超細(xì)粉體加工中的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題

摘要:介紹了超細(xì)粉體的應(yīng)用、制備設(shè)備、發(fā)展趨勢(shì)，以及超細(xì)粉體在加工發(fā)面的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:超細(xì)粉體;制備; 應(yīng)用；分散

1. 超細(xì)粉體概述

1.1定義

對(duì)于超細(xì)粉體的粒度界限,目前尚無(wú)完全一致的說(shuō)法。各國(guó)、各行業(yè)由于超細(xì)粉體的用途、制備方法和技術(shù)水平的差別,對(duì)超細(xì)粉體的粒度有不同的劃分,例如日本將超細(xì)粉體的粒度定為0.1μｍ以下。最近國(guó)外有些學(xué)者將100μｍ～1μｍ的粒級(jí)劃分為超細(xì)粉體,并根據(jù)所用設(shè)備不同,分為一級(jí)至三級(jí)超細(xì)粉體。對(duì)于礦物加工來(lái)說(shuō),我國(guó)學(xué)者通常將粒徑小于10μｍ的粉體物料稱為“超細(xì)粉體”。

1.2超細(xì)粉體的特性  

目前,對(duì)超細(xì)粉體的特性還沒(méi)有完全了解,已經(jīng)比較清楚的特性可歸納為以下幾點(diǎn)：

(1) 比表面積大。由于超細(xì)粉體的粒度較小,所以其比表面積相應(yīng)增大,表面能也增加。比表面積大,使其具有較好的分散性和吸附性能。

(2) 活性好。隨著粒度的變小,粒子的表面原子數(shù)成倍增加,使其具有較強(qiáng)的表面活性和催化性,可起補(bǔ)強(qiáng)作用,具有良好的化學(xué)反應(yīng)性。

(3) 熔點(diǎn)低。許多研究表明,物質(zhì)的粒徑越小,其熔點(diǎn)就越低。

(4) 磁性強(qiáng)。超細(xì)粉體的體積比強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁疇還小,這種粒子即使不磁化也是一個(gè)永久磁體,具有較大的矯頑力，是制造高密度記錄磁帶的優(yōu)良原料。

(5)  光吸收性和熱導(dǎo)性好。超細(xì)粉體特別是超細(xì)金屬粉體,當(dāng)粒度小于100ｎｍ以后,大部分呈黑色,且粒度越細(xì)色越黑,這是光完全被金屬粉體吸收的緣故。

1.3超細(xì)粉體的制備方法

超細(xì)粉體的制備方法有很多,但從其制備的原理上分主要有兩種:一種是化學(xué)合成法,一種是

物理粉碎法�；瘜W(xué)合成法是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或物相轉(zhuǎn)換,由離子、原子、分子經(jīng)過(guò)晶核形成和晶體長(zhǎng)大而制備得到粉體,由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、而產(chǎn)量卻不高,所以化學(xué)合成法在制備超細(xì)粉體方面應(yīng)用不廣。物理粉碎法是通過(guò)機(jī)械力的作用,使物料粉碎。物理粉碎法相對(duì)于化學(xué)合成法,成本較低,工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,產(chǎn)量大。因此,目前制備超細(xì)粉體材料的主要方法為物理粉碎法。常用的超細(xì)粉碎設(shè)備有氣流粉碎機(jī)、機(jī)械沖擊粉碎機(jī)、振動(dòng)磨、攪拌磨、膠體磨以及球磨機(jī)等。

2超細(xì)粉體的應(yīng)用

超細(xì)粉體不僅本身是一種功能材料,而且為新的功能材料的復(fù)合與開發(fā)展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前

景。超細(xì)粉體由于粒度細(xì)、分布窄、質(zhì)量均勻,因而具有比表面積大、表面活性高、化學(xué)反應(yīng)速度快、溶解速度快、燒結(jié)體強(qiáng)度大以及獨(dú)特的電性、磁性、光學(xué)性等,因而廣泛應(yīng)用于許多技術(shù)領(lǐng)域。

2.1化工、輕工行業(yè)

超細(xì)粉體可用作填料填充ＰＰ和ＰＶＣ等塑料,降低原料成本,改善制品性能。將石墨加工成ＧＲＴ節(jié)能減磨添加劑,可改善機(jī)械潤(rùn)滑性,節(jié)約汽車燃油,減少大修次數(shù);超細(xì)高嶺土作紙張?zhí)盍?/span>,能提高紙的白度,提高產(chǎn)品檔次;另外還可將許多超細(xì)粉體制成高效催化劑,應(yīng)用于石油工業(yè)的催化裂化。目前還結(jié)合低溫、冷凍及脆化技術(shù),將橡膠、塑料和合成樹脂等有機(jī)高分子材料加工成有機(jī)物超細(xì)粉體。

2.1微電子工業(yè)

超細(xì)粉體在微電子行業(yè)中應(yīng)用的典型代表有電子漿料(ＴｉＯ₂、ＢaTiO₃、Ｃｕ)、磁記錄材料(γ--Ｆｅ₂Ｏ₃)及電子陶瓷粉料(BaTiO₃)。另外還有傳感器(ＳｎＯ₂)和光、電波吸收材料及紅外輻射材料。

2.3醫(yī)藥、農(nóng)藥行業(yè)

將農(nóng)藥加工成超細(xì)粉體后,用量可降低20%以上,而農(nóng)作物卻增產(chǎn)20%左右,有的產(chǎn)品可取代進(jìn)口;由于血液中的血球大于0.01μｍ,可制備<0.01μｍ的超微粒子,注入血管中進(jìn)行有效的治療或健康檢查;將藥物制成超細(xì)粉體(或微膠囊),不僅服用方便,而且可提高有效成分的利用率,降低藥物消耗。

2.4材料工業(yè)

超細(xì)粉體在現(xiàn)代材料工業(yè)中的應(yīng)用亦受到高度重視。為了加工需要和滿足應(yīng)用要求,現(xiàn)代工業(yè)材料對(duì)所用原料都有非常明確的要求。目前國(guó)外精細(xì)化工和新材料中以超細(xì)粉體作為基本原料的已占80%以上,瑞士達(dá)95%,粉末原料成本占產(chǎn)品成本的30%～60%。在某種程度上,超細(xì)粉體為這些國(guó)家在相關(guān)領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先水平奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.2超細(xì)粉體的團(tuán)聚和分散問(wèn)題

在超細(xì)粉體技術(shù)中超細(xì)粉體的分散無(wú)疑是最關(guān)鍵的技術(shù)。分級(jí)、粒度測(cè)量、混勻及儲(chǔ)運(yùn)等作業(yè)的進(jìn)行，都在很大程度上取決于顆粒的分散程度。

3.2.1團(tuán)聚產(chǎn)生的的原因

1．分子間作用力引起顆粒聚團(tuán)

眾所周知，分子之間總是存在著范德華氏引力，是短程力。但是，對(duì)于由極大量分子集合體構(gòu)成的體系，多個(gè)分子間存在著相互作用，顆粒間分子作用力的有效間距可達(dá)50nm以上，屬于長(zhǎng)程力。超細(xì)粉體顆粒間的分子作用力是顆粒聚團(tuán)的根本原因。

2． 顆粒間靜電作用力引起聚團(tuán)

在干空氣中大多數(shù)顆粒是自然荷電的。顆粒獲得的最大電荷量受限于其周圍介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度，在干空氣中約為1．7×10坩電子／crn2。荷電顆粒與其它物體接觸時(shí)，顆粒表面電荷等量吸引對(duì)方的異號(hào)電荷，使物體表面出現(xiàn)剩余電荷，從而產(chǎn)生接觸電位差。

3．顆粒在濕空氣中的粘結(jié)

當(dāng)空氣相對(duì)濕度超過(guò)65％時(shí)，水蒸氣開始在顆粒表面及顆粒間凝聚，顆粒間因形成液橋而大大增強(qiáng)了粘結(jié)力。液橋粘結(jié)力主要由因液橋曲面而產(chǎn)生的毛細(xì)壓力及表面張力引起的附著力構(gòu)成。

3.2顆粒分散途徑

3.2.1 表面改性法

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少研究者采用表面改性法進(jìn)行超細(xì)粉體顆粒的分散研究，表面該性雖然可以改善超細(xì)粉體顆粒的抗團(tuán)聚性能，但由于改性顆粒表面推動(dòng)了本來(lái)性質(zhì)，給它的應(yīng)用帶來(lái)很大影響，有時(shí)甚至?xí)�產(chǎn)生極大的負(fù)面作用。已經(jīng)研究出了用有機(jī)溶劑收集保存納米粒子的方法，這種方法能使納米粒子在溶劑中的團(tuán)聚大幅度降低，但不能解決在空氣中的團(tuán)聚問(wèn)題。

3.2.2機(jī)械分散法

機(jī)械分散是指用機(jī)械力把顆粒聚團(tuán)打碎，這是目前應(yīng)用最廣泛的分散方法。機(jī)械分散的必要條件是機(jī)械力(指流體的剪切力及壓應(yīng)力)應(yīng)大于顆粒間的粘著力。通常機(jī)械力是由高速旋轉(zhuǎn)的葉輪或高速氣流的噴嘴及沖擊作用引起的氣流強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)而形成的。這一方法主要是通過(guò)改進(jìn)分散設(shè)備來(lái)提高分散效率。機(jī)械分散較易實(shí)現(xiàn)，但由于它是一種強(qiáng)制性分散方法，相互粘結(jié)的顆粒盡管可以在分散中被打散，可是顆粒間的作用力沒(méi)有改變，排出分散器后會(huì)迅速重新聚團(tuán)。機(jī)械分散的另一個(gè)問(wèn)題是脆性物料有可能被粉碎，機(jī)械設(shè)備磨損后分散效果下降等。

3.2.3干燥分散法

在潮濕的空氣中，顆粒間形成的液橋作用是顆粒聚團(tuán)的主要原因，因此杜絕液橋產(chǎn)生或消除

已形成的液橋作用是保證顆粒分散的主要手段。在幾乎所有的有關(guān)生產(chǎn)過(guò)程都采用加溫干燥預(yù)處理，以去除物料的水分，保證顆粒的松散。干燥處理是一種簡(jiǎn)單易行的方法。目前，國(guó)內(nèi)礦產(chǎn)品的干燥設(shè)備主要用回轉(zhuǎn)窯、干燥坑、圓筒干燥機(jī)、電干燥箱、遠(yuǎn)紅外干燥機(jī)等。這些設(shè)備都能干燥物料，但設(shè)備占地面積大、基建投資大、自動(dòng)化程度低；操作環(huán)境惡劣；設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)能耗大，熱利用率低；產(chǎn)品損失較大。

3.2.4靜電分散法

靜電分散是指根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)的需要給粉體顆粒同極性的電荷，利用荷電粒子間的庫(kù)侖斥力，實(shí)現(xiàn)顆粒間完全、均勻的分散。靜電分散的關(guān)鍵是如何使顆粒充分荷電。目前使顆粒荷電的方法主要有接觸帶電、感應(yīng)帶電、電暈荷電等方法，利用電子束輻照也可使顆粒帶電。

4．超細(xì)粉體的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代高技術(shù)和新材料產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，要求超細(xì)粉體加工技術(shù)也要與時(shí)俱進(jìn)，不斷發(fā)展。目前，超細(xì)粉體分級(jí)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)是：

1.、超細(xì)粉體在能源、環(huán)境、醫(yī)療、衛(wèi)生及人民生活的各個(gè)方面的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。因此今后應(yīng)當(dāng)著重發(fā)展具有高活性、高選擇性、表面性能不同的超細(xì)粉體新材料。

2、目前我國(guó)超細(xì)粉體材料制造業(yè)發(fā)展較快,但設(shè)備品種不多,而且,許多品種都是仿造派生的,自主研發(fā)不夠,所以要加大新理論的研究、新工藝的開發(fā)和新設(shè)備的研制工作。

3、開發(fā)多功能超細(xì)粉碎和表面改性設(shè)備,在進(jìn)行超細(xì)粉碎的同時(shí)進(jìn)行表面改性。

4、注重研究超細(xì)粉體在各種介質(zhì)中的分散技術(shù)及相應(yīng)設(shè)備，研究超微細(xì)粉體的團(tuán)聚機(jī)理、探索消除團(tuán)聚的有效途徑。

5、改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備、研制新設(shè)備；加強(qiáng)專用設(shè)備的研究，發(fā)展高效低耗、高精細(xì)和大處理量的分級(jí)技術(shù)和設(shè)備。

6、提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，注重粉碎與分級(jí)的有機(jī)結(jié)合。

5．總結(jié)

超細(xì)粉體后由于粒度細(xì)、分布窄、質(zhì)量均勻,因而具有比表面積大、表面活性高、化學(xué)反應(yīng)速度快、溶解速度快、燒結(jié)體強(qiáng)度大以及獨(dú)特的電性、磁性、光學(xué)性等,因而廣泛應(yīng)用于電子信息、醫(yī)藥、農(nóng)藥、軍事、化工、輕工、環(huán)保、模具等領(lǐng)域，是21 世紀(jì)重要的基礎(chǔ)材料。

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