Способ получения порошка диоксида циркония для изготовления керамики

 

Изобретение относится к технологии керамических материалов, в частности к способам получения порошка диоксида циркония. Способ по изобретению включает осаждение гидроксида циркония в ультразвуковом поле с частотой 20 - 50 кГц в течение не менее 5 мин при перемешивании с последующей сушкой и прокаливанием с получением диоксида циркония, причем перед прокаливанием высушенный гидроксид измельчают в течение 0,5 - 1,0 ч. 1 з. п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к технологии производства порошка диоксида циркония для изготовления керамики.

При всем многообразии избранных свойств керамической массы во многих случаях требуется ее высокая прочность. Для реализации этого качества используются различные технические решения.

Известен способ получения порошка диоксида циркония, по которому смешанный раствор солей циркония и иттрия распыляют в термокамере при 1000^оС [1] Известен также способ получения порошкообразного диоксида циркония, по которому при перемешивании загружают водный раствор, содержащий 20-60% соли циркония и 0,5-6% стабилизатора, например соли иттрия, в водную смесь неионогенного ПАВ, нерастворимого в воде, с органическим растворителем; в реакционную смесь вводят также 5-30%-ный раствор карбоната аммония; отделяют выпавший осадок и промывают его ацетоном, сушат на воздухе и прокаливают при 600-1000^оС [2] К существенным недостаткам описанных способов следует отнести следующие: необходимость использования либо специального комплекса нестандартной аппаратуры, требующего дополнительных эксплуатационных расходов и квалифицированного наблюдения за его работой, либо кроме основного реагента осадителя других реагентов, добавляемых специально для формирования благоприятной структуры оксида.

Наиболее близким к изобретению является способ получения двуокиси циркония, стабилизированной окисью кальция, включающий совместное осаждение циркония и кальция из растворов их соединений водным раствором аммиака, отделение, сушку и диспергирование высушенной массы в ультразвуковом поле, повторное отделение, сушку и прокаливание осадка. Диспергирование высушенной массы осуществляют 6-8%-ным водным раствором едкого натра [3] Недостатком прототипа являются многооперационность и применение специального реагента (раствора едкого натра) для образования благоприятной структуры оксидного порошка.

Цель изобретения сокращение количества операций и безреагентное формирование благоприятной структуры оксида. Для достижения указанной цели необходимо реализовать структурное совершенство гидроксида в структуре оксида.

Цель достигается тем, что гидроксид циркония осаждают при перемешивании в ультразвуковом поле от 20 до 50 кГц в течение не менее 5 мин, фильтрат сушат при 170^оС, измельчают в течение 0,5-1,0 ч и прокаливают при 700^оС.

Отличительными от прототипа признаками в предлагаемом изобретении является сочетание известных операций обезвоживания и прокаливания с ультраозвученным осаждением гидроксида при частоте звуковых колебаний от 20 до 50 кГц в течение не менее 5 мин и измельчением высушенной массы в течение 0,5-1,0 ч.

Специфическим требованием, например, для циркония является учет предыстории любого продукта его технологии. Прочность и размер агрегатов диоксида циркония зависит от синтеза предшествующего соединения, например гидроксида циркония (Лукин Е.С. О влиянии методов синтеза и условий подготовки порошков оксидов в технологии высокоплотной и прозрачной керамики. Труды Московского химико-технологического института им. Д.И.Менделеева, УДК 666.651-492.2).

С другой стороны, технические решения, направленные на получение тонкодисперсного порошка оксида, минуя стадию измельчения, не обладают абсолютной надежностью, и поэтому в случае реализации ответственных технологий, как правило, в мероприятия по подготовке материала к спеканию входит эта операция хотя бы с контрольными функциями (Беляков А.В. Лукин Е.С. и Нагаюк И. И. Техническая керамика на основе порошков, склонных к агрегации. Труды Московского химико-технологического института им. Д.И.Менделеева, УДК 666.63-492.2.548.23).

Существенность элементов новизны предлагаемого изобретения и состоит в полезном использовании этих двух естественных предпосылок.

Ультраозвучивание операции осаждения гидроксида способствует увеличению числа центров кристаллизации в результате диспергирования твердых микрочастиц в жидкой среде (Гистлинг А.М. Барли А.А. Ультразвук в процессах химической технологии. Госхимиздат, 1960). Интенсивность ультраозвучивания включает в себя экспериментально установленную оптимальную область применения. Осаждение гидроксида циркония или композиции его с иттрием, при ультразвуковых колебаниях менее 20 кГц заметно снижает эффект формирования мелких частиц продукта; при ультразвуковых колебаниях более 50 кГц энергетические затраты на нарастание эффекта формирования мелких частиц непропорционально возрастают до технологически неблагоприятной величины. Судя по экспериментальным данным, операцию осаждения гидроксида в ультразвуковом поле необходимо проводить с продолжительностью не менее 5 мин. Верхний предел продолжительности этой операции может диктоваться технологической целесообразностью в каждом конкретном случае по-разному.

Диспергирование высушенной массы в ультразвуковом поле с применением дисперсионной среды 6-(8)%-ного водного раствора едкого натра (прототип), во-первых, не является безреагентным; во-вторых, обладает ограниченной эффективностью, так как осуществляется не в связи, а вопреки учету предыстории получаемого диоксида циркония. Очевидно, следует признать правильным, что в подобных случаях операцию контрольного измельчения (или классификации) не относят к способу получения оксидного порошка, так как крупность продукта практически не зависит от технологии получения оксида. Это, однако, не означает, что такая операция отсутствует в последующей технологии.

В предлагаемом изобретении измельчению отводится роль операции, вскрывающей позитивный эффект, произведенный ультраозвучиванием осаждения гидроксида циркония. Этим объясняется тот факт, что вместо обычно применяемого переизмельчения (4-6 ч), высушенную массу (согласно предполагаемому изобретению) измельчают в течение 0,5-1,0 ч. Пределы продолжительности измельчения диктуются типом мельницы, используемой на этой операции.

Предлагаемый способ может быть распространен на оксиды других элементов (проверялся, например, на оксиде алюминия) и композиции оксидов (как уже отмечалось выше, например, на диоксиде циркония, стабилизированном иттрием).

П р и м е р 1. В лабораторном масштабе раствор оксинитрата циркония, содержащий 41,3 г/л циркония и 24,8%-ный раствор аммиака, заливали одновременно в буферный раствор.

В буфере постоянно поддерживали величину рН 7-8,5. Процесс проводили при работающей мешалке и ультраозвучивании реагирующие массы при интенсивности колебаний 22-44 кГц. Для этой цели использовали диспергатор УЗДН-2Т. Продолжительность сливания реагентов в ультразвуковом поле поддерживали не менее 5 мин. Осажденный гидроксид циркония отфильтровывали, переносили в фарфоровую чашку и сушили в лабораторном сушильном шкафу при 150^оС до постоянного веса. Сухой продукт в течение 30 мин подвергали измельчению в планетарной мельнице с корундовыми мелющими телами. Измельченный продукт помещали в кварцевые лодочки и прокаливали в подовой печи при 700^оС в течение 1,0 ч.

В табл. 1 содержится сравнение операций способа получения оксидного порошка по прототипу и предполагаемому изобретению.

Из табл.1 следует, что предлагаемое изобретение содержит по крайней мере на три операции меньше, чем прототип. В нем не используются специальные реагенты для формирования благоприятной структуры оксида.

В табл.2 представлены результаты лабораторных опытов.

Как видно из табл.2, при осаждении гидроксида циркония в ультразвуковом поле с частотой колебаний от 22 до 40 кГц получен мелкий продукт 0,1-4,0 мкм. Пресс-порошок диоксида циркония, готовый к последующему использованию, в этом случае на 83-99% состоял из частиц крупностью менее 2 мкм. Соответствующие показатели по технологии без использования ультразвукового поля представляли для гидроксида циркония существенно более широкий диапазон 0,1-50,0 мкм, для пресс-порошка диоксида циркония класса менее 2 мкм 18% Основная часть этого продукта (72%) принадлежала к классу крупности 2,0-40,0 мкм.

Из пресс-порошка диоксида циркония, полученного в опытах 2, 3 и 4, спеканием при 1750^оС под давлением были изготовлены образцы керамики, обладающие следующими физическими свойствами: прочностью на изгиб 630 МПа; критическим коэффициентом интенсивности напряжений (трещиностойкостью) 15,2 МПа˙м удельным электросопротивлением (при 900^оС) 100 Ом˙см.

П р и м е р 2. На установке производительностью по диоксиду циркония 1 кг/ч были проведены укрупненные испытания предполагаемого изобретения. В качестве исходного использовался нитратный раствор, содержащий 37,5 г/л циркония и 12,5 г/л иттрия. Осаждение гидроксида циркония стабилизированного иттрием, проводили в непрерывном режиме (каскад реакторов) при ультраозвучивании в пределах 15-70 кГц (были уточнены границы оптимума частоты колебания), без нагрева, при рН 7,5. Сушку и прокаливание поддерживали в режимах, приведенных в примере 1. Для измельчения высушенного продукта использовалась шаровая мельница (шары и рабочий объем аппарата изготовлен из циркония). Продолжительность измельчения 1,0 ч.

Диоксид циркония, стабилизированный иттрием, представлен в табл.3.

Согласно табл. 3 оптимальными параметрами ультразвукового поля избран диапазон 20-50 кГц.

Качество образцов керамики, изготовленной из пресс-порошков диоксида циркония, охарактеризованных пп.4-6 табл.3, соответствало уровню, приведенному в примере 1.

Анализ экспериментальных данных выявил дополнительный эффект, присущий предлагаемому изобретению. Как свидетельствуют данные табл.2 и 3, наложение ультразвукового поля на процесс осаждения гидроксида способствует концентрированию крупностной характеристики оксидного порошка. Порошок, более равномерный по фракционному составу, предпочтителен как материал для изготовления керамики.

Структурное совершенство гидроксида циркония реализуют в структуре оксида измельчением, которое преимущественно так или иначе присутствует в технологии получения керамических материалов, при сокращении его продолжительности в 4-12 раз.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИКИ, включающий осаждение гидроксида циркония при перемешивании, его сушку и прокаливание, отличающийся тем, что осаждение гидроксида ведут в ультразвуковом поле с частотой 20 50 кГц не менее 5 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед прокаливанием высушенный гидроксид измельчают в течение 0,5 1,0 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2