趙延，胡艷宏，崔凌霄，周薇

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010；2.包頭天驕清美稀土拋光粉有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014030；3.包頭稀土研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

稀土拋光材料是目前玻璃加工中應(yīng)用最廣泛、效率最佳的拋光材料，廣泛地應(yīng)用于手機蓋板玻璃、玻璃后殼及顯示用TFT玻璃的拋光[1].目前3D玻璃拋光（包括手機3D玻璃蓋板以及手機玻璃后殼）等非平面玻璃的稀土拋光材料消耗量顯著增加[2].受到拋光工藝影響，其采用密度在1.05～1.20 g／cm3稀土拋光材料懸浮液進行拋光，導(dǎo)致加工過程中磨料粒子會在設(shè)備及管道中沉積，導(dǎo)致漿料的濃度不足，拋光效率降低；同時沉積的物料產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象影響設(shè)備運行.

為此文章采用波美度來表征沉降速度，從粉體顆粒粒徑、pH、電解質(zhì)、體系粘度、表面活性劑等5個方面對3D玻璃拋光用稀土拋光材料沉降速度（懸浮性）進行研究，并形成性能優(yōu)異的懸浮體系.

1 實驗原料和方法

1.1 不同粒徑拋光粉制備及漿料的分散

選用包頭天驕清美稀土拋光粉有限公司生產(chǎn)的稀土拋光粉（TREO：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.53%，CeO2／TREO：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.14%，D50＝1.4μm）；使用洛陽微納機電設(shè)備有限公司的NW型射流實驗分級機制得粒徑D50／μm分別為粒度0.51，0.72，1.10，1.40μm的4種拋光粉樣品.

漿料分散：取拋光粉100 g，加入900 g去離子水（標(biāo)明使用自來水的除外）.用電子天平稱量加入一定量的添加劑，其中使用高速分散劑進行分散，分散時間為5 min，線速度200 m／s，分散后的料漿移入500 ml量筒，后續(xù)實驗中漿料分散均參照該方案.

1.2 不同pH值漿料的配置

選擇粒度D50為0.72μm的拋光粉，進行漿料分散，過程中使用NH4OH和檸檬酸調(diào)節(jié)pH（使用梅特勒托利多pH儀測試pH），制備不同pH漿料，使用0～20的波美度計測量波美度并記錄.

1.3 不同表面活性劑漿料的配置

選擇粒度D50為0.72μm的拋光粉，分別添加相對拋光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的聚丙烯酸鈉、1%的十二烷基磺酸鈉、1%的脂肪醇聚氧乙烯醚、5%的脂肪醇聚氧乙烯醚，進行漿料分散（其中脂肪醇聚氧乙烯醚加入焦磷酸鈉調(diào)整pH到8.0），制備4個不同表面活性劑體系的漿料.使用0～20的波美度計測量波美度并記錄.

1.4 不同電解質(zhì)漿料的配置

選擇粒度D50為0.72μm的拋光粉，按表1的配置方案，進行漿料分散，使用0～20的波美度計測量波美度并記錄.

表1 不同電解質(zhì)漿料

1.5 不同黏度分散體系的配置

使用D50為0.72μm的拋光粉，進行漿料分散（添加相對拋光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的聚丙烯酸鈉、1%的偏硅酸），過程中分別加入相對拋光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，5%，10%的聚乙烯醇（PVA，分子量10500，平均聚合度2400）作為增稠劑，制備出不同黏度的樣品.使用上海精密儀器儀表有限公司的NDJ-8S型粘度計測試黏度，使用0～20的波美度計測量波美度并記錄.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 粉體顆粒粒徑的影響

表2為不同粒度的拋光粉在去離子水中的沉降速度（以波美度計）.

表2 粒度對沉降速度的影響（以波美度計）

顆粒粒徑與沉降速度的關(guān)系，根據(jù)Stockes沉速公式：

式中：w為顆粒沉降速度，cm／s2；ρs為顆粒密度，g／cm3；ρ為 水 密 度，g／cm3；μ為 流 體 黏 度，Pa·s／cm2；r為顆粒半徑，cm；g為重力加速度，cm／s2；ρs為顆粒密度，g／cm3；ρ為水的密度，g／cm3.顆粒的沉降速度與顆粒半徑的平方呈反比，與體系的黏度系數(shù)呈反比，與顆粒與水的密度差呈正比.實驗結(jié)果表明：不同粒徑的稀土拋光粉顆粒在水中沉降速度趨勢是符合Stockes的，即顆粒粒徑越大，波美度越小，沉降速度越快.但由于Stockes沉速公式是在靜水、20℃恒溫、介質(zhì)黏度不變、球形顆粒、密度相同、表面光滑、顆粒互不碰撞的條件下獲得的，實際情況與之相差較遠(yuǎn)，使得實際沉降速度要高于計算的沉降速度，導(dǎo)致5 min時沉降已基本結(jié)束.

2.2 體系pH的影響

為確定不同的pH對顆沉降速度的影響，選擇粒度D50為0.72μm的拋光粉，使用NH4OH和檸檬酸調(diào)節(jié)pH，制備不同pH漿料，測定的波美度結(jié)果如圖1所示.

圖1 pH對沉降速度的影響

稀土拋光粉粉體中含有小于0.1μm的顆粒，為膠體粒子，該種粒子帶負(fù)電，根據(jù)雙電層理論，帶電粒子在溶液中吸附電性相反粒子形成雙電層[3]，模型如圖2所示.

圖2 Stern雙電層模型

稀土氧化物為堿性氧化物，其等電位點的pH 6.5～7.5之間，當(dāng)體系的pH大于7.5后，隨著pH的增加，其滑動面的電位即ξ電勢逐漸增大.該電勢越強，粒子間的排斥力越強，越不易沉降.考慮到pH高時，堿性的拋光漿料會對皮膚造成損傷，體系的pH選擇8.0～8.5為宜.

2.3 表面活性劑對沉降性能的影響

不同表面活性劑的沉降速度情況由表3可知.

表3 表面活性劑對沉降速度的影響

實驗結(jié)果表明3種表面活性劑對應(yīng)的沉降速度聚丙烯酸鈉≈十二烷基磺酸鈉≈脂肪醇聚氧乙烯醚（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，5%）＜脂肪醇聚氧乙烯醚（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，1%）.

稀土拋光粉中的小顆粒具有較高的活性，在高濃度的溶液中，極易聚結(jié)在一起形成大顆粒，導(dǎo)致沉降速度加快.選擇合適的表面活性劑（分散劑）能防止聚結(jié)，保持穩(wěn)定的顆粒形態(tài).表面活性劑作用機理主要有靜電排斥作用和空間排斥作用2種，其分別對應(yīng)離子型表面活性劑和非離子型表面活性劑（聚合物分散劑），離子型表面活性劑又進一步分為陽離子表面活性劑、陰離子表面活性劑.

本研究所選的表面活性劑聚丙烯酸鈉、十二烷基磺酸鈉為陰離子表面活性劑，其作用原理是陰離子吸附在拋光粉顆粒表面，使顆粒表面電位絕對值變大.脂肪醇聚氧乙烯醚為中性表面活性劑，對顆粒的電位影響小，需要在體系內(nèi)達到一定的濃度后，在顆粒表面形成一定量的吸附，起到空間位阻作用[4]，濃度越大，位阻的作用越明顯，體系越穩(wěn)定，顆粒沉降速度越慢.

2.4 電解質(zhì)對沉降速度的影響

圖3是不同電解質(zhì)體系配制方案測定的沉降速度結(jié)果.

圖3 電解質(zhì)對沉降速度的影響

結(jié)果表明顆粒在純水的沉降速度要明顯低于自來水體系中的沉降速度.聚丙烯酸鈉具有良好的分散性能，降低沉降速度，但陰離子表面活性劑極易受到水中粒子的干擾，使用效果受到影響.根據(jù)研究表明離子型表面活性劑形成的雙電層厚度隨溶液離子強度的增加而下降[5]，二價離子的離子強度明顯高于一價離子；自來水中含有Ca2+，Mg2+離子，導(dǎo)致雙電層厚度降低，靜電斥力下降，顆粒發(fā)生聚結(jié)，使得采用自來水的沉降速度要明顯高于純水沉降速度.當(dāng)在體系中添加一定量的EDTA四鈉絡(luò)合自來水中的二價離子后，分散效果提升，沉降速度降低.同時在實際的拋光過程中，隨著磨削帶下離子的含量逐漸增加，對雙電層的厚度也會產(chǎn)生削弱，因此加入EDTA四鈉后，對研磨過程中降低沉降速度起到積極作用.

2.5 體系黏度對沉降速度的影響

黏度及沉降速度由表4可知.

表4 黏度對沉降速度的影響

由式（1）可知，顆粒的沉降速度與體系的黏度成反比，降低沉降速度可用增加體系黏度的方法，引入增稠劑.增稠劑一般分為有機和無機2種，無機增稠劑如無機凝膠、改性膨潤土等；有機增稠劑如纖維素醚、聚乙烯醇等.在拋光過程中引入過多的有機物會降低拋光速度[6]，所以一般選擇黏度為1000～1200 cps即可達到降低沉淀速度的目的.

2.6 懸浮分散體系的建立

綜合以上研究內(nèi)容，分別使用D50為0.51，0.72，1.10，1.40μm拋光粉樣品，由表7可知.將水、拋光粉、聚丙烯酸鈉、聚乙烯醇、EDTA四鈉按比例進行配制，分散后測定沉降速度.

表5 懸浮分散體系組成

圖4為配制的懸浮分散體系的沉降速度測試結(jié)果.

圖4 懸浮分散體系使用效果

從波美度隨時間變化情況來看，本研究制備的懸浮分散體系在長時間靜置的情況下，仍保持了一定的濃度.觀察量筒底部，未發(fā)現(xiàn)有“板結(jié)”產(chǎn)生，測定其pH為8.1，黏度為1200 cps.

3 結(jié)論

（1）稀土拋光粉在水中沉降速度隨粉體粒度減小、黏度的增加、pH值的增加，沉降速度均呈下降趨勢；

（2）對于稀土拋光粉來說，陰離子表面活性劑的懸浮分散效果優(yōu)于中性表面活性劑；

（3）水中鈣鎂粒子會加快拋光粉顆粒的沉降速度，可通過加入EDTA四鈉屏蔽該效果.

（4）按水∶拋光粉∶聚丙烯酸鈉∶聚乙烯醇∶EDTA四鈉＝89.2∶10∶0.1∶0.5∶0.2配置的漿料具有良好的懸浮分散性能.