金剛石微粉和拋光液的制造工藝檢測技術及應用（中）①

張書達，張文剛，王 松

（天津市乾宇超硬科技有限公司，天津 300384）

2.3.2 兩次熔融堿處理

普通化學處理一般只用一次熔融堿處理，有的甚至不用堿處理。這樣，微粉產品中的非金屬雜質，如硅就會很多。表面雜質較多會嚴重影響微粉工具的制作，例如，制作電鍍工具時會出現結瘤現象。多年經驗表明，僅用一次熔融堿處理制作的金剛石微粉，其雜質含量是不能令人滿意的。例如，有的用戶要求硅含量低于100×10－6，甚至更低。

金剛石微粉中主要的非金屬雜質是葉蠟石，它屬層狀硅酸鹽礦物，其實驗式可寫成Al2O3·4SiO2·H2O。用熔融堿處理，其反應式如下：

以硅為例，由于硅等雜質元素在金剛石表面與碳原子結合得很牢固，C―Si鍵能為301kJ／mol。僅用一次熔融堿處理可將葉蠟石的微粒基本清除，但對于金剛石顆粒外表面上以化學鍵結合（化學吸附）的硅，則清除得不夠徹底。

而經2次堿和2次酸處理后，其雜質總量極低。產品經燃燒后，幾乎看不出不燃物。雜質總量＜1%（表6）。

不僅如此，其產品的主要表面雜質與普通的化學處理相比，降低約一個數量級［7］。對于表面雜質，目前各國的標準中均未作出規定，而它的含量對于制作金剛石燒結體和金剛石磨具具有重大意義。

表6 金剛石微粉雜質總含量Table 6 Total content of impurities in diamond powder

對于個別用戶的特殊要求，應采取相應的特殊工藝處理，此處不便贅述。

由于環保的要求，使用強酸和強堿的化學處理方法需做較大改進。已有不少單位取得較大進展。但由于知識產權的保護問題，推廣較難。

2.4 粒度分級

粒度分級常用方法為沉降法（液體、氣體）、溢流法、旋風法、離心法、電成型篩篩分法等。由于后幾種方法應用不太普遍，在此不做詳述。

2.4.1 液體沉降法

目前大多數情況下都使用液體沉降分選，其裝置見圖5。沉降分選的原理是Stokes定律［8］：

圖5 虹吸裝置原理圖Fig.5 The principle diagram of siphon device

式中：v―顆粒沉降速度，r―球形顆粒半徑，ρ―粒子密度，ρ1―分選液密度，g―重力加速度，η―分選液黏度。

當沉降距離及其它條件確定后，可以認為沉降時間：

表7列出了分級時部分粒度抽料時間參考表。

表7 部分粒度抽料時間參考表Table 7 Time reference table of siphon for part size

以上時間為參考時間，需根據具體情況進行調整。

這里需要注意的是黏度η對溫度是較為敏感的，粗略估算室溫每升高一度，η值會降低2%左右。因此，操作者必須通過現場檢測分級情況來對沉降時間t隨時進行合理調節，以保證分級效果。表8列出了水的黏度系數［9］。

公式（3）僅適用于圓球形顆粒，對針棒狀顆粒可能帶來很大誤差。因此，顆粒晶形對分級效果的影響是不可忽視的。

在分選時均需在去離子水中加入某種分散劑，以配制成不同的分選液。常用的分散劑有阿拉伯樹膠、偏硅酸鈉和甘油等，其濃度約為萬分之幾到千分之幾。其中偏硅酸鈉對玻璃燒杯有輕微的腐蝕作用。

表8 水的黏度系數Table 8 Viscosity coefficient of water

2.4.2 離心法

離心分離機的作用原理有離心過濾和離心沉降兩種。微粉制造中離心沉降的原理是利用不同粒度的固體顆粒在液體中沉降速度不同的特點而將其分開。

衡量離心分離機分離性能的重要指標是離心分離因數。它表示被分離物料所受的離心力與其重力的比值。離心分離因數越大，通常分離也越迅速，分離效果越好。工業用離心分離機的分離因數一般為100～20000，超速管式分離機的分離因數可高達62000，分析用超速分離機的分離因數最高達610000。決定離心分離機處理能力的另一因素是容積，容積越大處理能力也越大。

微粉生產中有時使用沉降離心機對粒度進行分級，或1微米以細料化學處理后的清洗。現以沉降離心機為例對其工作原理作一簡要說明。

圓周運動的法向加速度

式中：ωn— 法向加速度，ω—角速度，rad／s；R—半徑，m。

例如：LD5－10型離心機，其最高轉速時的離心分離因數約5000。若在自然沉降時分級一次抽料時間為10天，而在用該離心機分級時只需6分鐘即可將其進行1次分級。

有關離心和沉降分級的較詳細原理，請參考文獻［10］。

2.4.3 造成粒度分散的原因

顆粒晶形影響很大，偏離球形越遠誤差越大。

操作間的溫度很難保持一致，15℃～30℃可能會使分選液黏度變化達40%以上，當然也就使顆粒沉降速度變化達40%以上。

虹吸過程需要時間，如5000ml的燒杯虹吸一次約需2～3min，這對較粗粒度的分級會帶來更大的誤差。

不同人員的操作手法之差異。

所用器具的交叉污染。

虹吸時虹吸口A（圖6）附近（上下左右）的微粉顆粒都會被吸走，而并非只是上面的微粒才被吸走。

圖6 A點附近流線示意圖Fig.6 The schematic diagram of flow line nearby A

這里對最后一點作一簡單分析。該工序的理想“理論”分析認為：當虹吸時，只是上下水線之間的液體連同分布其間的微粉顆粒被吸走。而實際并非如此。為簡化起見，我們假設A點處虹吸口很小。據流體力學的動量定理可導出A點處由于流體壓力的作用所受的力：

由于A點為溝，故在A點處

式中：▽—納布拉算符。其流線在A點附近是球對稱的，如圖6所示。圖6為一個二維示意圖，不論此平面與水平面成任何角度均如此。可見，虹吸管進口處A點下方的大粒微粉同樣可被虹吸管吸走，這是造成產品粒度分散的重要原因之一。

公式（6）中P值是由上水線與乳膠管出水口處的高度差h來決定的。根據托里拆利定律，A點處被虹吸走液體流速為

式中：g—重力加速度。可見h值越大，V越大，在A點以下距離A點較遠的顆粒被吸出來的可能性越大。因此，在工作中乳膠管不宜過長，一般以在出水口A點下方10cm左右為宜。

3 檢測

3.1 粒度檢測

由于微粉產品是由顆粒數極多形狀各異的粒群組成，故要確定這一產品的粒度并非易事。

3.1.1 單顆粒粒徑的確定

對于非球形的顆粒，其粒徑的確定有許多不同的定義。它們適用于不同的領域和不同的檢測方法，詳見表9。對于同一個顆粒，不同的定義所確定的粒徑可能相差很大。例如，一個長方體，長寬厚分別為3，2，1μm，此顆粒在顯微鏡的3個典型的不同方位，其最大寬度的dW之值可能是 ：直觀很容易“確定”為1，1，2μm；但按定義則為1.79，1.90，3.33μm。其它定義的粒徑分別是：dV＝2.25，dS＝2.65，dP＝1.60，1.95，2.76；dA＝2.00；dC＝ 2.24，3.16，3.61；dM＝2.02，2.53，3.47 。

表9 幾種常用的單顆粒粒徑Table 9 Several commonly used single particle size

3.1.2 顆粒群粒徑分布的確定

實際工作中我們最關心的是顆粒群粒徑的分布。根據不同的需要有多種表征方式。表10列出了多分散粉體系統常用的粒徑分布表征方式。

表10 多分散粉體系統常用的粒徑分布Table 10 Size distributions commonly used for poly－dispersive powder system

不同場合使用不同的D較恰當，例如，對表面積敏感的性能（如催化劑），宜使用D［2，0］或D［3，2］。

對同一個粒度群，不同的粒徑定義有時會使結果相差較大。

（下期續完）