分散剂（Dispersant）是一种在分子内同时具有亲油性和亲水性两种相反性质的界面活性剂。
纳米分散液推动无机颜料之陶瓷喷墨技术交流
作者雷立猛
德国PuhlerGroup,派勒国际控股集团-广州派勒机械设备有限公司亚太区销售总监
纳米科技是本世紀科技发展的重要技术领域藉由纳米科技之发展将创造另一波技术创新及产业革命其应用领域非常广泛遍及电子产业光电产业医药生化保健品产业化织产业建材产业属产业基础产业,等截至2009-10-26号笔者参加完2009第八届中国国际纳米科技（湘潭）研讨会笔者发表完《纳米粉体之超细纳米研磨技术交流》后收到很多行业资深人士的来信来电就纳米研磨设备的介绍到如此次文章发表如何将分散剂纳米研磨机配方工艺更好的结合起来继之后再次发现更多新型纳米行业领域与我司之PHN超细纳米研磨设备在其产品中的应用暂不一一列举不论其应用之领域如何所需要用的材料均为次微米或纳米级细度的材料如何得到纳米級的粉体及如何将纳米級的材料於适当的界面改质后成功地应用到其最終的产品已成为目前产经及学术界共同之研究课题本文将介绍如何将量身打造的润湿分散剂利用超细纳米研磨机为工具将其包覆在纳米粉体表面上做一适当之改质以期得到稳定且纳米化的最終产品
关鍵詞
转化技术Convertingtechnology纳米微粒的分散nanoparticledispersing分散dispersing派勒PHN超细纳米珠磨机highspeedagitatedbeadsmillofPHNNanosystem
引言
笔者从事德国公司研磨机销售业务数年且已曾受邀在国内大专院校﹑工研院﹑中科院及国内外企业针对新一代高效率纳米研磨的现况及发展主题演讲并已规划过数百多个案例在国内外已销售数百工厂实绩其主要应用领域可以1998年为区分点随着3C产品之轻薄短小化及纳米细度材料应用之白热化如何将超威细研磨技术应用于纳米材料之制作及分散研磨已成为当下之重要课题1998年以前企业界所面临的问题为如何提高分散研磨效率以降低劳力成本如染料﹑涂料﹑油漆油墨﹑铅笔食品等产业而1998年以后产业技术瓶颈则为如何得到微细化（纳米化）材料及如何将纳米化材料分散到最终产品里如光电业TFTLCD﹑Jetink﹑磁性材料﹑保健品﹑生物制药和细胞破碎﹑氧化物﹑纳米材料﹑电子产业﹑光电产业﹑医药生化产业﹑化纤产业﹑建材产业﹑金属产业﹑肥皂皮革电子陶瓷导电浆料胶印油墨纺织品生物制药喷绘油墨芯片抛光液细胞破碎化妆品喷墨墨水陶瓷喷墨金属纳米材料塑料材料特种纳米航空材料等行业
目前各大陶瓷生产企业纷纷推出别具特色的陶瓷喷墨打印产品尤其是凹凸面的高清晰喷墨打印陶瓷砖令人耳目一新毫无疑问喷墨打印技术的春天已经到来!虽然陶瓷喷墨打印技术在我国只有几年的发展历史还存在着一些技术性的问题拉线烧成后发色不稳定明亮的红色墨水不能制备成本的问题喷头墨水的核心技术在外国企业手中导致喷头墨水偏高新商业模式的问题新产品管理制度还需要突破陶瓷喷墨打印设计和研发体系尚未成熟针对大批采购的个性化供应链体系尚未成形等随着博今科技道氏制釉明朝科技金鹰色料万兴色料等国产墨水企业对于陶瓷墨水品质的不断提升随着泰威美嘉精陶等喷墨打印机企业已经掌握了除喷头外的机械自动化系统软件系统喷墨打印技术将在中国这一全球最大市场获得更大范围的应用但喷墨的研磨最终细度和稳定成了所有生产企业所面临的一大难题在技术方面除了拉线发色的问题以外笔者参加了广州5月份的国际陶瓷工业展后认为喷墨的多功能化喷墨打印快速化喷墨技术与薄板更好的结合墨水固含量的提高胶状化学物质的均匀分布及稳定性的提升水性陶瓷墨水的研制模具的设计和使用也是今后的发展方向
针对现在陶瓷喷墨行业产品颜色品种多批量大产品不容易研磨大家可以对纳米研磨机的型号进选择以下为PUHLER派勒最新推出针对现在陶瓷喷墨行业产品颜色品种多批量大产品不容易研磨大家可以对纳米研磨机的型号进选择针对现在陶瓷喷墨行业产品颜色品种多批量大产品不容易研磨派勒集团推出了研磨腔体为0.5L6L10L25L60L150L1200L多型号纳米砂磨机第二代PHESupermaxFlow1200超大型卧式超细砂磨机及制造部同事合影
不论是传统产业提升研磨效率求快或是高科技产业纳米化材料求细需求污染控制都同样重要所以细﹑快﹑更少污染已成为新一代分散研磨技术最重要的课题
本文将针对纳米级研磨的现况及发展﹑纳米级分散研磨技术的原理﹑纳米级研磨机的构造﹑现有设备的来源﹑应用实例及注意事项﹑结论及建议等六大主题加以探讨
1.纳米粉体在市場上应用现状与发展
纳米微粒粒子应用范围的广及其潜在市場的大是大家不可否认的事实依据USNSFNationalScienceFoundation之預测在2010-2015
前纳米粉体的潜在市场規模将达3,400亿美提升产品的价值及性能其应用的领域诸如涂料油墨塑膠树脂功能性色膏陶瓷粉等传统产业的纳米化又有人想利用纳米材料的特性开发出消费性新产品如光学膜光触媒保健品医药等产品纳米科技可说是产业的另一次大革命!
然而尽管US-NSF大胆地預测纳米市场的潜在規模如此大同时美日德等国家亦已投入相当大之人力物力来开发纳米粉体的应用（如德国Degussa公司开发纳米级之SiO2,.等）然而在2003中全世界的纳米陶瓷粉的产值仅为1.5亿美金与預测值相距太远!其原因不外乎如下:
1.1价值链差:
纳米粉体仍无法成功地被应用于量产阶段其主要原因为生产者尚未将传统工业于纳米化时掌握住所有制程的转化条件其中包括工艺配方的设计纳米粉体的前处理纳米粉体的转化条件等尤其是纳米粉体因凡得瓦尔要成功地将传统工业纳米化首先要了解的关键技术即是如何先将纳米粉体适当地转化使其在添加到下一个界面后仍为纳米粒子沒有团聚的现象产生说到这里大家不难了解为何至今仍有那么多纳米粉体无法成功地被应用其主要原因为市面上大部分的纳米粉体皆尚未被适当地改质因此无法直接使其成功地被应用到纳米产品的开发与制造
到今日为止市面上至少有200种纳米产品已被开发出来可惜的是大部分的粉体如inkjetSiO2Al2O3TiO2ZrO2及ATOITO等粉体皆尚未被依需求而量身打造地改质所以无法成功地被应用同時至少有成千上萬之企业想从事纳米产品的开发但大部份的人找不到适合他们用的改质过的粉体所以如何先将纳米粉体做一适当地改质并使其可以成功地应用到产品端将是从事纳米科技的人不可不学的課程!
1.2纳米粉体需要因不同的应用而加以改质:
目前市面上已有多家的化学品公司及新成低!
PUHLER派勒公司为了帮客户解決上述问题自2003起已与德国新材料开发中心从事纳米研究的专家合作并将设备与工艺进行同步调整和研发新机型请参阅上图一所示负责帮客户开发并量身打造所需的表面改质分散剂提供帮客戶完整的服务使想从事纳米材料应用的客戶可以心想事成!
2.界面改质技术的概念
2.1化学机械制程:
在导入界面改质技术概念前先前大家可利用三辊研磨分散机珠磨机搅拌磨等分散研磨设备将材料分散研磨到微米或次微米級但却很难达到纳米级的细度!其主要原因为一旦材料的颗粒大小被机械不下来!
为解決此问题我們在此介紹一个非常有效的方法-化学机械制程法此制程的主要概念如下图一所示将量身打造好之界面改质剂利用高速搅拌珠磨机highspeedagitatedbeadsmill为工具将纳米粉体做适当之界面改质以避免纳米粉体之再凝聚一直分散研磨到粒径达到要求为止
图1设备的发展develop of Wet grinding mill
图2:研磨原理grindingmillprinciple
2.2以搅拌磨机当反应器
在使用化学机械制程法時搅拌磨机于纳米粉体的分散研磨及表面改质的过程中
提供及比能量值specificenergy利用串联循环研磨操作工艺流程模式circulationoperationmode来做分散研磨及界面改质之工作研磨机运转過程中将自动停机如此可以确保研磨品质之均一性
图3:串联研磨工艺wetgrindingofseriesprocess
由过去的经验得知在分散或研磨纳米粉体的浆料时到一次粒径的大小
2.3化学界面改质剂的设计:
一般处理浆料表面的方法有藉由复杂交互作用的问题:
1.固成分大幅低一般为35%wt以下
2.浆料的粘度因而提高,不利研磨机內小磨球的运动导致最后的粒径细度不下来
3.粉体容所示）,所选用的界面改质剂为低分子量的有机酸之官能机
图4:界面改质剂选用的法則与范exempliofdispersantchoice
原则上所选用的界面改质剂同时具有下列二个功能机一个官能机被设计来接到
纳米粉体表使纳米粉体表面产生一个稳定相以避免粉体之再凝聚产生另一个官能机之设计乃根据日后該纳米粉体所计量被添加之界面Matrix而定以避免不相容之现象发生因为本界面改质制程所采用的工具为湿法分散纳米研磨设备所以所选用的界面改质剂需能与所使用之溶剂相容尽管所选用之界面改质剂之分子量很小但仍可在纳米粒子表面产生2~5nm厚之要求:
1.固成分可以大大提高到35~45%以上
2.粒径可以如10nm左右
3.浆料的粘滯性不再受粒子粒径下之影响而急速上升
4.粉体将不产生再凝聚之现象即使添加到后段之制程仍为纳米粒子
2.4应用实例:
（如下图5所示）纳米之氧化鋯粉体一次粒径小於10nm左图为尚未經過改质前之纳米氧化鋯粉体因产生凝聚之现象所以仍无法被应用於后段之加工右图为該粉体經由本文所介紹的化学机械法改质后90%的粉体粒已小於30nm此改质后的纳米氧化锆粉体可以容
I.电子显微鏡TEM下之氧化鋯ZrO2左边之照片为未經改质前
II.电子显微鏡TEM下之氧化鋯ZrO2右边之照片为改质后
III.下方之樣品为40%之氧化鋯於研磨分散123456及7小時候之情形.
图5:於电子显微鏡TEM下之氧化鋯ZrO2左边之照片为未經改质前右边之照为改质后比:50nm.
图5
另一个应用实!
图6:矽溶膠colloidal silicacolloidal silica之粒径分佈,D90< 12 nm
图7:涂料添加纳米二氧化矽后与光穿透越低
3.结论
隨著政府大力地倡导及推广纳米科技的技术及应用在材料上如何进到纳米尺度材料之要求将是影响到纳米科技是否能夠成熟茁壮之重要因素之一由上述报告可以得知纳米粉体表面界面改质之工程如此想得到一个稳定的纳米级产品将不再是一个梦想如何找到一个好的分散和纳米研磨设备以克服传统型研磨机研发至量产纳米尺度材料時所可能遇到之技术瓶颈将是一大重要课题笔者相关文章有介绍新一代销棒型涡轮纳米研磨机已获得中国专利局的发明专利此种纳米研磨设备不僅可以解決传统型研磨机于放大时所遇到之问题更可以大大地在量的方面提高分散研磨效率同时在质的方面亦可以达到纳米尺度材料之要求该机型已在中国各国家重点核心新材料领域及世界各国广泛地被使用中
4.现有设备来源
因为纳米级粉体研磨需使用小磨球﹑高转速﹑高能量密度等同时亦需避免污染产生一般欧洲厂牌设备较适合当然若读者现已有国产或日制分散和研磨设备则可以以现有设备做粗磨工艺然后以欧洲设备做最后一阶段超细纳米研磨达到物尽其用的最佳应用派勒Puhler–您的分散及纳米研磨技术顾问
5.应用实例及注意事项
上述原理及方法笔者已有逾百厂实绩主要应用领域如下
1Colorpaste/Colorfilter/TFTLCD
R﹑G﹑B﹑Y及BM已成功地分散研磨到纳米级透明度需超过90%粘度控制在5-15CPS
含水率在1%以下
2Ink-jetInks
颜料型Ink-jetInks已成功地分散研磨到纳米级粘度控制在5CPS以下陶瓷喷墨无机颜料型
3CMPchemicalmechanicalpolishslurry
半导体晶片研磨所需之研磨液粒径已达纳米级且能满足无金属离子析出要求
4TiOPcopticalcontact
应用于雷射列表机光鼓上所涂布光导体已研磨分散到纳米级
5纳米级粉体研磨如TiO2﹑ZrO2﹑Al2O3﹑ZnO﹑Clay﹑CaCo3﹑可分散研磨到30nm
6纳米级粉体分散如将纳米粉体分散到高分子或将纳米级粉体添加到塑胶﹑橡胶等进行分散
7医药达到纳米级要求且需能满足FDA要求
8食品添加剂达到纳米级之要求如β胡萝卜素需满足GMP要求
9电子化学品达到纳米级需求且需能满足无金属离子析出问题
10其他特种军工,航空纳米材料
6.结论与建议
由上述可以得知大流量﹑小磨球﹑超强冷却系统为纳米级粉体研磨主要依循法则若欲满足细﹑快﹑更少污染﹑更环保节能﹑纳米级粉体研磨要求需满足下列条件
1先认清研磨材料之特性与要求
2根据材料特性要求找到适当研磨机
3搭配适当配套设备如冰水机﹑压缩空气机预搅拌机及移动物料桶﹑等
4找到合适产品的助剂
5与上﹑下游有完善的沟通以便调整最佳配方与研磨条件提高纳米粉体相容性
派勒 Puhler 5月份国际陶瓷工业展合影
作者简介
姓名:雷立猛（1978年06月）性别男
学位工学博士职务亚太区销售总监
主要研究方向纳米粉体分散研磨技术及应用
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