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走进微观世界2:微纳粉体材料的制备与分级
2021年11月03日 发布 分类:粉体入门 点击量:198
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对于微纳粉体制备而言,超细粉碎与精细分级技术是关键。

科学技术的发展为微纳粉体的制备提供了多种方法,从制备原理出发可分为化学合成法和物理粉碎法。化学合成法是通过化学反应或物相转换,由离子、原子或分子等经过晶核形成和晶体长大而制备得到粉体。化学合成法所制备的微纳粉体具有粒径小、粒度分布窄、粒形好及纯度高的优点,然而其生产工艺复杂、成本高且产量低,因而主要应用于实验室研究或高性能材料制备。物理粉碎法又称机械粉碎法,是通过机械力的作用使物料粉碎。相对于化学合成法而言,物理粉碎法工艺简单、成本低且产量高,适应于大批量工业生产,且粉碎过程中产生的机械化学效应使得粉体活性提高。因此,目前微纳粉体材料的主要制备方法为物理粉碎法。

另一方面,工业应用对微纳粉体的制备方法提出了一系列严格要求,主要有以下几点产品粒度均匀,分布范围窄产品纯度高,无污染低成本,高产量工艺简单连续,自动化程度高生产过程安全可靠。

超细粉碎技术与装备

机械粉碎是制备微纳粉体比较常用的方法。近半个世纪以来,国内外对超细粉碎理论、方法、设备进行了大量的深入研究,微纳粉体行业已经取得了许多突破性进展。因此,机械粉碎法在金属、非金属、有机药材、无机药材、食品、农药、化工、材料、电子、军工以及航空航天等行业应用广泛。随着科学技术的发展以及工业应用对不同种类不同要求物料粉碎的需要, 各种类型的粉碎设备不断推陈出新。目前,工业上普遍应用的超细粉碎设备的类型主要有气流磨、高速机械冲击磨、旋风自动磨、振动磨、搅拌磨、转筒式球磨机、行星式球磨机、研磨剥片机、砂磨机、高压辊磨机、高压水射流磨、高压均质机、胶体磨等。其中,气流磨、高速机械冲击磨、旋风自动磨和高压辊磨机等为干法超细粉碎设备,研磨剥片机、砂磨机、高压水射流磨和胶体磨等为湿法超细粉碎设备,振动磨、搅拌磨、旋转筒式球磨机和行星式球磨机等既可用于干法超细粉碎也可用于湿法超细粉碎。振动磨、搅拌磨、旋转筒式球磨机、行星式球磨机、研磨剥片机以及砂磨机等属于介质超细研磨机。不同类型的超细粉碎设备的粉碎原理、进料粒度、产品粒度和应用范围如表1-1所示。

(1)高速机械冲击磨

高速机械冲击磨的工作原理是物料在进入机体后,受到高速旋转的转子上安装的锤头、叶片、刀片、棒等冲击元件的猛烈冲击,在空气涡流和离心力的双重作用下发生相互碰撞,同时与转子发生强烈的剪切、研磨与碰撞,从而实现超细粉碎的目的。高速机械冲击磨在非金属矿行业应用较为普遍,适用于煤系高岭土、方解石、大理石、白平、滑石等中等硬度以下非金属矿物的超细粉体生产,产品粒度一般可达d97=10μm。高速机械冲击磨的优点是粉碎比大、细粉粒度可调、产能高、效率高,并且结构简单、配套设备少、占地面积小。典型的国产高速机械冲击磨有山东省青岛派力德粉体工程设备有限公司生产的PCJ系列立式超细粉碎机、PWC系列卧式超细粉碎机,上海世邦机器有限公司生产的CM51ACM53等型号的超细粉磨机,上海细创粉体装备有限公司生产的JCF型机械粉碎机、JBL棒式机械粉碎机。

2)气流磨

气流磨即气流粉碎机,又称流能磨或喷射磨。其工作原理是将干燥、无油的压缩宿空气通过喷嘴产生高压喷射气流,使粉体颗粒相互碰撞、剪切、摩擦而破碎。气流磨是比较常用的超细粉碎设备之一,广泛应用干滑石、大理石、高岭十等中等硬度以下的非金属矿、化工原料、保健食品、稀土等粉体的超细粉碎加工,产品粒度一般可达d97=3~5μm。除了产品粒度细,气流磨产品还具有粒度分布窄、颗粒表面光滑、颗粒形状规则、纯度高、活性大以及分散性好的优点。经过几十年的发展,气流磨结构不断更新、类型不断增多,目前气流磨主要有扁平(圆盘)式、循环管式、靶式、对喷式、流化床逆向喷射式、气旋式等几种机型。国产气流磨典型代表设备有江苏省昆山市密友装备制造有限责任公司生产的QYF-600型气流粉碎机、QBF型惰性气体保护气流粉碎机等。

3)振动磨

振动磨是一种以球或棒为介质的超细粉磨设备。其工作原理是利用研磨介质在做高频振动的筒体内对物料进行冲击、研磨、剪切等作用,使物料在短时间内被粉碎。振动磨按操作方式不同可分为间歇式和连续式,按磨筒数量不同分为单筒式和多筒式,按振动特点不同分为惯性式和偏旋式等多种结构。振动磨被广泛应用于建材、冶金、化工、陶瓷、玻璃、耐火材料和非金属矿等行业的微纳粉体加工,产品粒度一般可达几微米。振动磨的优点是可直接与电动机相连、结构紧凑、体积小、质量轻,介质填充率和振动频率高、单位筒体容积产量高,产品粒度均匀且能耗低、节能效果好。代表设备有温州山机械厂生产的MZ-200型振动磨。

(4)球磨机

球磨机是最古老的研磨机,被称为粉碎机之王。其工作原理是当球磨机按规定的转速运转时,研磨介质与物料一起在离心力和摩擦力的作用下被提升到一定高度,之后由于受重力作用而脱离筒壁沿抛物线轨迹下落,此过程周而复始,使处于研磨介质之间的物料受到冲击作用而被击碎同时,由干研磨介质的滚动和滑动,颗粒受研磨、摩擦、剪切等作用而被磨碎。球磨机广泛应用于化工原料、陶瓷原料、涂料等产品的超细粉碎。其优点是对物料的适应性强,能连续生产,可满足现代工业大规模生产要求粉碎比大,可达300以上,并易于调整研磨产品的粒度结构简单,可靠性强,磨损部件易干检查和更换,维护方便可适应多种工况,如粉碎与干燥或粉碎与混合同时进行,既可用干法粉碎又可用湿法粉碎。现如今,使用较多的有旋转筒式球磨机、行星式球磨机等。

行星式球磨机是一种内部无运动部件的球磨机。其工作原理是由电动机带动传动轴旋转,固定齿轮带动传动齿轮轴转动,使球磨简体既产生公转又产生自转,从而带动磨腔内的球磨介质产生强烈的冲击与摩擦力等作用,使球磨介质之间的物料被粉碎和超细化。行星式球磨机研磨产品的最小粒度可达o.1μm,被广泛应用于建材、陶瓷、冶金、电子、化工、轻工、医药以及环保等行业。

5)搅拌磨

搅拌磨又称砂磨机,是比较具有发展前景的超细粉碎设备,主要结构由一个研磨筒(内填小直径研磨介质)和一个旋转搅拌器构成。其工作原理是搅拌器高速旋转搅动研磨介质产生强烈的冲击,使物料和研磨介质做自转运动和多维循环运动,在研磨介质自身重力和螺旋回转产生的挤压力作用下,对物料进行冲击、研磨和剪切,从而达到超细碎的目的。搅拌磨实质上是一种内部有运动部件的球磨机,它依靠内部运动件运动带动研磨介质运动而实现对物料的超细粉碎。但是,搅拌磨磨腔内物料填充率更大,一般可达75%~85%。搅拌磨具有结构简单、操作方便、振动小、噪声低、产品粒度可调节、粒度分布均匀、效率高、能耗低等优点,因而受到普遍重视,广泛应用于建材、涂料、化工、医药、食品、农药、电子、冶金、陶瓷以及颜料等领域。

6)旋风自动磨

旋风自动磨是一种新型的干法细粉碎和超细粉碎设备。其工作原理是利用独特的高速回转装置产生高频脉动旋转气流场,使粉碎机内的颗粒物料相互冲击、摩擦、剪切或切削以实现粉碎,主要适用于石灰石、大理石、高岭十等物料的粉碎,产品粒度一般在5~40μm之间。

7)高压均质机

高压均质机也称高压匀浆机,是液体物料均质细化和高压输送的专用设备和关键设备。其工作原理是通过机械作或流体力学效应产生高压、挤压冲击和失压等作用,使料液中的颗粒在高压下挤研、在强冲击下剪切和在失压下膨胀,从而实现细化和均质的目的。高压均质机的主要作用有提高产品的均匀度和稳定性,增加保质期,改变食品黏稠度以改善产品口味和色泽等。高压均质机被广泛应用于食品、乳品、涂料、制药、精细化工和生物技术等领域。代表设备有上海申鹿均质机有限公司生产的SRH系列高压均质机,可将料液中的颗粒或油滴粉碎至0.01~2μm 之间。

8)胶体磨

胶体磨又称分散磨,是一种超微湿法粉碎加工设备,主要由定子和高速转子组成。其工作原理是物料在自身重力或螺旋冲击力的作用下通过定、转子之间的微小间隙时,受到强大的剪切、摩擦以及冲击等作用,同时在高频振动和高速旋涡的作用下,被有效地粉碎、分散、混合以及乳化。胶体磨设备适用于较高黏度以及较大颗粒的物料,产品粒度可达几微米甚至1μm以下,广泛应用于食品、涂料、颜料、化工原料、医药以及农药等行业。胶体磨具有定转子磨体间隙可调、加工精度高、易于控制产品粒度、结构简单、操作维护方便、运转平衡以及噪声小等优点,是处理精细物料最理想的加工设备。按结构,胶体磨可分为立式、卧式、管道式等类型。代表设备有温州胶体磨机器制造厂生产的JM系列立式胶体磨和沈阳新旭光机械设备制造有限公司生产的JT系列卧式胶体磨。

9)超声波粉碎机

超声粉碎主要利用超声波振能使固体物料破碎。其工作原理是将待粉碎的固体物料分散在液体介质中,苦干液体中的超声波发生器产生强烈的高频超言振动. 其超声能传递给液体中的颗粒物料,当物料内部集聚的能量足以克服固体结构的束缚时,固体颗粒破碎,实现超声粉碎的目的。此外,超声波在液体中传播时产生剧烈的扰动作用使固体颗粒产生很大的速度,从而使固体颗粒相互碰撞或与容器碰撞而被击碎。超声粉碎后颗粒粒度在4μm以下,而且粒度分布均匀。但是,由于超声技术的局限性,对于物料的撞击作用面小、频率高、动能大,因此超声粉碎主要适用于脆度较高的材料,如陶瓷、玻璃以及细矿石等非金属材料。

 

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