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机械力化学:粉体表面改性小能手
2022年10月08日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:194
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随着科学技术的发展,用户对超细粉的性能提出了越来越多的要求,例如要求超细粉体必须具有良好的分散性,与其它物料混合使用时要求具有良好的相容性,为此,超细粉体工作者又投入大量精力开展超细粉体的表面改性研究,并逐渐形成超细粉体技术的另一分支--表面科学技术。超细粉体表面技术研究包括表面改性剂的研究和表面改性技术及改性设备的研究。


粉体由于其自身性质及加工方法的不同其表面的物理、化学性能各异。采用物理或化学的方法对粉体进行表面处理有目的地改变其表面物理化学性质满足特定使用要求的工艺称为粉体表面改性。表面改性的方法很多分类方法依分析问题的角度不同而异。

粉体改性的目的

▲粉体改性的目的

小石真纯提出基于改性工艺性质的分类方法有其独特之处,他将粉体表面改性方法分为6类即:①表面覆盖改性。利用表面活性剂使高分子、无机物、有机物等覆盖于粉体表面达到表面改性;②表面化学改性。利用表面改性剂与粉体表面进行化学反应或化学吸附的方式完成使其表面产生新的机能;③机械化学法改性。通过粉碎、磨碎、摩擦等方法增强粒子的表面活性具有强活性的粉体表面与其它物质发生反应、附着达到表面改性的目的;④胶囊式改性。在粉体表面包上一层或多层均匀的其它物质的薄膜使粉体的表面特性发生改变;⑤高能处理改性。利用电晕放电、紫外线、等离子束等对粉体进行表面改性;⑥沉淀反应改性。利用化学反应并将生成物沉积在粉体表面形成一层或多层改性层的方法。

粉体改性方法

▲粉体改性方法

其中机械力化学改性是指通过粉碎、磨碎、摩擦等方法增强粒子的表面活性,使具有强活性的粉体表面与其他物质发生反应、附着,达到表面改性的目的。高能机械力作用不仅会使矿物的物理结构以及结晶状态发生变化,还会导致化学键断裂、不饱和基团、自由离子和电子的生成,产生新的晶格缺陷,最终诱发化学反应。机械化学的应用研究成果为粉体的表面改性提供了新方法即可在使粉体超细化的同时达到表面改性之目的具有工艺简洁、产品改性效果良好及生产效率高等特点


1、湿法机械力化学表面改性

湿法机械力化学表面改性是指被改性粉体与改性剂在固液两相环境下,受到研磨介质的高速冲击、剪切、挤压等作用,粉体表面在粉碎的同时被活化,进而与改性剂发生物理、化学反应,实现表面改性的目的。改性完成后,通过固液分离、干燥等工艺获得改性粉体。湿法机械力化学表面改性通常由球磨机、搅拌磨、振动磨等来完成,其中以搅拌磨使用较为普遍。

湿法工艺具有表面改性剂分散好、表面包覆均匀等特点,适合最终产品以浆液形式使用的场合,或者前段为湿法制粉工艺而后段又需要干燥的场合。但产品如需制成干粉,还要进行固液分离、干燥等处理,生产工艺较复杂。在湿法工艺中,表面改性剂除了赋予粉体特殊功能外,同时可以起到助磨剂的作用,使粉体的流动性得到改善,从而提高粉碎效率。

2、干法机械力化学表面改性

干法机械力化学表面改性在单一固相环境下进行的。与湿法改性相比,干法改性具有效率高、产量大、无污染等特点。

干法工艺中表面改性剂的分散和表面包覆的均匀性在很大程度上取决于表面改性设备,但目前专用改性设备少,通常由混合设备或粉碎设备改造而成,如高能球磨机、振动磨等。干法表面改性工艺简单,适用于各种有机表面改性剂,特别是非水溶性的表面改性剂。在干法改性工艺中,主要工艺参数是改性温度、粉体与表面改性剂的作用时间等。

近些年来,人们开始关注利用气流粉碎机对粉体进行机械力化学表面改性的研究。与其它粉碎设备相比,气流粉碎机具有粉碎效率高、能耗低、磨损小、无污染产品粒度分布窄等突出优点,可用于粉碎高硬度的物料,因此以气流粉碎机为主要设备的气流粉碎一表面改性一体化工艺得到了快速发展。

3、气流粉碎一表面改性一体化工艺

气流粉碎一表面改性一体化工艺(简称一体化工艺)利用气流磨的高湍流作用,在对粉体进行超细粉碎的同时完成对粉体的表面活化改性,可以有效克服气流粉碎和表面改性2种工艺单独完成时改性剂与粉体表面亲和性差、附着作用弱且不均匀的缺点。一体化工艺过程中,一方面粉体在机械力的作用下产生具有高活性的新鲜表面,使改性剂能更有效地覆盖在粉体表面,达到表面改性的目的;另一方面,在改性剂的作用下,粉体表面自由能大大降低,结果使粉碎效率得到提高。一体化工艺把超细粉碎和表面改性结合在一起,两者相互促进,可降低能耗,提高生产效率。

 

▲高温气流粉碎+改性工艺:高温气流磨/高温气流粉碎改性(点击图片查看设备详情)

4、机械力化学的表征

为确切知道某个体系的物质在机械力作用下发生了何种变化、就必须有相应的检测方法。有关机械力化学效应的检测方法很多,概括起来见下表。

检测方法

检测内容

阿基米德原理

测定粉体的松装密度

X射线衍射法(XRD)

用于半定量地分析粉体的晶粒尺寸、晶格畸变程度也可分析结晶程度的变化

电子显微分析法(SEM)

观察粉体物质在受力前后的颗粒大小分布、团聚状况以及结构变化

激光粒度分析法

用于测定粉体的粒度分布比表面积等

热分析技术(TG-DTA)

用于判断物质受力前后是否有变化特别用于对含水物质的脱水过程和脱水程度的分析

红外光谱分析(IR)

检测物质在受机械力化学作用前后的键能和键的性质从而推断所发生的效应

光电子能谱法(XPR)

测定不同元素与氧的结合能从而判断系统中所发生的变化它的测定精度高分辨率也高而且可以从物体表面纵向剥层作逐层分析以确知变化深度和程度

固体核磁共振谱(NMR)

测定物质中某一元素所处的状态

 

参考来源:

1、机械化学法粉体表面改性技术的发展与应用;江苏石油化工学院机械工程系;刘雪东,卓震等著。

2、机械力化学法制备功能型矿物材料的研究进展;辽宁科技大学矿业工程学院;马天,刘春琦,李钊,代淑娟,郭小飞,王倩倩,赵通林等著。

3、机械力化学及其发展趋势;江西理工大学材料与化学工程学院;尹艳红,朱应禄等著。

4、机械力化学法制备改性超细粉体的研究进展;河南大学;苏小莉,曹智张治军等著。

 

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