氟化过程添加表面活性助剂对铈基稀土抛光粉物性指标的影响

氟化过程添加表面活性助剂对铈基稀土抛光粉物性指标的影响

谢浩，张珊珊，史俊龙，金玉培，张全鑫

甘肃稀土新材料股份有限公司，甘肃  白银  730922

[摘要]主要以碳酸稀土为原料，以氢氟酸作为氟源，制备含氟铈基稀土抛光粉，在氟化过程中加入硅氟酸、聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酸钠等表面活性助剂，后经静置陈化、烘干箱恒温干燥、马弗炉高温煅烧工艺，最终验证氟化过程红添加表面活性助剂对实际稀土抛光粉物相及形貌等物性指标的影响。

关键词：稀土；抛光粉；氟化；表面活性助剂；物性指标

1  引言

伴随中国工业高速发展，5G通讯、半导体工业成为新的风口行业，手机盖板、硅晶面抛光等领域技术和产品需求骤增[1-2]。CeO2因其独特的面心立方晶系，具有极佳的化学机械研磨特性，不仅抛光效率高、循环周期长，而且产品表面光洁度优等特点，而被平板玻璃、镜面、硅晶面等产品的抛光行业所青睐。但是，稀土原矿主要以不同稀土元素以不同形式的化合物混居形式存在[3]，在后续冶炼分级过程中，主要以萃取分离工艺来分离不同的稀土元素，但镧铈稀土因分离成本较高，所以市场上稀土抛光粉主要以镧铈碳酸盐为原料，其中的碳酸镧经过高温煅烧后形成的La2O3为六方晶系，几乎没有研磨能力，所以可研工作者经过大量研究[4]，确定在铈基稀土抛光粉制备过程中会加入定量的氢氟酸，将La2O3转化为LaOF，LaOF的研磨能力优于La2O3，从而提高铈基稀土抛光粉整体磨削力和化学活性。

本文在现有铈基稀土抛光粉制备工艺的基础上，在氟化过程中加入定量的表面活性助剂，考察其对铈基稀土抛光粉产品物相及形貌等物性指标的影响，以获得物相较好且形貌均匀的铈基稀土抛光粉。

2  实验内容

2.1 原材料

本实验使用甘肃稀土新材料股份有限公司生产的镧铈碳酸稀土（TREO:质量百分比为47.3%，CeO2/TREO:质量百分比为62.72%）为原料，化学成分见表1，其他药剂信息具体见表2：

表1  原料化学成分/%

表2  药剂信息

2.2  实验器材

本实验所用实验仪器主要包括DJ1C型增力搅拌器、DHG-9075A恒温鼓风型干燥箱、CQ-G170程式可控型马弗炉、QLM-1型气流磨、UNIPOL-802型研磨抛光机、马尔文APA2000激光粒度仪、、X＇Pert PRO 型X 射线衍射仪、JSM 6510 扫描式电子显微镜及电子天平等仪器。

2.3  不同表面活性助剂铈基稀土抛光粉的制备

  在实验室制备过程中，在常温27℃左右，取2000g镧铈碳酸稀土按一定固液比加入水中进行条浆，按6%氟比（F/TREO质量百分比）缓缓加入氢氟酸进行氟化反应。氟化操作的同时，分别加入抛光粉TREO质量百分比2%的氟硅酸、2%的聚乙烯吡咯烷酮和2%的聚丙烯酸钠。待氟化反应完成后，静置陈化6h，经溶液过滤后，滤饼用恒温干燥箱280℃干燥10h，干燥后物料用马弗炉进行960℃6h高温煅烧。然后对高温煅烧物料进行气流磨破碎分级操作，最终得到粒度D50在2.0μm左右的四种抛光粉试样。对四种抛光粉样品送检、研磨测试后得到实验结果。

3  物性指标检测

3.1  不同表面活性助剂对抛光粉物相的影响

对以上四种抛光粉试样进行XRD物相分析，后经Jade6.5进行数据处理，具体物相参数如表3示：

表3   不同表面活性助剂的抛光粉试样XRD参数

从以上结果对比研究可以看出，表面活性助剂的加入，对抛光粉物相组成产生了正向影响，氟硅酸、聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酸钠的加入均使得抛光粉111晶面衍射峰强度有了一定升高，说明表面活性助剂的加入可以出尽CeO2晶粒的成长；另一方面，101面衍射峰强度代表了抛光粉中镧向LaOF的转化率，聚丙烯酸钠加入后，抛光粉101面衍射峰强度从455提升到717，提高了57.58%，从物相上对抛光粉的组成有了较大改进；而从111面半峰宽可以看出，表面活性助剂的加入可以有效优化CeO2晶粒的结晶度。所以，表面活性助剂加入后，改善镧铈固溶体的表面电位，使其中的镧离子更容易与氟原子进行结合，进而发生晶格畸变，生成LaOF析出，也使得CeO2晶粒更好的成核、生长

[5]。

3.2  不同表面活性助剂对抛光粉形貌的影响

对四种抛光粉试样进行SEM扫描电镜分析，同样在5μm标尺下，样品衍射图如图1示：

1：无表面活性助剂；2：2%的氟硅酸；3：2%的聚乙烯吡咯烷酮；4：2%的聚丙烯酸钠

图1  不同表面活性助剂的抛光粉试样SEM形貌

由上图可以看出，铈基稀土抛光粉颗粒尺寸在20nm左右，粉体形貌主要以类球状多面体呈现，但多颗粒团聚现象明显，而且有不规则熔融体存在。当表面活性助剂的加入后，抛光粉颗粒团聚现象明显减弱，颗粒间孔隙增大，其中聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酸钠加入后，团聚体大小均有大幅降低，单颗粒形貌显露，整体均匀性显著提升。整体看，聚丙烯酸钠加入后的抛光粉形貌均匀性和单颗粒形态最好。

3.4  不同表面活性助剂对抛光粉切削力的影响

对四种不同表面活性助剂的抛光粉试样用UNIPOL-802型研磨抛光机进行15min和30min研磨测试，考察不同表面活性助剂对其磨削能力的影响，具体数据如表4示：

表4  不同表面活性助剂对抛光粉切削量

由上表数据可以看出，不同表面活性助剂加入后，对抛光粉粉体研磨能力均有所提升，这也印证了前文所述表面活性助剂对抛光粉粉体物相组成和颗粒形貌的优化结论。说明抛光粉在玻璃表面进行磨削作业时，主要以晶面棱角与玻璃接触产生化学、机械效应，表面活性助剂的加入，可以改善粉体物相组成，优化抛光粉颗粒形貌，从而增加有效作业成分，使得粉体颗粒与玻璃表面有效接触，从而提高磨削能力和产品表面光洁度。

4  结论

1.在以镧铈碳酸盐为原料，制备含氟铈基稀土抛光粉工艺过程中，加入表面活性助剂，可以稳定镧向LaOF的转化，同时也有利于CeO2晶粒更好的成核、生长，其中加入2%聚丙烯酸钠的抛光粉试样物相组成最优。

2.当表面活性助剂的加入后，抛光粉颗粒团聚现象明显减弱，颗粒间孔隙增大，其中聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酸钠加入后，团聚体大小均有大幅降低，单颗粒形貌显露，整体均匀性显著提升。整体看，聚丙烯酸钠加入后的抛光粉形貌均匀性和单颗粒形态最好。

3.不同表面活性助剂加入后，对抛光粉粉体研磨能力均有所提升，表面活性助剂对抛光粉物相组成和颗粒形貌的优化，最终体现在粉体磨削能力上，2%聚丙烯酸钠可以有效提升抛光粉整体研磨能力。

参考文献

[1]郑武城．稀土抛光粉的物化性能与抛光能力之间的关系[J]．稀土，1981，2（4）：46-51.

[2]黄绍东，刘铃声，李学舜，等．光学玻璃抛光用稀土抛光粉的制[J]．稀土，2022，23（6）：46-49.

[3]张臻悦,何正艳,徐志高,余军霞,张越非,池汝安.中国稀土矿稀土配分特征[J].稀土,2016,37(01):121-127.

[4]杨来东, 李梅, 柳召刚,等. 含氟铈基稀土抛光粉的制备及其抛光性能[J]. 有色金属:冶炼部分, 2013, 000(004):45-48.

[5]弥宁, 杨来东. 氟化方式对含氟铈基稀土抛光粉性能的影响[J]. 稀有金属与硬质合金, 2015(2):4.