粉体粒径分布窄、分散性好、组分均匀。所以目前液相法是工业上应用最广泛的方法。
纳米氧化锆制备方法优缺点：

纳米氧化锆粉体制备中，纳米氧化锆粉体团聚是一大难题，纳米氧化锆粉体表面能较高、活性强，颗粒之间很容易在混料时形成团聚。在陶瓷团聚体烧结后成为裂纹发源地，严重降低陶瓷部件的断裂强度和韧性。

对纳米粉体进行表面修饰可以有效的改善粉体团聚的倾向。表面改性可以改善粉体粒子分散性，使其不团聚；改善粒子与其他物质的相容性；改善纳米粉体耐久性。此外还能提高粒子表面活性，使微粒产生新的物理、化学、机械性能和新的功能。

目前根据改性剂和纳米粉体表面有无化学反应，可分为表面物理改性和表面化学改性两大类。
2.1偶联剂类表面改性
钛酸酯偶联剂对氧化锆粉体改性，在有机粘结剂中不会形成团聚，其致密性（相对密度99.6%）温度为1450℃，比原始粉体要低100℃左右。硅烷偶联剂包覆在纳米氧化锆粉体表面进行改性，能保持纳米粉体结构特性，修饰后粉体表面积能达到354m²/g。

2.2硬脂酸表面表面改性

利用硬脂酸处理无机粉体有类似偶联剂的作用，可以改善无机粉体与高聚物基料的亲和性，提高其在有机溶剂中的分散度。另外，由于硬脂酸本身具有润滑作用，使用硬脂酸对粉体进行表面改性还可以减小复合体系内的摩擦力，改善复合体系的流动性能。

相对于物理方法制备的纳米氧化锆粉体纯度低、化学组份不均匀等缺点，化学法制备氧化锆纳米粉体因为纯度高、颗粒均匀性好、化学组成均匀可控且设备工艺简单等优点得到产业的青睐。

理想的纳米粉体应同时具备组分均匀、颗粒细、粒径分布窄、无团聚、比表面积大等诸多优点，在满足这些条件的同时，作为商品其成本不能过高。作为功能陶瓷，纳米氧化锆因其出色的性能而具有巨大的市场已得到人们的共识，但是高效率、低成本的制备工艺却少之又少。

因此，研究纳米氧化锆粉体的表面改性技术法，探索稳定环保的改性剂及其对粉体微观结构的影响机理，对纳米氧化锆陶瓷粉体的成功应用至关重要。同时，探索生产周期短、成本低的纳米氧化锆生产工艺，对满足市场的需求具有重要的意义。