超細粉體加工中的幾個技術問題

摘要:介紹了超細粉體的應用、制備設備、發(fā)展趨勢，以及超細粉體在加工發(fā)面的幾個技術問題。

關鍵詞:超細粉體;制備; 應用；分散

1. 超細粉體概述

1.1定義

對于超細粉體的粒度界限,目前尚無完全一致的說法。各國、各行業(yè)由于超細粉體的用途、制備方法和技術水平的差別,對超細粉體的粒度有不同的劃分,例如日本將超細粉體的粒度定為0.1μｍ以下。最近國外有些學者將100μｍ～1μｍ的粒級劃分為超細粉體,并根據(jù)所用設備不同,分為一級至三級超細粉體。對于礦物加工來說,我國學者通常將粒徑小于10μｍ的粉體物料稱為“超細粉體”。

1.2超細粉體的特性  

目前,對超細粉體的特性還沒有完全了解,已經(jīng)比較清楚的特性可歸納為以下幾點：

(1) 比表面積大。由于超細粉體的粒度較小,所以其比表面積相應增大,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,使其具有較強的表面活性和催化性,可起補強作用,具有良好的化學反應性。

(3) 熔點低。許多研究表明,物質(zhì)的粒徑越小,其熔點就越低。

(4) 磁性強。超細粉體的體積比強磁性物質(zhì)的磁疇還小,這種粒子即使不磁化也是一個永久磁體,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)  光吸收性和熱導性好。超細粉體特別是超細金屬粉體,當粒度小于100ｎｍ以后,大部分呈黑色,且粒度越細色越黑,這是光完全被金屬粉體吸收的緣故。

1.3超細粉體的制備方法

超細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:一種是化學合成法,一種是

物理粉碎法�；瘜W合成法是通過化學反應或物相轉(zhuǎn)換,由離子、原子、分子經(jīng)過晶核形成和晶體長大而制備得到粉體,由于生產(chǎn)工藝復雜、成本高、而產(chǎn)量卻不高,所以化學合成法在制備超細粉體方面應用不廣。物理粉碎法是通過機械力的作用,使物料粉碎。物理粉碎法相對于化學合成法,成本較低,工藝相對簡單,產(chǎn)量大。因此,目前制備超細粉體材料的主要方法為物理粉碎法。常用的超細粉碎設備有氣流粉碎機、機械沖擊粉碎機、振動磨、攪拌磨、膠體磨以及球磨機等。

2超細粉體的應用

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

景。超細粉體由于粒度細、分布窄、質(zhì)量均勻,因而具有比表面積大、表面活性高、化學反應速度快、溶解速度快、燒結體強度大以及獨特的電性、磁性、光學性等,因而廣泛應用于許多技術領域。

2.1化工、輕工行業(yè)

超細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,可改善機械潤滑性,節(jié)約汽車燃油,減少大修次數(shù);超細高嶺土作紙張?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粉體制成高效催化劑,應用于石油工業(yè)的催化裂化。目前還結合低溫、冷凍及脆化技術,將橡膠、塑料和合成樹脂等有機高分子材料加工成有機物超細粉體。

2.1微電子工業(yè)

超細粉體在微電子行業(yè)中應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,注入血管中進行有效的治療或健康檢查;將藥物制成超細粉體(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)

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

3.2超細粉體的團聚和分散問題

在超細粉體技術中超細粉體的分散無疑是最關鍵的技術。分級、粒度測量、混勻及儲運等作業(yè)的進行，都在很大程度上取決于顆粒的分散程度。

3.2.1團聚產(chǎn)生的的原因

1．分子間作用力引起顆粒聚團

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，對于由極大量分子集合體構成的體系，多個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50nm以上，屬于長程力。超細粉體顆粒間的分子作用力是顆粒聚團的根本原因。

2． 顆粒間靜電作用力引起聚團

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，顆粒表面電荷等量吸引對方的異號電荷，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

當空氣相對濕度超過65％時，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了粘結力。液橋粘結力主要由因液橋曲面而產(chǎn)生的毛細壓力及表面張力引起的附著力構成。

3.2顆粒分散途徑

3.2.1 表面改性法

近年來，國內(nèi)外不少研究者采用表面改性法進行超細粉體顆粒的分散研究，表面該性雖然可以改善超細粉體顆粒的抗團聚性能，但由于改性顆粒表面推動了本來性質(zhì)，給它的應用帶來很大影響，有時甚至會產(chǎn)生極大的負面作用。已經(jīng)研究出了用有機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聚大幅度降低，但不能解決在空氣中的團聚問題。

3.2.2機械分散法

機械分散是指用機械力把顆粒聚團打碎，這是目前應用最廣泛的分散方法。機械分散的必要條件是機械力(指流體的剪切力及壓應力)應大于顆粒間的粘著力。通常機械力是由高速旋轉(zhuǎn)的葉輪或高速氣流的噴嘴及沖擊作用引起的氣流強湍流運動而形成的。這一方法主要是通過改進分散設備來提高分散效率。機械分散較易實現(xiàn)，但由于它是一種強制性分散方法，相互粘結的顆粒盡管可以在分散中被打散，可是顆粒間的作用力沒有改變，排出分散器后會迅速重新聚團。機械分散的另一個問題是脆性物料有可能被粉碎，機械設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。在幾乎所有的有關生產(chǎn)過程都采用加溫干燥預處理，以去除物料的水分，保證顆粒的松散。干燥處理是一種簡單易行的方法。目前，國內(nèi)礦產(chǎn)品的干燥設備主要用回轉(zhuǎn)窯、干燥坑、圓筒干燥機、電干燥箱、遠紅外干燥機等。這些設備都能干燥物料，但設備占地面積大、基建投資大、自動化程度低；操作環(huán)境惡劣；設備運轉(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)技術的需要給粉體顆粒同極性的電荷，利用荷電粒子間的庫侖斥力，實現(xiàn)顆粒間完全、均勻的分散。靜電分散的關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．超細粉體的發(fā)展趨勢

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

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

2、目前我國超細粉體材料制造業(yè)發(fā)展較快,但設備品種不多,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)和新設備的研制工作。

3、開發(fā)多功能超細粉碎和表面改性設備,在進行超細粉碎的同時進行表面改性。

4、注重研究超細粉體在各種介質(zhì)中的分散技術及相應設備，研究超微細粉體的團聚機理、探索消除團聚的有效途徑。

5、改進現(xiàn)有設備、研制新設備；加強專用設備的研究，發(fā)展高效低耗、高精細和大處理量的分級技術和設備。

6、提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，注重粉碎與分級的有機結合。

5．總結

超細粉體后由于粒度細、分布窄、質(zhì)量均勻,因而具有比表面積大、表面活性高、化學反應速度快、溶解速度快、燒結體強度大以及獨特的電性、磁性、光學性等,因而廣泛應用于電子信息、醫(yī)藥、農(nóng)藥、軍事、化工、輕工、環(huán)保、模具等領域，是21 世紀重要的基礎材料。

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