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走进微观世界5: 超细粉体纳米颗粒和微米颗粒的特征
2021年11月12日 发布 分类:粉体入门 点击量:192
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超细粉碎是指将物料粉碎至微米级甚至亚微米级。相比于粗粉和细粉,超细粉碎产品的比表面积和比表面能显著增大,导致存超细粉碎中微细颗粒的团聚趋势也明显增强。因此在超细粉碎过程中,物料经一段时间的粉碎后将处于粉碎团聚的状态,当这一状态达到平衡时,将此时物料的粒度称为"粉碎极限"。物料超细粉碎的过程伴随粉碎物料单体结构和物理化学性质的变化,这些变化明显地改变了招细粉体的一些性质,将这种变化称为粉碎过程机械化学效应。

对于粒度为微米级或亚微米级的超细粉体,虽然其物理化学性质与块状颗粒相差不大,但是随着颗粒尺寸的减小,造成颗粒的比表面积和比表面能增大以及 表面活性提高,导致颗粒之间相互吸引发生团聚,又导致比表面积减小,表面活化性降低。因此在超细粉体的制备时必须考虑颗粒的分散。

对于纳米材料,其物理化学性质与块状材料相差很大。它既不同原子,也不同于结晶体。对纳米材料而言,其特殊性质包括以下几个。

(1)小尺寸效应

随着颗粒粒度减小到纳米尺寸,其物理性质(如声、光、电、磁、热等力学特性)、化学性质发生显著改变,将这种变化成为小尺寸效应(体积效应),其特征包括以下几个。

①纳米材料的熔点远低于块状本体。这是因为纳米颗粒中包含的原子数低,表面原子的热运动比内部原子激烈,这一特性有利于粉末冶金工业和陶瓷工业生产技术的改善,同时降低能源消耗和提高生产效率。

②纳米材料的硬度和强度显著增大。纳米材料基本上是由微细的晶粒和大量的晶界组成的。普通粗晶粒材料的形变是位错运动,而纳米材料位错基本不存在,因此纳米材料的硬度要比传统粗晶材料高出3~5倍。

③纳米磁性材料的磁有序状态发生本质变化。纳米磁性材料和常规磁性材料在磁结构上差异很大。在纳米材料中,当晶粒尺寸减小到单磁畴临界尺寸时,因纳米材料中晶粒的无向性,各晶粒的磁矩也是混乱排序的,磁化方向不再是固定的易磁化方向,使得纳米磁性材料有超顺磁性。

2)表面效应

随着颗粒尺寸的减小,纳米颗粒表面原子数与总原子数之比急剧增大,从而引起一些性质发生变化,称为表面效应。随着粒度的减小,粒子比表面积、比表面能和比界面结合能力迅速增大。表面原子受力不平衡而处于高能状态,其化学活性高,因此纳米颗粒极易发生团聚现象。利用纳米颗粒的表面效应可显著提高催化剂的催化效率,也可做成助剂改善某些制品的性能。

3)量子尺寸效应

1963年,日本科学家久保提出了量子尺寸效应。此效应表明,当纳米粒子的尺寸减小到一定值时,金属费米能彩级及附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象,并给出了能级间距6和组成原子数N的关系∶

式中 EF-费米能级。

对于宏观物体,其包含无限个原子,即N→∞,可得能级间距δ→0对于纳米颗粒,其包含的原子数有限,δ有一定的值,即能级发生了分裂。当能级间距大于热能、磁能、光子能量或超导态的凝聚能时,量子尺寸效应必会导致纳米材料的声、光、电、磁、热能性能与常规材料不同,如特异的光催化性、高光学非线性及电学特征等。

4)宏观量子隧道效应

把电子穿越壁垒参与导电过程的效应称为隧道效应。当微观粒子的总能量小于势垒高度时,粒子仍能穿越这一壁垒,一些宏观量如微颗粒的磁化强度等也具有隧道效应。

粉碎颗粒的表面能和表面活性

由于超细颗粒表面质点各方向作用力不平衡、表面分子作用力与内部分子之间的作用力不对称以及表面分子与介质间的作用力不平衡,使得颗粒表面聚集了表面能,在宏观上表现为吸附、极化、附着团聚、界面张力等。除了静电作用力、毛细管作用力和磁性作用力外,超细颗粒表面的范德华力也是重要作用力之一。

超细颗粒间的作用力

颗粒间引力

分子间的引力又称为范德华力,是根据势能羲加原理近似计算出的相近两分子间的作用力,作用距离极短,约为nm,是典型的短程力。而顺粒间的范德化力是多个分子综合相互作用的结果,其有效距离太干分子间范德华力的作用范围,可达50nm,属于长程力。半径分别为dd的两个相近球形颗粒间的范德华力为


式中 a—颗粒

A11-颗粒在真空中的Hamaker常数。

Hamaker常数是物质固有的特征常数,与材料性质和环境有关。一些颗粒Hamaker常数如表2-5所示。

2-5 一些颗粒的Hamaker常数


粉碎产品的粒度特性

为鉴定粉碎机的粉碎效果及粉碎产品的质量,需确定产品粒度的组成和粒度特性曲生线。通常采用筛分法来确定混合物中粒度的组成,根据筛分结果可以做出给料、破碎产品和粉末产品的粒度特性曲线。粒度特性曲线反映了产率和物料粒度之间的关系,其横坐标为产品粒度,纵坐标为筛余物累积产率或筛下物累积产率,如图2-2所示。通过该曲线可方便地了解某一产品的粒度分布情况、产品粒度大于某一粒度时对应的产率等。


2-2 粒度特性曲线

图中,曲线1呈凹形,表明物料中细粒级物料占多数曲线2近似直线,表明物料粒度均匀分布曲生3导凸形,表明物料中粗粒级物料占多数。根据粒度特性曲线,可以比较各种物料的破碎难易程度,也可用于比较不同粉碎机械粉碎同一物料时的粉碎能力。


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