Moagem e dispersão de zircônia

Fabricação por Contrato para Moagem e Dispersão

Após conformação úmida e sinterização, os produtos finais apresentam características excepcionais devido à estrutura de grãos fina e uniforme e à alta densidade do corpo sinterizado. Essas propriedades resultam em desempenho elétrico, óptico, magnético e mecânico superior em comparação com materiais que não sofreram dispersão. Além disso, as polpas produzidas após moagem e dispersão, quando misturadas com ligantes e aplicadas como revestimentos, exibem superfícies lisas sem fissuras, aumentando ainda mais suas propriedades elétricas, ópticas, magnéticas e mecânicas. Isso ressalta a importância crucial dos processos de moagem e dispersão.

Distinção entre moagem e dispersão

Moagem e dispersão são muitas vezes confundidas, mas envolvem processos distintos. A moagem refere-se à redução de partículas primárias grandes ou partículas secundárias grosseiras (agregados) em partículas secundárias ou primárias menores, ou mesmo partículas primárias mais finas. A dispersão, por outro lado, envolve a separação de partículas primárias ou secundárias aglomeradas causadas por forças de van der Waals (forças eletrostáticas) sem necessariamente reduzir seu tamanho. Em termos mais simples, a moagem envolve a quebra de ligações químicas. A Figura um ilustra partículas primárias, secundárias e terciárias, enquanto as figuras dois e três mostram imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) de pó de alumina após moagem, onde aglomerados são dispersos sem mudança no tamanho das partículas primárias e secundárias, e pó de sílica após moagem, onde partículas primárias foram significativamente reduzidas em tamanho, representando exemplos típicos de dispersão e moagem. É evidente que a dispersão requer menos força mecânica, mas depende de um processo à base de solvente, gerando superfícies mais ativas que requerem o uso de dispersantes para evitar a reaglomeração, tornando-a um pouco semelhante à moagem. Portanto, esses processos são frequentemente discutidos em conjunto devido às suas semelhanças.

A importância da dispersão

Muitos clientes adquirem materiais em pó, especialmente nanomateriais, e muitas vezes não conseguem atingir a funcionalidade pretendida devido à dispersão inadequada antes do uso.

Exemplo 1: Sinterização

O pó de Al2O3 de 0,3um adequadamente disperso (Figura um) pode atingir 99% da densidade teórica quando moldado e sinterizado a 1390°C, com crescimento de grãos em média de apenas cerca de 2um (Figura dois). Por outro lado, o pó não disperso (Figura três) processado por conformação seca atinge uma densidade sinterizada de 97,6% da densidade teórica a 1600°C, com crescimento médio de grãos em torno de 5um (Figura quatro), juntamente com crescimento anormal de grãos.

Exemplo 2: Papel revestido a jato de tinta brilhante

O pó de AlOOH de 40nm adequadamente disperso (Figura cinco), quando misturado ao PVA em proporções adequadas e revestido em papel PE, resulta em um filme livre de trincas e altamente brilhante (Figura seis). Em contraste, o pó não disperso (Figura sete), misturado diretamente ao PVA e revestido em papel PE (Figura oito), leva a um revestimento rachado e sem brilho.

Exemplo 3: Revestimento ATO transparente

O pó de ATO de 40nm devidamente disperso (Figura nove), quando misturado ao PVA em proporções adequadas e revestido em vidro, produz um revestimento altamente transparente e uniforme (Figura dez). Por outro lado, o pó não disperso (Figura onze), quando misturado diretamente ao PVA e revestido em vidro (Figura doze), resulta em pouca transparência e revestimento irregular.

Condições para Materiais de Moagem

Se um material pode ser moído depende de sua dureza, com materiais duros e macios avaliados com base em sua dureza Mohs. A maioria das bolas de moagem de zircônia em uso hoje são feitas de YSZ (zircônia estabilizada com ítria), que tem uma dureza Mohs de aproximadamente 9 (Knoop 1800). Materiais com dureza Mohs de 7 (Knoop 800) ou superior são considerados materiais duros e, com base em nossa experiência, não podem ser efetivamente moídos. Materiais com dureza Mohs igual ou inferior a 7 são classificados como materiais macios e podem ser moídos. Como mostrado nas figuras dois a quatro na distinção entre moagem e dispersão, materiais duros como α-Al2O3 só podem ser dispersos e não moídos, enquanto materiais moles como SiO2 podem ser efetivamente moídos e refinados. A tabela um fornece informações de dureza para alguns materiais comuns.

Material Fórmula Mohs Dureza Mohs Mohs Modificada (Knoop)

Forças Mecânicas

A figura um ilustra os métodos comuns de moagem e seus efeitos na redução do tamanho das partículas. A moagem e a dispersão empregam métodos de moagem de bolas e de miçangas. Bolas de moagem de zircônia, através de colisões mútuas e das forças de cisalhamento geradas por sua agitação e rotação, refinam o pó, como mostrado nas figuras dois e três. O tamanho para o qual o pó pode ser refinado depende do tamanho das bolas de moagem de zircônia usadas. Atualmente, máquinas de nanomoagem e dispersão utilizando bolas de moagem de zircônia de 300um podem refinar pós para tamanhos que variam de 100 a 200nm, enquanto bolas de moagem de zircônia de 50um podem refinar pós para tamanhos entre 30 e 80nm.

Dispersantes

Para manter estáveis as dispersões de pós, é essencial evitar que eles se reaglomerem e reduzam sua área superficial (atividade). Durante a moagem e dispersão, quando aglomerados ou ligações entre partículas são quebrados, a área de superfície aumenta. Embora partículas com cargas semelhantes em suas superfícies se repelam, o potencial é tipicamente na faixa de ±0-10mV, insuficiente para evitar a reaglomeração do pó. Além disso, o solvente presente na superfície do pó durante a reaglomeração pode ficar preso entre as partículas, aumentando a viscosidade do sistema. Por exemplo, a Figura um mostra a relação entre viscosidade e potencial quando 50vol% de lama de alumina é adicionada com poliacrilato, destacando que a viscosidade pode exceder 10.000cps quando nenhum eletrólito/dispersante/tensoativo é adicionado.

A estabilidade na dispersão é alcançada através da introdução de eletrólitos, dispersantes e surfactantes adequados para garantir que o potencial exceda ±25mV. Isso efetivamente estabiliza a dispersão de subaglomerados de pó e reduz significativamente a viscosidade para menos de 50cps. As Figuras dois e três ilustram esquemáticamente a adsorção superficial de eletrólitos, dispersantes e surfactantes em pó e sua relação com a estabilidade na dispersão. Este fenômeno pode ser descrito usando a teoria da dupla camada de Gouy-Chapman, onde superfícies de pó adsorvem eletrólitos, dispersantes e surfactantes com cargas elétricas opostas. Posteriormente, a adsorção diminui para níveis normais por difusão à medida que a distância aumenta, formando a camada difusa, resultando na formação da dupla camada elétrica, como mostra a Figura quatro.