Keramik

3.1.1 Herstellung der Aufschlämmung

Bei der Sprühtrocknungsgranulation ist die Herstellung der Aufschlämmung von entscheidender Bedeutung. Feststoffgehalt, Feinheit und Fließfähigkeit des Schlamms wirken sich direkt auf die Leistung und Partikelgröße des Trockenpulvers aus.

Da das Pulver dieser Art von Aluminiumoxidporzellan unfruchtbar ist, muss zur Verbesserung der Formgebungseigenschaften des Rohlings eine angemessene Menge Bindemittel hinzugefügt werden. Häufig verwendete organische Substanzen sind Dextrin, Polyvinylalkohol, Carboxymethylcellulose, Polystyrol usw. Für dieses Experiment wurde Polyvinylalkohol (PVA), ein wasserlösliches Bindemittel, ausgewählt. Es reagiert empfindlicher auf die Umgebungsfeuchtigkeit, und eine Änderung der Umgebungsfeuchtigkeit wirkt sich erheblich auf die Eigenschaften des trockenen Pulvers aus.

Es gibt viele verschiedene Arten von Polyvinylalkohol mit unterschiedlichen Hydrolyse- und Polymerisationsgraden, die den Sprühtrocknungsprozess beeinflussen. Der allgemeine Hydrolyse- und Polymerisationsgrad beeinflussen den Sprühtrocknungsprozess. Die Dosierung liegt üblicherweise bei 0,14–0,15 Gew.-%. Wird eine zu hohe Menge hinzugefügt, bildet das Sprühgranulatpulver harte, trockene Pulverpartikel, die sich beim Pressen nicht verformen. Können die Partikeleigenschaften beim Pressen nicht beseitigt werden, bleiben diese Defekte im Grünkörper erhalten und können nach dem Brennen nicht mehr beseitigt werden, was die Qualität des Endprodukts beeinträchtigt. Eine zu geringe Grünfestigkeit des Bindemittels erhöht die Betriebsverluste. Experimente zeigen, dass bei Zugabe der richtigen Bindemittelmenge der Querschnitt des Grünlings unter dem Mikroskop beobachtet werden kann. Man kann erkennen, dass bei einer Druckerhöhung von 3 auf 6 MPa der Querschnitt gleichmäßig zunimmt und eine kleine Anzahl kugelförmiger Partikel entsteht. Bei einem Druck von 9 MPa ist der Abschnitt glatt und es gibt grundsätzlich keine kugelförmigen Partikel, aber der hohe Druck führt zur Schichtung des grünen Knüppels. PVA wird bei etwa 200 °C geöffnet

Beginnen Sie mit dem Brennen und lassen Sie es bei etwa 360 °C abtropfen. Um das organische Bindemittel aufzulösen und die Barrenpartikel zu benetzen, bilden Sie die flüssige Zwischenschicht zwischen den Partikeln, verbessern Sie die Plastizität des Barrens, verringern Sie die Reibung zwischen den Partikeln und die Reibung zwischen den Materialien und der Form, fördern Sie die Dichteerhöhung des gepressten Barrens und die Homogenisierung der Druckverteilung und fügen Sie außerdem die entsprechende Menge an Weichmacher hinzu. Üblicherweise werden Glycerin, Ethyloxalsäure usw. verwendet.

Da es sich bei dem Bindemittel um ein organisches makromolekulares Polymer handelt, ist auch die Art der Zugabe des Bindemittels zum Brei sehr wichtig. Am besten fügt man das vorbereitete Bindemittel dem gleichmäßigen Schlamm mit dem gewünschten Feststoffgehalt hinzu. So wird vermieden, dass ungelöste und nicht dispergierte organische Stoffe in den Brei gelangen, und mögliche Defekte nach dem Brennen werden reduziert. Nach Zugabe des Bindemittels lässt sich der Brei leicht durch Kugelmahlen oder Rühren herstellen. Die in den Tröpfchen eingeschlossene Luft befindet sich im Trockenpulver, wodurch die Trockenpartikel hohl werden und die Volumendichte verringert wird. Um dieses Problem zu lösen, können Entschäumer zugesetzt werden.

Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen ist ein hoher Feststoffgehalt erforderlich. Da sich die Produktionskapazität des Trockners auf die Verdampfungsmenge pro Stunde bezieht, erhöht eine Aufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt die Trockenpulverproduktion deutlich. Steigt der Feststoffgehalt von 50 % auf 75 %, verdoppelt sich die Leistung des Trockners.

Ein niedriger Feststoffgehalt ist der Hauptgrund für die Bildung von Hohlpartikeln. Beim Trocknen wandert Wasser an die Oberfläche des Tropfens und trägt Feststoffpartikel mit sich, wodurch der innere Teil des Tropfens hohl wird. Wenn sich um den Tropfen ein elastischer Film mit geringer Durchlässigkeit bildet, steigt aufgrund der geringen Verdampfungsgeschwindigkeit die Temperatur des Tropfens an und das Wasser verdunstet aus dem inneren Teil, wodurch der Tropfen sich ausbeult. In beiden Fällen wird die Kugelform der Partikel zerstört und es entstehen hohle ringförmige oder apfel- oder birnenförmige Partikel, die die Fließfähigkeit und Schüttdichte des Trockenpulvers verringern. Darüber hinaus kann eine Aufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt reduzieren

Bei einem kurzen Trocknungsprozess kann durch die Reduzierung des Trocknungsprozesses die mit dem Wasser auf die Partikeloberfläche übertragene Klebstoffmenge verringert werden. Dadurch wird vermieden, dass die Bindemittelkonzentration an der Partikeloberfläche größer ist als in der Mitte. Die Partikel erhalten eine harte Oberfläche und verformen und zerdrücken sich beim Pressen und Formen nicht. Dadurch verringert sich die Masse des Blocks. Um hochwertiges Trockenpulver zu erhalten, muss daher der Feststoffgehalt der Aufschlämmung erhöht werden.

Die zum Sprühtrocknen verwendete Aufschlämmung sollte ausreichend flüssig sein und möglichst wenig Feuchtigkeit enthalten. Wenn die Viskosität der Aufschlämmung durch Zugabe von mehr Wasser verringert wird, erhöht sich nicht nur der Energieverbrauch beim Trocknen, sondern auch die Schüttdichte des Produkts verringert sich. Daher ist es notwendig, die Viskosität der Aufschlämmung mit Hilfe eines Koagulans zu verringern. Die getrocknete Aufschlämmung besteht aus mehreren Mikrometern oder kleineren Partikeln, die als kolloidales Dispersionssystem betrachtet werden können. Die Theorie der kolloidalen Stabilität zeigt, dass auf die Suspensionspartikel zwei Kräfte wirken: die Van-der-Waals-Kraft (Coulomb-Kraft) und die elektrostatische Abstoßungskraft. Wenn die Kraft hauptsächlich aus der Schwerkraft besteht, kommt es zu Agglomeration und Flockung. Die gesamte potentielle Energie (VT) der Wechselwirkung zwischen Partikeln hängt von ihrer Entfernung ab, wobei VT irgendwann die Summe aus der Gravitationsenergie VA und der Abstoßungsenergie VR ist. Wenn VT zwischen Partikeln die maximale positive potentielle Energie aufweist, handelt es sich um ein Depolymerisationssystem. Für eine gegebene Suspension ist VA sicher, daher wird die Stabilität des Systems von den Funktionen bestimmt, die VR steuern: der Oberflächenladung der Partikel und der Dicke der elektrischen Doppelschicht. Die Dicke der Doppelschicht ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Valenzbindung und der Konzentration des Gleichgewichtsions. Die Kompression der Doppelschicht kann die potentielle Barriere der Flockung verringern, daher müssen die Valenzbindung und die Konzentration der Gleichgewichtsionen in der Lösung niedrig sein. Die üblicherweise verwendeten Emulsionsspaltmittel sind HCI, HNO3, NaOH, (CH)3noh (quartäres Amin), GA usw.

Da die wasserbasierte Aufschlämmung aus 95% Aluminiumoxid-Keramikpulver neutral und alkalisch ist, verlieren viele Koagulanzien, die eine gute Verdünnungswirkung auf andere Keramikschlämme haben, ihre Funktion. Daher ist es sehr schwierig, eine Aufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt und guter Fließfähigkeit herzustellen. Die unfruchtbare Aluminiumoxidaufschlämmung, die zu den amphoteren Oxiden gehört, weist in sauren oder alkalischen Medien unterschiedliche Dissoziationsprozesse auf und bildet Dissoziationszustände unterschiedlicher Mizellenzusammensetzung und -struktur. Der pH-Wert der Aufschlämmung beeinflusst direkt den Grad der Dissoziation und Adsorption, was zu einer Änderung des ζ-Potenzials und der entsprechenden Flockung oder Dissoziation führt.

Aluminiumoxidschlamm weist in sauren oder alkalischen Medien maximale positive und negative ζ-Potenzialwerte auf. Zu diesem Zeitpunkt ist die Viskosität des Schlamms im Zustand der Entkoagulation am niedrigsten. Im neutralen Zustand steigt die Viskosität des Schlamms an und es kommt zur Flockung. Durch Zugabe eines geeigneten Emulsionsspaltmittels lässt sich die Fließfähigkeit des Schlamms deutlich verbessern und seine Viskosität verringern, sodass seine Viskosität der von Wasser nahekommt. Die mit einem einfachen Viskosimeter gemessene Fließfähigkeit von Wasser beträgt 3 Sekunden/100 ml, die Fließfähigkeit des Schlamms 4 Sekunden/100 ml. Die Viskosität des Schlamms wird verringert, sodass der Feststoffgehalt auf 60 % erhöht und eine stabile Packung gebildet werden kann. Die Produktionskapazität des Trockners bezieht sich auf die Wasserverdampfung pro Stunde, ebenso wie die der Suspension.

3.1.2 Kontrolle der Hauptparameter im Sprühtrocknungsprozess

Das Luftströmungsmuster im Trockenturm beeinflusst Trocknungszeit, Verweilzeit, Restwasser und Wandhaftung der Tröpfchen. In diesem Experiment erfolgt die Tröpfchen-Luft-Mischung im Mischstrom, d. h., das heiße Gas tritt von oben in den Trockenturm ein, und die Zerstäuberdüse ist unten am Trockenturm angebracht, wodurch ein Springbrunnen-Sprühnebel entsteht, der eine Parabel bildet, sodass sich die Tröpfchen im Gegenstrom mit der Luft vermischen. Wenn die Tröpfchen den höchsten Punkt des Strahls erreichen, werden sie zu einer Abwärtsströmung und nehmen eine kegelförmige Sprühform an. Sobald die Tröpfchen in den Trockenturm gelangen, erreichen sie bald die maximale Trocknungsgeschwindigkeit und treten in die Trocknungsphase mit konstanter Geschwindigkeit ein. Die Länge der Trocknungsphase mit konstanter Geschwindigkeit hängt vom Feuchtigkeitsgehalt der Tröpfchen, der Viskosität des Schlamms sowie der Temperatur und Feuchtigkeit der Trockenluft ab. Der Grenzpunkt C zwischen der Trocknungsphase mit konstanter Geschwindigkeit und der Schnelltrocknungsphase wird als kritischer Punkt bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt kann die Oberfläche des Tropfens durch die Wasserwanderung nicht mehr gesättigt bleiben. Mit abnehmender Verdunstungsrate steigt die Temperatur der Tropfen, und die Oberfläche der Tropfen am Punkt D ist gesättigt und bildet eine harte Schale. Die Verdunstung wandert nach innen, und die Trocknungsrate nimmt weiter ab. Die weitere Wasserabscheidung hängt von der Feuchtigkeitsdurchlässigkeit der harten Schale ab. Daher ist es notwendig, die Betriebsparameter angemessen zu steuern.

Der Feuchtigkeitsgehalt von Trockenpulver wird hauptsächlich durch die Austrittstemperatur des Sprühtrockners bestimmt. Der Feuchtigkeitsgehalt beeinflusst die Schüttdichte und Fließfähigkeit des Trockenpulvers und bestimmt die Qualität des gepressten Rohlings. PVA ist feuchtigkeitsempfindlich. Bei unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt kann die gleiche Menge PVA eine unterschiedliche Härte der Oberflächenschicht der Trockenpulverpartikel verursachen, wodurch die Druckbestimmung schwankt und die Produktionsqualität während des Pressvorgangs instabil wird. Daher muss die Austrittstemperatur streng kontrolliert werden, um den Feuchtigkeitsgehalt des Trockenpulvers sicherzustellen. Im Allgemeinen sollte die Austrittstemperatur auf 110 °C geregelt und die Eintrittstemperatur entsprechend angepasst werden. Die Eintrittstemperatur beträgt nicht mehr als 400 °C, im Allgemeinen etwa 380 °C. Wenn die Eintrittstemperatur zu hoch ist, wird die Heißlufttemperatur oben im Turm überhitzt. Wenn die Nebeltropfen zum höchsten Punkt aufsteigen und auf überhitzte Luft treffen, verringert sich bei dem bindemittelhaltigen Keramikpulver die Wirkung des Bindemittels und schließlich wird die Pressleistung des Trockenpulvers beeinträchtigt. Zweitens wird bei einer zu hohen Eingangstemperatur auch die Lebensdauer des Heizgeräts beeinträchtigt und die Heizhaut fällt ab und gelangt mit heißer Luft in den Trockenturm, wodurch das Trockenpulver verunreinigt wird. Unter der Voraussetzung, dass Eingangs- und Ausgangstemperatur grundsätzlich festgelegt sind, kann die Ausgangstemperatur auch durch den Druck der Förderpumpe, die Druckdifferenz des Zyklonabscheiders, den Feststoffgehalt der Aufschlämmung und andere Faktoren angepasst werden.

Druckunterschied des Zyklonabscheiders. Der Druckunterschied des Zyklonabscheiders ist groß, was die Auslasstemperatur erhöht, die Ansammlung feiner Partikel erhöht und die Leistung des Trockners verringert.

3.1.3 Eigenschaften von sprühgetrocknetem Pulver

Die Fließfähigkeit und Packungsdichte von Aluminiumoxidkeramikpulver, das durch Sprühtrocknung hergestellt wurde, ist im Allgemeinen besser als die von Pulvern, die mit herkömmlichen Verfahren hergestellt wurden. Handgranuliertes Pulver kann nicht ohne Vibration durch den Detektor fließen, während sprühgranuliertes Pulver dies vollständig tut. Gemäß dem ASTM-Standard zur Prüfung der Fließfähigkeit und Schüttdichte von Metallpulvern wurden die Schüttdichte und die Fließfähigkeit der durch Sprühtrocknung unter verschiedenen Wassergehaltsbedingungen erhaltenen Partikel gemessen. Siehe Tabelle 1.