抛光粉的性能评介指标

2010-11-03

作者:Repowder 作者背景:博士,上海稀土专家组成员

来源:光学工艺论坛  稀土抛光粉的发展历程

  从1940年开始,高氧化铈含量的稀土抛光粉开始取代氧化铁(即铁红)用于玻璃抛光,成为玻璃抛光加工过程中的关键工艺材料之一。与传统抛光粉 — 铁红粉相比,稀土抛光粉具有抛光速度快、光洁度高和使用寿命长的优点,而且能改变抛光质量和操作环境。例如用氧化铈抛光粉抛光透镜,一分钟完成的工作量,如用氧化铁抛光粉则需要30~60分钟。稀土抛光粉因其独特的化学机械作用原理而带来的高抛光效率,成为玻璃抛光材料的首选,被广泛用于镜片、光学元件(透镜、棱镜)、彩电玻壳、平板显示器用电子玻璃、硅片、磁盘玻璃基片等产品的抛光加工。

根据铈含量的不同,稀土抛光粉可分为高铈(>90%)、富铈(>70%)和低铈(<70%)三种。

根据其应用领域的不同,稀土抛光粉产品可分为微米级、亚微米级、纳米级三类,其特性与应用领域如下表所示:

类别 颗粒大小( m m ) 铈含量(%) 应用领域

微米级 1-10 40-80 眼镜片、光学元件、彩电玻壳

亚微米级 0.1-1 40-80 平板显示器用电子玻璃

高档 <0.1 99 硅片、磁盘玻璃基片

抛光粉的性能评介指标

  颗粒大小:决定了抛光精度和速度,一般用目数和平均颗粒大小来表征。过筛目数反映了最大颗粒的大小,平均粒度决定了抛光粉颗粒大小的整体水平。

硬度:硬度大的颗粒具有较快的切削率,加入助磨剂也可以提高切削率。

  悬浮性:高速抛光要求抛光粉具有较好的悬浮性,颗粒形状和大小对悬浮性有较大影响,片状的抛光粉以及小颗粒的抛光粉的悬浮性较好。悬浮性的提高也可以通过加入悬浮剂来实现。

  颗粒结构:颗粒结构是团聚体颗粒还是单晶颗粒决定了抛光粉的耐磨性和流动性。团聚体颗粒在抛光过程中会破碎,从而导致耐磨性下降,单晶颗粒具有好的耐磨性和流动性。

  颜色:与原料中的镨含量和温度有关,镨含量越高,抛光粉越显棕红色。低铈抛光粉中含有大量的镨,因而显棕红色。对纯氧化铈抛光粉,焙烧温度高,抛光粉的颜色偏白红,温度低,颜色偏浅黄。

  全球的稀土抛光粉生产总量约为2万吨,生产厂家主要有四种类型:光学辅料公司、磨料磨具公司、稀土冶金公司、化工材料公司。其中,光学辅料公司的生产量最小,在2000吨以下,磨料磨具行业最大,在7000吨左右,稀土行业和化工行业各生产5000吨。我国的稀土抛光粉的生产量和应用量大抵相等,每年生产 1万吨左右,其中国内自用8000吨,出口2000吨。

稀土抛光粉的作用机理

   对氧化铈抛光机理的解释主要有以下几种学说:

(1)化学学说,即抛光过程是水、抛光剂、抛光模材料和玻璃之间化学作用的结果;

(2)纯机械作用学说,即抛光是研磨过程的继续;

(3)流变作用学说,即摩檫热使玻璃表面产生塑性变形和流动,或者是热软化以致熔融而产生流动,抛光过程是玻璃表面分子重新分布而形成平整表面的过程;

(4)机械、物理化学学说,即抛光过程是一机械的、物理化学作用的综合过程;

  许多专家认为,抛光是一机械的、物理化学的、化学的综合,其中机械作用是基本的,化学作用是重要的,而流变现象是存在的。氧化铈之所以是极有效的抛光用化合物,是因为它能用化学分解和机械摩擦二种形式同时抛光玻璃。在抛光过程中,氧化铈抛光粉有两种作用,即机械作用与胶体化学作用,这两种作用是同时出现的。抛光的初始阶段,是CeO2去除表面凹凸层的过程,因而呈现出新的抛光面,这时机械作用是主要的。同时,由于抛光混合物中有水,在抛光过程中形成H3O+ 离子,在玻璃表面H3O+离子与Na+离子相互交换而与玻璃形成水解化合物;同时由于CeO2抛光剂具有多价的性质,Ce(III)/Ce(IV)的氧化还原反应会破坏硅酸盐晶格,并通过化学吸附作用,使玻璃表面与抛光剂接触的物质(包括玻璃及水解化合物)被氧化或形成 (…Ce-O-Si… )络合物而被除去。

稀土抛光粉的性能控制

   稀土抛光粉的生产加工的因素有以下三个方面:

  原料选用:

  生产抛光粉的原料按含铈量分为三种:高铈抛光粉用硝酸铈或氯化铈生产,硝酸铈生产的抛光粉颗粒性能更好;富铈抛光粉采用镧铈氯化物生产,所得抛光粉为白色;低铈抛光粉采用混合碳酸稀土或氟碳铈矿生产,颜色为棕红色。

沉淀方式:

  沉淀过程决定了抛光粉晶粒的大小和形状,最终影响稀土抛光粉的抛光速度、耐磨性、流动性等应用性能。可采用草酸和碳酸氢铵两种沉淀剂生产抛光粉,草酸盐得到的抛光粉具有单晶结构,粉体具有良好的流动性,易于沉降,便用水力方法进行分级;碳酸盐得到的抛光粉呈片状团聚体结构,悬浮性较好,但耐磨性、流动性不如草酸盐生产的抛光粉,但因生产成本较低而得到广泛采用。

  分级方式:

  抛光粉在应用前均需进行分级,一般有水力沉降、湿式筛分、干式筛分、水力悬流分级、气流分级等方式。草酸盐生产的抛光粉一般采用湿式筛分或水力悬流分级;碳酸盐制得的抛光粉大多采用气流分级方式实现。

 

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