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粉体知识点整理

       

  粉体知识点整理_工学_高等教育_教育专区。华侨大学材料学院2013材料化学 2.5学分粉体工程导论知识点整理。

  第一章绪论 1.粉体学的重要意义(对应“粉体及其技术的重要性” ) 1) 粉体是许多材料构成、组分或原料; 2) 粉体技术是制备材料的基础技术之一; 3) 超细粉体材料,尤其是纳米粉体材料在新型材料的开发研究中越来越重要; 4) 粉体容易大批量生产处理,产品质量均匀,成本低,控制精确,成为许多人工合成材料必然选 择的合成方法。 2.颗粒的定义:是在一特定范围内具有特定形状的几何体。大小一般在毫米到纳米之间,颗粒不仅指 固体颗粒,还有雾滴、油珠等液体颗粒。 3.粉体的定义:大量颗粒的集合体,即颗粒群,又称粉末(狭义的粉末是指粒度较小的部分) 。 颗粒与粉体的关系:颗粒是粉体的组成单元,是粉体中的个体,是研究粉体的出发点。颗粒又总是以 粉体这种集合体的形式出现,集合体产生了个体所所不具有的性质。 4.粉体学的特点:以粉体为研究对象,研究其性质及加工利用技术。 5.粉体技术包括:制备、加工、测试。制备有各种物理、化学、机械方法;加工作业有粉碎、分级、 分散、混合、制粒、表面处理、流态化、干燥、成形、烧结、除尘、粉尘爆炸、输运、储存、包装等; 测试对粉体各种几何、力学、物理、化学性能表征。 6.粉体的存在状态:通常所指的粉体是小尺寸的固体,但气体中的液滴、液体中的气泡也属于颗粒; 固态的物质中又分为分散态和聚集态,多数粉体为分散态。 7.粉体的分类: 1) 按照成因分类:天然粉体与人工粉体 2) 按制备方法分类:机械粉碎法和化学法粉体 3) 按分散状态分类:原级颗粒(一次颗粒)、聚集体颗粒(二次颗粒)、凝聚体颗粒(三次颗 粒)、絮凝体颗粒 4) 按颗粒大小 (粒径) 分类: 粗粉体 (0.5mm) 、 中细粉体 (0.074~0.5mm) 、 细粉体 (10~74μ m) 、 微粉体(0.1~10 μ m )、纳米粉体(100nm) 第二章粉体的几何性质 1.粒度定义:粒度是指粉体颗粒所占空间的线.颗粒尺寸常用的表征方法:三轴径、定向径、当量径、 3.粉体平均粒径计算公式: 4.粒度分布及其表示方法: 粒度分布依据的统计基准: n ① 个数基准分布(又称频度分布) 以每一粒径间隔内的颗粒数占颗粒总数 ? 的比例。 ② 长度基准分布 ③ 面积基准分布 ④ 重量基准分布 以每一粒径间隔内的颗粒总长度占全部颗粒的长度总和 ? nd 的比例。 2 nd 以每一粒径间隔内的颗粒总表面积占全部颗粒的总表面积 ? 以每一粒径间隔内的颗粒总重量占全部颗粒的总重量 ? 的比例。 nd 3 的比例。 表征粒度分布的方法:列表法,作图法、矩值法和函数法。 其中函数法是最精确的粒度描述方法(即用概率理论或者近似函数的经验法莱寻找数学函数) 5.形状因子:为形状表征量,无量纲常数,有形状指数和形状系数。 形状指数是指颗粒几何参数的无量纲组合。它与形状系数相比没有明确的物理意义。 形状系数:颗粒的表面积、体积、比表面积等几何参数与某种规定粒径 dp 的相应次方的比例关系。 6.常用粒度测量方法及其他优缺点: 1) 筛分析法(一般40μ m),其中最细的是 400 目,孔径为 38μ m; 优点:统计量大、代表性强;便宜;重量分布。 缺点:粒度下限为 38μ m;人为因素影响大;重复性差;非规则形状粒子误差;速度慢。 2) 显微镜法:采用定向径方法测量。 光学显微镜 0.25——250μ m;电子显微镜 0.001——5μ m; 优点:可直接观察粒子形状;可直接观察粒子团聚;光学显微镜便宜; 缺点:代表性差;重复性差;要测量投影面积直径;速度慢; 3) 光衍射法粒度测试:根据小颗粒衍射角大,大颗粒衍射角小来测量,同时某一衍射角的光强度与 相应粒度的颗粒多少关。 4) 激光衍射 0.05—500μ m;X 光小角衍射 0.002—0.1μ m; 所用方法即为投射电子显微镜法;扫描电子显微镜法; 优点:可观察粒径小,图像富有立体感,较真实,易于识别,可观察微区,一般同时进行成分分 析。 缺点:造价昂贵,试样制备要求严格,线) 原子力显微镜(AFM): x,y 方向分辨率可达到 2nm,垂直方向分辨率课达到小于 0.1nm. 优点:AFM 具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点 缺点:与 SEM 相比,成像范围太小,速度慢,受探头的影响太大。 6) 光散射法和消光法 光散射法原理:利用颗粒对激光的散射角度随颗粒粒度而改变的原理测定粒度分布。 消光法原理:通过测定经粉体散射和吸收后光强度在入射方向上衰减确定粒度。符合朗勃比尔定律。 优点:适用于气溶胶和液体分散系、非接触测定、精确给出粒度分布曲线和平均粒度、测定速度快; 电传感法粒度测试:当一个小颗粒通过小孔时所产生的电感应,即电压脉冲与颗粒的体积成正比; 7) 水利分析法—沉降法(用于小于 0.1mm 物料粒度组成的测定) 测量原理:在具有一定粘度的粉末悬浊液内,大小不等的颗粒自由沉降时,其速度是不同的,颗粒越大沉降速 度越快。大小不同的颗粒从同意起点高度同时沉降,经过一定距离(时间)后,几颗将粉末按粒度差别分开。 重力沉降:10-300μ m;离心沉降:0.01-10μ m。 优点:测量重量分布;代表性强;经典理论, 不同厂家仪器结果对比性好;价格比激光衍射法便宜; 缺点:检测速度慢(尤其对小粒子);重复性差;对非球型粒子误差大;不适用于混合物料(即粒子比重必须一致 才能较准确);动态范围窄 8) 气体吸附法 原理:使气体分子吸附于微粒表面,测定吸附量,换算粉体比表面积,求出粒度。 常见粒度分析方法: 7:粒度测定方法的选定(还要进一步看书 P34) 根据数据的应用场合选择;根据粉体的粒度范围选择;根据粉体的存在形式选择;根据测定精度的要求选择; 根据样品量选择;.根据粒度测定所需时间选择;根据设备投资和分析费选择: 8.粉体填充结构:是指粉体层内部颗粒在空间中的排列状态。一般而言,粉体层的排列状态是不均匀的。要注意到 填充状态的两个极端,即最疏与最密填充状态。 原因是:形状不规则,存在空隙。注意:粉尘的体积与其他固体物质的体积不同! 粉尘的体积包括: 尘粒的颗粒体积、 粉颗粒之间的空隙体积、 颗粒外开口体积、 颗粒内闭孔和附面膜体积等五部分。 9.描述粉体填充结构的参数(主要掌握前三个) 容积密度:ρb,亦称视密度:单位填充体积的粉体质量,即自然堆积状态下单位体积粉体的质量。 (表观密度) 填充率: ,颗粒体积占粉体填充体积的比例如右图。 空隙率:ε,空隙体积占粉体填充体积的比例 Ε=1- =1- ρb/ρp 配位数:某一个颗粒接触的颗粒个数 配位数分布:粉体层中各个颗粒有着不同的配位数, 用分布来表示具有某一配位数的颗粒比率时, 该分布称为配位数 分布。 空隙率分布: 以距观察颗粒中心任一半径的微小球壳空隙体积比 率对距离表示的分布。 接触点角度分布:将与观察颗粒相接的第一层颗粒的接触点位置,以任意设定的坐标角度表示的分布 10.等径球(均一球)的颗粒的规则填充 相邻的四个球视为基本层的最小组成单位,则有正方形和单斜方形两种排列方式。 掌握立方体填充(立方最疏填充)和菱面体填充(六方最密填充) 。 立方体填充:配位数为 6;菱面体填充:配位数 12. 11.均一球形颗粒的实际填充(不规则填充) 实际填充时,由于受到球之间的碰撞、回弹、摩擦、容器壁面等影响,而成为不规则填充。 均一球形颗粒群的随机填充结构(贝尔纳实验)统计分析结论是: (1)空隙率比较大时,配位数分布接近正态分布; (2)随着空隙率减小,趋近于最密填充状态的配位数。 实验结论:高配位数的疏接触点多,填充疏松,空隙率大; (P39.) 低配位数的密接触电多,填充紧密,空隙率小。 12.非等径球形颗粒的填充 较大球形颗粒中加入一定数量的较小球形颗粒,空隙率可以降低;若进一步加入更小的球形颗粒,空隙率进一步降 低。 1) 空隙率随着小颗粒的混入比增加而减小 2) 填入颗粒的粒径越小,空隙率也越低 总结即是:小颗粒粒径越小,配位数越大,空隙率越小,填充率越大。 13.影响颗粒填充的因素: 1) 壁效应: 当粉体填入容器时, 填充结构受容器壁面的影响, 在容器壁面附近形成特殊的填充结构, 成为壁效应。 2) 局部填充结构:空隙率分布、填充数密度分布、接触点分布。 3) 粉体的含水量:潮湿粉体易于团聚,导致内部保持松散结构,致使填充率降低。含水量较低 时候,容积密度略有降低,影响不大;随着含水量继续增大,形成大团粒,导致容积密度迅 速降低;含水量继续增大,由于颗粒发生相对滑动而使填充率增大。 4) 颗粒形状:颗粒越接近球形,通常其空隙率越低。即空隙率随颗粒球形度降低而增加。 5) 颗粒大小:粒度很小时,颗粒间的附着力大于颗粒重力,发生团聚,此时空隙率较大,即表 观体积增大;当粒度大于某一临界值,凝聚力可忽略不计,粒度大小则对堆积无明显影响。 6) 填充速度: 对粗颗粒, 填充速度越快会导致有较大的空隙率; 对于面粉之类吸附力较明显的粉体, 填充速度快, 可降低空隙率。 14.致密堆积经验 1) 用单一粒径尺寸的颗粒,不能满足致密堆积对颗粒级配的要求; 2) 采用多组分且组分粒径尺寸相差较大 (一般相差 4-5 倍) 的颗粒, 可较好地满足致密堆积对粒度与级配的要求; 3) 细颗粒数量应能足够填充堆积体的空隙,通常,两组分时,粗细颗粒数量之比约为 7:3;三组分时,粗中细颗 粒数量比例约为 7:1:2 时,相对而言,可更好地满足致密堆积对粒度与级配的要求; 4) 在可能的条件下,适当增大临界颗粒(粗颗粒)尺寸,可较好地满足致密堆积对颗粒级配的要求。 第三章粉体的力学性质 1.颗粒间的附着力(当粉体颗粒很小时,由于附着力存在易于团聚) 颗粒间的附着力(凝聚力)包括范德华力、静电吸引力、水分毛细管力、磁性力、机械咬合力。 2.填充层内的静态液相 根据颗粒间液体量的多少,有四种的静态液相。 1) 2) 3) 4) 摆动状态:颗粒接触点上存在透镜状或环状的液相,液相互不连接。 链索状态:液相相互连接而成网,空气分布其间。 毛细管状态:颗粒间隙充满液体,仅仅颗粒表面存在气液界面。 浸渍状态:颗粒群浸在液体中,存在自由液面。 3.液桥力 粉体颗粒之间接触处或间隙部位存在液体的状态成为液桥,液桥对所连接的颗粒有引力,也就是液桥力,实际上即 毛细管力。 液桥力大小与颗粒间液体量、颗粒表面润湿性、颗粒形状、液固接触状况等有关。 4.T 孔隙和 R 孔隙的差异 T 孔隙:4 个球以正三角锥的顶点为球心排列时所形成的四面型孔隙称为 T 孔隙。这种孔隙有 6 个解除点和 4 个支 路,各个支路都与 R 孔隙相通。与霍斯菲尔德填充的三角孔相同。 R 孔隙:4 个球并排成正方形,在通过正方形中心的垂线上再排列两个球后形成的长斜方形空隙称为 R 孔隙。相当 于霍斯菲尔德填充的四角孔。 5.粉体的摩擦特性(后三种以了解为主) 摩擦角:由于颗粒间的摩擦力和内聚力而形成的角的统称。 根据颗粒体运动状态的不同,可分为内摩擦角、安息角、壁摩擦角及动内摩擦角。 6.内摩擦角:在力学上可以理解为块体在斜面上的临界自稳角,在这个角度内,块体是稳定的;大于这个角度,块 体就会产生滑动。摩擦角表示该极限应力状态下剪应力与垂直应力的关系,它可用莫尔圆和破坏包络线来描述。 测试方法:流出法、抽出法、活塞法、慢流法、压力法、剪切盒法等 有关莫尔圆的画法和性质: 式中 σ1 和 σ2 为两个主应力,这两个关系式也可以用莫尔圆上 N 点的坐标值来表示,N 点与 σ1 夹圆心角为 2θ,当 σ1 和 σ2 为已知时, 用公式法或莫尔圆法都可获得通过该点的任一截面上的正应力和剪应力值。 7.安息角 安息角又称粉尘静止角、休止角、堆积角,是粉体粒度较粗的状态下由自重运动所形成的角。 测定方法:排出角法、注入角法、滑动角法、剪切盒法 安息角(休止角)≤30°流动性好;≤40°基本满足;≥40°流动性差。 同时注意粘性粉体或粒径小于 100~200um 的粉体粒子相互作用力较大, 而流动性差, 相应地所测休止角较大。 对于非黏聚性粉体,安息角和内摩擦角是相近的。 8.质量流与漏斗流的差异 质量流:指物料仓内整个粉体层能够大致均匀地下降流出,又称为整体流。其特点是先进先出,即先进仓的物料先 流出。 漏斗流:是指料仓内粉体层的流动区域呈漏斗流,其特点是后进先出,即先加入的物料后流出,料流顺序紊乱,甚 至有部分粉体滞留不动。漏斗流有两种,其中有一种死角区一直在。 质量流优点:避免了粉料的不稳定流动、沟流和溢流;消除了筒仓内的不流动区;形成了先进先出的流动,颗粒的 偏析被大大减少或杜绝; 最大限度减小了贮存期间的结块问题、 变质问题和偏析问题; 颗粒的密度在卸料时是常数, 料位差对其无影响;流量得以很好控制,任意水平横截面的压力可以预测,且相对均匀,物料的密实程度和透气性 是均匀的。 漏斗流缺点:出料口流速不稳定;料拱或穿孔崩塌时,细粉料可能被充气,并无法控制地倾泻而出;密实应力下, 不流动区留下的颗粒可能变质或结块;沿料仓壁长度安装的料位指示器不能正确指示料仓下部的料位;后进先出。 9.应力的主动状态和被动状态 被动状态:粉体层受水平方向压缩时,粉体将沿斜上方被推开,此时的极限应力状态;最大主应力为水平方向 主动状态:粉体层受重力作用,将要出现崩坏是的极限应力状态;最小主应力为水平方向 10.流动形式: E 不流动区 D 自由降落区 C 垂直运动区 B 缓慢滑动区 A 迅速滑动区 EN 流动椭圆体;EG 边界椭圆体;E0 流动锥体 第四章粉体的粉碎制备 1.粉碎的定义:在外力作用下使大块物料克服内聚力,碎裂成若干小颗粒的加工过程。 破碎是使大块物料碎裂成小块物料的加工过程(100mm 粗碎、30mm 中碎、3mm 细碎) ; 粉磨是使小块物料碎裂成细粉体的加工过程(0.1mm 粗磨、60μ m 细磨、5μ m 超细磨) 。 作用与目的:粉碎后,粒度显著减小,比表面积显著增大,有利于几种物料的均匀混合、便于输送和贮存、有利于 提高固相高温反应的程度和速度。 2.被粉碎物料的性质:强度、硬度、脆性、韧性、易磨性等。 1) 强度:材料抵抗外力的能力,通常以材料破坏时单位面积上所受的力来表示,单位 N/㎡或 Pa 理想强度:物料完全均质、不含任何缺陷时的强度称为理想强度; 实际强度:实际强度一般为理想强度的 1/100~1/1000; 强度的尺寸效应:试验片体积变小时,强度值增大←---裂纹的大小、形状、方向及数量 强度随着加荷速度而变化:材料本身兼具弹性性质和延展性质 强度随氛围条件而变化 2) 硬度:材料抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力,也可理解为固体表面产生局部变形所需的能量。 3) 脆性:材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。 4) 韧性:在外力作用下,塑性变形过程中吸收能量的能力。介于柔性和脆性之间的一种材料性能 5) 易磨性:在一定粉碎条件下,将物料从一定粒度粉碎至某一指定粒度所需的比功耗 3.Griffith 强度理论 Griffith 指出,固体材料内部的质点实际上并非严格地规则排布,而是存在许多微裂纹不,,当材料受拉时, 这些微裂纹就会逐渐扩展,与其尖端附近产生高度的应力集中,结果使裂纹进一步扩展,直至使材料破坏。 裂纹产生和扩展必须满足力和能量两个条件: 1.作为力的条件而言,在裂纹尖端产生的局部拉应力必须大于裂纹尖端分子间的结合力。 2.就能量条件而言,破碎时的能量消耗于两个方面:一是裂纹扩展时产生新表面所需的表面能 s;二是因弹性 变形而储存于固体中的能量 U。 4.粉碎方式和粉碎模型 1) 粉碎方式:挤压粉碎、劈裂粉碎、折断粉碎、研磨粉碎、冲击粉碎; 挤压粉碎:多用于硬脆性、坚硬物料的粗碎; 劈裂粉碎:劈裂粉碎比挤压粉碎所需压力小; 折断粉碎:即物料受弯曲作用力而粉碎; 研磨粉碎:主要产生细粒,其效率低、能量消耗大,用于小块物料的细磨。 冲击粉碎:主要用于脆性物料的粉碎。 2) 粉碎模型:体积粉碎模型、表面粉碎模型、均一粉碎模型。 体积粉碎模型:整个颗粒均受到破坏,粉碎后生成物多为粒度大的中间颗粒。随着粉碎过程的进行,这些中间颗粒逐 渐被粉碎成细粉。冲击粉碎和挤压粉碎与此模型较接近 表面粉碎模型:在粉碎的某一时刻,仅是颗粒的表面产生破坏,被磨削下微粉,这一破坏作用基本不涉及颗粒内部, 这是典型的研磨和磨削的粉碎方式。 均一粉碎模型:施加于颗粒的作用力使颗粒产生均匀的分散性破坏, 直接粉碎成微粉。 此模型仅符合结合极其不紧密 的颗粒集合体如药片等特殊粉碎情形。 实际粉碎过程是前两者的综合,前者构成过渡成分,后者形成稳定成分;体积粉碎看成冲击粉碎,表面粉碎看成摩 擦粉碎;粗碎时宜采用冲击力和压缩力,细碎时采用剪切力和摩擦力。 5.低温粉碎与混合粉碎 低温粉碎 对于低软化点、熔点低的热塑性物料,温度上升会失去结合水的物料,或温度上升会氧化的物料,以及常温时 强韧、低温时脆性化的物料,适用低温粉碎。采用技术有预冷物料、包裹或加入冷却介质。 混合粉碎(可以提升细粉效率) 几种粉碎性质不同的物料装入同一粉碎设备进行粉碎时,由于物料相互影响,则粉碎情形比单一物料复杂,会 出现选择性粉碎,即易碎的物料更细、难碎的物料更粗。 原因是:①粉碎介质受到作用力是,会优先碎裂,而高强度颗粒不足以碎裂,同时作用在高强度颗粒上的作用 力部分或传递到相邻的低强度颗粒上,再次造成低强度颗粒碎裂,即易碎颗粒发生粉碎的概率大;②另一方面,两 种硬度不同的颗粒相互接触并做相互运动时候,硬度大颗粒对硬度较小的颗粒产生切屑作用,软质颗粒被磨削。因 此粗的更粗,细的更细。 6.粉碎流程分类及特点 (a)简单的粉碎流程 (b)带预筛分的粉碎流程 (c)带检查筛分的粉碎流程 (d)带预筛分和检查筛分的粉碎流程 各种粉碎流程的特点: a 流程简单,设备少,操作控制较方便,但往往由于条件 的限制不能充分发挥粉碎机械的生产能力,有时甚至难以满足 生产要求 b 和 d 流程可增加粉碎流程的生产能力,减小动力消耗、 工作部件的磨损等。适合原料中细粒级物料较多的情形。 c 和 d 流程可获得粒度合乎要求的粉碎产品, 为后续工序创造有利条件, 但流程较复杂, 设备多、 建筑投资大, 操作管理工作量大,多用于最后一级粉碎作业。 开路(开流)流程:不带检查筛分或选粉设备的粉碎流程:比较简单、设备少、扬尘少;当要求粉碎产品粒度 较小时,粉碎效率低,产品中会含有部分不合格的粗颗粒物料 闭路(圈流)流程:带检查筛分或选粉设备的粉碎流程:可直接筛选出符合粒度要求的产品。 7.粉碎方式的选择 以较强的化学健力结合的:要采用具有较强机械力的碎裂方式。 对于拟粉碎至厘米级的矿石:可采用挤压粉碎、劈裂粉碎。 对于拟磨细至微米级、纳米级的矿石:采用研磨粉碎、折断粉碎。 实际过程中则是多种粉碎相互结合,连续作业。 8.粒子焊接:即在粉碎的过程中,小颗粒间存在压应力,会发生焊接现象,再次形成大颗粒,可称之为二次颗粒。 这些二次颗粒结构较为疏松,颗粒间焊接点少,但是当研磨强度过大时,压应力大,作用时间长,焊接程度增大, 强度甚至比原矿大。 在超细粉体制备时应该要极力避免! 通过加入分散剂来防止, 其中常见的固体分散剂有微晶碳、 液体分散剂有四氢呋喃等。 9.粉碎机械分类。重点掌握超细粉碎机械。 破碎机械:颚式破碎机,圆锥破碎机 常用分类 粉磨机械:振动磨,雷蒙磨 超细粉碎机械*:行星球磨机、气流粉碎机(粉体实验仪器会考,还有加上筛分) 10.行星球磨机构造及原理 主要有立式和卧式的两种,其主要构造组成有:电机、传动三角带、共用转盘、球磨罐、齿轮系列或三角带传 动系列。其工作原理是利用磨料与试料在研磨罐内高速翻滚,对物料产生强力剪切、冲击、碾压达到粉碎、研磨、 分散、乳化物料的目的。行星式球磨机在同一转盘上装有四个球磨罐,当转盘转动时,球磨罐在绕转盘轴公转的同 时又围绕自身轴心自转,作行星式运动。罐中磨球在高速运动中相互碰撞,研磨和混合样品。该产品能用干、湿两 种方法研磨和混合粒度不同、材料各异的产品,研磨产品最小粒度可至 0.1 微米。 与挤压和冲击粉碎的不同的是,球磨机靠研磨介质对物料颗粒表面不断的磨蚀实现粉碎。 11.气流粉碎机构造及原理 气流粉碎机其工作原理是,将高压空气或高压水蒸气通过拉瓦尔喷管加速为亚音速或超音速气流,喷出的射流带动 物料做高速运动,使物料因撞击和摩擦而粉碎。由于喷嘴附近的速度梯度很大,因此,绝大多数粉碎作用发生在喷 嘴附近。被粉碎的物料随气流到分级区进行分级,达到粒度要求的由收集器捕集下来,未达到粒度要求的则返回粉 碎室继续粉碎,只要满足粒度要求。 12.影响粉碎效率的因素:机械力大小、作用点、作用方式、作用时间等 13.影响球磨效率的因素: 原料性质的影响;球磨强度的影响:球磨环境的影响;球磨气氛的影响;研磨介质性质、尺寸呢及球料比的影 响;球磨时间的影响。 14.助磨剂助磨作用机理(常为表面活性剂) ① 助磨剂吸附在物料颗粒表面,改变颗粒的结构性质,降低颗粒的强度或硬度; ② 助磨剂吸附在固体颗粒表面,减小颗粒的表面能; 总之,添加助磨剂使物料颗粒内的裂纹易于扩展,强度或硬度降低,颗粒软化;助磨剂吸附在颗粒表面能平衡因粉 碎而产生的不饱和键,防止颗粒团聚,从而抑制粉碎逆过程。 助磨剂一般分成三类:碱性聚合无机盐、碱性聚合有机盐、偶极—偶极有机化合物。 15.粉碎机械力活化作用机理及影响因素 机械力化学的作用机理: 1) 物料在机械力作用下粉碎生成新表面,颗粒粒度减小,比表面积增大,从而粉体表面自由能增大,活性增强。 2) 物料颗粒在机械力作用下, 表面层发生晶格畸变, 其中贮存了部分能量, 使表面层能位升高, 从而活化能降低, 活性增强。 3) 物料颗粒在机械力作用下,表面层结构发生破坏,并且趋于无定形化,内部贮存了大量能量,使表面层能位更 高,因而活化能更小,表面活性更强。 4) 粉磨系统输入能量的较大一部分还将转化为热能,使粉体物料表面温度升高,在很大程度上提高了颗粒的表面 活性 因此,物料经机械粉碎后形成的微细颗粒表面性质大大不同于原有粗颗粒,机械力的持续作用使颗粒表面的活性点 不断增多,颗粒表面处于亚稳高能活性状态,易于发生化学或物理学的变化。 影响机械力化学的因素: 1) 原料性质的影响:原料性质和各组分配比决定最终产品组成的物质基础。 2) 粉磨强度的影响:即能量对原子重新组合的影响。强度过低,形成非晶时间较长,甚至无法形成非晶;强度较 高,形成非晶时间较短,利于非晶成分扩散,继续粉磨或造成相便;当强度达到某一值时候,会使得原料形成 稳定化合物。 3) 粉磨环境的影响:湿法和干法两种环境,相差了助磨剂水。 4) 粉磨气氛的影响:利用或防止七固反应。 5) 粉磨时间和温度的影响:较适宜的时间和温度。 16.机械力化学在应用中的特点 优点: ① 经高能粉磨处理的物料,不仅使粒度减小,比表面积增大,而且由于反应的活性提高,可使后续热处理过程的 烧成温度大幅度降低。 ② 由于机械粉碎的同时兼有混合作用,使多组分的原料在颗粒细化同时达到均匀化,特别是均匀化程度提高,使 制备的产品性能更好。 ③ 便于制备宏观、纳米乃至分子尺度的复合材料。 ④ 便于制备某些常规方法难以制备的材料。 缺点: ① 通常需要长时间的机械处理,能量消耗大,且反应难以进行完全,在实际应用中,通常对物料进行适当的粉磨 来制备前驱体而不是最终产物。 ② 研磨介质的磨损会造成物料污染,影响粉磨产物纯度 ③ 处理金属材料时,需要用氮气、氩气等惰性气体保护,否则可能发生氧化、燃烧等不希望发生的反应。 第五章粉体的分级与分离 一、粉体的筛分 1.筛分定义:筛分是粉体的一种分级方法,可将物料分成通过筛子较细的部分和留在筛子上的较粗的部分,分别称 为筛上料和筛下料。 2.筛面的种类及特点: 条筛:结构简单,无运动部件,不需要动力;但筛孔易堵塞,需要的高差大,筛分效率一般为 50-60%。 板状筛:比较牢固、刚度大、使用寿命长;缺点是,开孔率较小,约为 40-60%,一般用于中等粒度的物料筛分,筛 孔尺寸一般在 12-50mm。 编制筛面:钢丝编织而成。筛孔为正方形或长方形,开孔率可达 95%。具有开孔率高、质量轻、制造方便的优点; 缺点是使用寿命短。 (提高寿命:采用弹簧钢或不锈钢) 3.筛分作业(常与粉碎作业相联系) 1) 由粗到细的筛序优点:可以将筛面由粗到细重叠布置,节省厂房面积;粗物料不接触细筛网可减少细筛网 的磨损;较难筛的细颗粒很快通过上层筛面而不易形成堵塞,有利于提高筛分质量;缺点是维修不方便。 2) 由细到粗的筛序细筛网易磨损,易被大颗粒堵塞,降低分离效率;但布置容易,维修方便。 3) 混合筛序:由上述两种混合组成。 4.筛分机械: 按照筛分的方式可分为干式筛和湿式筛; 按照筛面的运动特性可分为五类: 摇动筛、 振动筛、 回转筛、 固定筛、 气流筛。 回转筛工作原理:物料在滚筒内由于摩擦力作用被提升至一定高度,后因重力作用沿筛面向下滚动,随之又被 提升。因此物料在筒内成螺旋形运动轨迹。在不断的下滑翻滚转动过程中,细颗粒通过筛孔落入筛下,大于筛孔尺 寸的物料则自筛筒的大端排出。 回转筛筛面形状有圆筒形、圆锥形、多角筒形和多角锥形。其中多角筒筛的筛分效率比圆通筛分效率更高。 回转筛的特点是:工作平稳,冲击和振动小,易密封除尘,维修方便;主要缺点是筛面利用率低,形体较大, 筛孔易堵塞,筛分效率低下。 摇动筛:电动机通过皮带轮传动,是偏心轴旋转,然后用连杆带动筛框做定向往复运动。 ? 振动筛分类:分为单轴惯性振动筛、双轴惯性振动筛、电磁筛、概率筛等。 振动筛优点:筛体以小振幅、高频率强烈振动,消除物料堵塞现象,使筛机具有较高筛分效率和处理能力;动 力消耗小,构造简单,维修方便;使用范围广,不仅可用于细筛,也可用于中筛和粗筛分,还可用于脱水和脱泥等 分离作业。 电磁筛特点:结构简单,无运动部件,体积小,耗电少,振动频率高达 3000 次/分,振幅一般为 2-4 mm。 摇动筛和振动筛的区别:振动筛:筛面振动方向与筛面成一定角度。物料主要做相对滑动。 摇动筛:运动方向基本平行于筛面 二、超细粉体的分级 1.超细分级原理 1) 离心分级:离心力场中,颗粒可获得比重力加速度大得多的离心加速度,同样的颗粒在离心力场中的沉降速度 远大于重力场情形,换言之,较小的颗粒也能获得较大的沉降速度。 2) 惯性分级:主气流通过喷射器携带颗粒高速喷至分级室,辅助控制气流使气流及颗粒的运动方向偏转角小,而 进入粗粉部分收集装置;细颗粒及微细颗粒则发生不同程度的偏转,随气流沿不同的运动轨迹进入相应的出口 被分别收集。 3) 迅速分级原理:细颗粒的巨大表面能使之具有强烈的聚附性。在分级力场中,这些颗粒可能由于流场不均匀及 碰撞等原因聚集成表观尺寸较大的团聚颗粒,并且它们在分级室中滞留的时间越长,这种团聚现象发生的概率 越大。迅速分级原理就是为了克服这种现象提出来的。所谓迅速分级,就是采取适当的分级室,应用恰当的流 场使微细颗粒尤其是临界分级粒径附近的颗粒一经分散就立即离开分级区,以避免它们在分级区的浓度不断增 大而团聚。这是目前任何类型的超细分级机所极力追求的目标。 4) 减压分级原理:颗粒粒径近于或小于气体分子的平均自由程(任一分子与其他分子两次相继碰撞之间通过的路 程之平均值)时,由于颗粒周围产生分子滑动因而导致颗粒所受阻力减小。常压时,颗粒粒径越小,其沉降速 度受到的影响越显著。 2.干式分级种类:重力分级、离心式分级、惯性分级等。 三、固气分离 1.固气分离定义:从气体与悬浮细颗粒的混合相中分理处固体颗粒的单元操作 2.目的: 1) 在气力输送或一些产品生产中,需要把粉体从气体中分离出来 2) 为环境保护与绿色生产,需要把气体中所含的粉尘出去(一般除尘=收尘,0.1~100μm) 3.固气分离设备的分类: (按收尘原理分类) 1) 重力收尘器:利用重力使粉尘颗粒沉降至器底(沉降室) ;可收集粉尘粒径在 50μm 以上。 2) 惯性收尘器:利用气流运行方向突然改变时其中固体颗粒的惯性运动而与气体分离,如百叶窗收尘器等; 分离粒径一般大于 30μm。 3) 离心收尘器:在旋转的气固两相流中利用固体颗粒的离心惯性力作用使之从气体中分离出来,如旋风收尘 器;分离粒径可达 5μm。 4) 过滤收尘器含尘气体通过多孔层过滤介质时,由于阻挡、吸附、扩散等作用而将固体颗粒截留下来,如袋 式收尘器、颗粒层收尘器等;分离粒径可达 1μm。 5) 电收尘器: 在高压电场中, 利用静电作用使颗粒带电从而将其捕集下来, 如静电收尘器; 分离粒径达 0.01μm 按照作业方式分类,则分为干式除尘器和湿式除尘器两类。 4.旋风除尘器 ? 组成:进气管、外圆筒、锥形筒、贮灰箱、锁风阀、排风管 ? 工作原理:利用含尘气体高速旋转产生的惯性离心力而使粉尘颗粒 与气体分离的一种干式收尘设备。 含尘气体从进气管以较高速度 (一 般可达 12-25m/s)沿外圆筒的切线方向进入直筒并进行旋转运动。 含尘气体在旋转过程中产生较大离心力,由于颗粒的惯性比空气大 的多,因此将大部分颗粒甩向筒壁,颗粒离心沉降至筒壁后失去动 能沿壁面下滑与气体分开,经锥体排入贮灰箱。积集在贮灰箱中的 粉料经闸门卸下。当旋转气流的外旋流向下旋转到圆锥部分时,随 圆锥变小而向中心逐渐靠近,气流达到锥体下端时边开始上升,形 成一股自下而上的内旋气流,并经中心排气管从顶部作为净化气体 排出。 ? 优点:结构简单,尺寸紧凑,易制造,造价低,无运动部件,因而 操作管理方便,维修量小,在处理颗粒粒径 10μm 以上的含尘气体 使,即使其含尘浓度较高也可获得较高的收尘效率。 ? 缺点:流体阻力损失大,因而电耗高,壳体易磨损,要求卸料闸门等严格锁风,否则会严重影响收尘效率。 5.袋式收尘器 主要工作原理:利用多孔纤维滤布将含尘气体中的粉尘过滤出来的收尘设备。 与旋风收尘器相比,收尘效率高,对于 5μm 的颗粒,收尘效率可达 99%以上;可以捕集 1μm 的颗粒。 与电收尘器相比,结构简单,技术要求不高,投资费用低,操作简单可靠。 缺点:耗费较多的织物,允许的气体温度较低,若气体中湿含量高或含有吸水性较强的粉尘,会导致滤布 堵塞,使其应用受到一定限制。 ? 滤布材料考虑因素:含尘气体的性质、含尘浓度、粉尘颗粒大小极其化学性质、湿含量、气体温度; ? 总体要求:滤布的均匀致密、透气性好、耐热、耐腐蚀、憎水、收尘效率高 ? 常见滤布:棉织滤布:生产成本低,耐高温性能差; 毛织滤布:造价高,耐热性能好,透气性好,阻力小,耐酸碱; 合成纤维:聚酰胺纤维耐磨性好,耐碱、不耐酸,工作温度 80 以下; 聚丙烯乙腈纤维的强度高,耐酸,不耐碱,工作温度 110~130; 聚酯纤维耐热耐酸耐碱性能均较好,工作温度 140~160; 玻璃纤维过滤性好,阻力小,化学性能稳定,造价低。 6.影响电收尘器收尘性能的因素: ? ? ? ? 1) 粉尘比电阻:指的是每平方厘米面积上,高 1cm 的粉料柱沿高度方向测定的电阻值。 2 9 当粉尘比电阻在 10 ~10 Ω ·m 时,除尘效率最高。 2) 含尘浓度:气体含尘浓度增大时,粉尘离子也增多,虽然他们电晕电流不大,但形成的空间电荷很大,抑制了 电晕电流产生,使的粉尘颗粒不能获得足够的电荷导致除尘效率变低。并且,当浓度增大到一定至,电晕电流 会减小到零,使得气体净化效果大大下降,这种现象称为“电晕封闭”。 3) 粉尘颗粒组成:最有效的粒径范围为 0.01-20 μm;粒径偏小,不易收集;粒径偏大,所需附着电量大,不经济。 4) 含尘气体温度: ① 温度对粉尘比电阻:温度波动会使得粉尘比电阻发生波动,因此要使得温度保持较小的波动范围; ② 温度对气体黏度:气体温度越高,气体黏度越大,除尘效率越低; ③ 温度对击穿电压:温度升高,击穿电压降低,除尘效率降低; 5) 气流速度:通过电场的气流速度越大,除尘效率越高;反正则相反。 6) 气体湿度: ① 气体湿度对空气击穿电压的影响:气体湿度上升,击穿电压上升,提高除尘效率; ② 气体湿度对粉尘比电阻的影响:气体湿度对粉尘比电阻影响很大。不同电除尘器对此有不同的湿度要求! 四、固液分离 1.沉降浓缩 定义:稀悬浊液用重力沉降称为稠厚泥浆,即分离成淤泥和较澄清溢流的操作,称为沉降浓缩或沉淀浓缩。 沉降浓缩一般用作过滤、离心分离、干燥等的前以工序。 ? A 层:最上面的澄清层。凝聚良好时,由于沉降粉体 的过滤作用而澄清。A-B 间界面明显。凝聚不佳时, 因残留微粒子而变得浑浊, 界面不明显。 该界面高度 与时间的关系, 可以用作增稠器设计和操作的基本数 据,其关系曲线称为间歇性沉降曲线。 ? B 层:干扰沉降层。其浓度与悬浊液初期浓度几乎相 等。液体为连续相,高度上几乎无浓度差,A-B 界面 的沉降速度等于干扰沉降速度。 ? C 层:B 和 D 的中间浓度的过渡层。通过凝聚堆 沉降浓缩过程 积起来的毛细管网时,液体被挤出,颗粒的水平 A 澄清区 B 凝聚沉降区 C 浓缩区 D 致密区 E 粗粒 位置保持不变,但沿垂直方向压缩,该层液体已 子 经不是连续相。 ? D 层:颗粒紧密堆积,毛细管流减少的状态,沉降速度极小。 ? E 层:含少量水分的固体颗粒层。 2.按颗粒物性分离的类型:过滤、离心分离、喷雾干燥。 (沉降浓缩也可以算进取) 3.离心沉降机(离心机) 离心机是利用离心力,分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械。 离心机主要用于将悬浮液中的固体颗粒与液体分开; 或将乳浊液中两种密度不同, 又互不相溶的液体分开(例如 从牛奶中分离出奶油);它也可用于排除湿固体中的液体,例如用洗衣机甩干湿衣服;特殊的超速管式分离机还可分 离不同密度的气体混合物;利用不同密度或粒度的固体颗粒在液体中沉降速度不同的特点,有的沉降离心机还可对 固体颗粒按密度或粒度进行分级。 4.喷雾干燥 喷雾干燥原理:于干燥室中将稀料经雾化后,形成极细的雾群,是料液表面积大大增加,在与热空气的接触中,水 分迅速汽化,即得到干燥产品。该法能直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品,可省去蒸发、粉碎等工序。 喷雾干燥特点:喷雾干燥具传热快,水分蒸发迅速,干燥时间瞬间的特点,且制品质量好,质地松脆,溶解性能也 好,能改善某些制剂的溶出速率,操作过程自动化、连续化,减少操作人员,泥浆质量温度、操作可靠。不足的是 喷雾干燥属于物理方法脱水,需要供给热量以蒸发水分;另外,设备较复杂、庞大 喷雾干燥对于大规模生产,特别是生产干压粉料,相对经济。 喷雾干燥机主要构造有:雾化器、干燥塔、热空气分配器、给料器、进气管、排风管、收集器、泥浆泵等 第六章粉体的储存和转运 1.料仓的种类:筒仓、料斗、漏斗、贮仓、容器。 2.料仓内的粉体流出 1) 质量流或整体流:料仓内整个粉体层能够大致均匀地下降流出(先进先出,适应于流动性优良的粉体或细 粒散体) 2) 漏斗流或核心流:料仓内粉体层的流动区域呈漏斗形,使料流顺序紊乱,甚至有部分粉体滞留不动,造成 先加入的物料后流出(后进先出) 3.孔口流出(砂时计原理) :粉体自容器底部孔口流出时,质量流出速度与粉体层的高度无关 4.料仓类结拱类型及其防止措施 拱的类型 1) 压缩拱:粉体受压力作用,固结强度增大导致的结拱; 2) 楔形拱:楔形颗粒相互啮合达到力平衡而导致的结拱; 3) 黏结黏附拱:黏聚性强的物料因汗水、吸潮或静电作用,增强了物料与仓壁的黏附力而导致的结拱; 4) 气压平衡拱:因料仓卸料器气密性差,空气漏入料仓,当上下气体压力达到平衡时所形成的料拱; 防止结拱的措施:改善料仓的几何形状及尺寸;降低料仓内粉体的压力;减小料仓壁摩擦阻力。 5.偏析现象及其防治 粉体流动时, 由于粒径、颗粒密度、 颗粒形状、表面性状等差异,粉体层的组成呈现不均质的现象,称为偏析现象。 防止偏析的方法:尽量减小料堆斜坡上粉体的流动长度,如在料仓内设置同心状或方格状隔板;改变投料方法;设 置挡板;使用该流体以改变粉体的流型。 6.偏析机理:五种造成偏析的原因 1) 渗流偏析:动态粉体层内的颗粒因粒度或密度不同而穿插运动的现象称为渗流现象。前者为粒度偏析,后者为 密度偏析。 2) 振动(喂料斗和斜槽需考虑):在振动力作用下,大颗粒向粉体层表面上升,小颗粒向下运动,细料累积并密 实时候,就能支撑住大颗粒。 3) 颗粒的下落轨迹:在已产生偏析时,下落轨迹将会维持这种偏析,使得料仓内水平方向上粉体组成有差异。 4) 料堆上的颗粒冲撞:大颗粒冲撞到料堆,势必在较小的颗粒上滚动或滑动。弹性好、粒度大的颗粒偏析于料堆 外围;弹性小、粒度小则偏析于料堆靠近供料点。 5) 安息角的影响:安息角大,流动性差的颗粒在料堆中心;安息角小、流动性好的颗粒往往在料堆外侧。 7.粉体的输送 1) 胶带输送机 特点:生产效率高,运输距离长,工作平稳可靠、结构简单、操作方便。 输送带起来了曳引和承载作用,输送带主要有织物芯胶带和钢绳芯胶带两大类。 输送带面有橡胶带和聚氯乙烯塑料带两种,前者应用较广,后者前景好。 橡胶带:若干层帆布组成,帆布层之间用用硫化方法浇上一层薄的橡胶,耐磨,有弹性; 橡胶带的连接方法分为硫化胶结和机械连接。 塑料带特点除了具有橡胶带的耐磨、弹性之外,还有优良的化学稳定性、耐酸碱性和一定耐油性。 塑料带的连接方式有机械法和塑化法 2) 螺旋输送机(同时具有一定的破碎效果) 优点:结构简单,在料槽外部除传动装置外,没有其他转动部件,占地面积小,易 封闭,管理、维护、操作简单,便于多点装料和多点卸料。 缺点:运行阻力大,一般比其他输送机消耗的动力大,机件磨损快。不适于运送块 状、磨琢性大的物料;摩擦力大,在输送过程中对物料有较大的粉碎作用,对需要 保持粒度一定的物料不宜用这种输送机;只用于较低或中等产率(100m3/h)的生 产过程中,且输送距离不宜太长。 叶片形状:a 全叶式、b 桨式、c 带式、d 型叶式。 8.粉体的喂料 带式喂料机:短小型带式输送机 特点:结构简单,承载段支承托辊布置紧密,运行可靠,投资少,喂料性能良好,可实现自动控制和计量,适 用于粒状和小块状物料,占用空间大,不适用于磨蚀性及高温物料 转动式喂料机:一般用于粉末物料的喂料 螺旋式:螺旋喂料机适用于不怕碎、腐蚀性小、易流动的粉状物料 滚筒式:滚筒喂料机具有连续均匀投料的优点,适用于各种类型物料 叶轮式:叶轮喂料机密封性好,兼有锁风作用,适用于干燥粉状或小颗粒物料 圆盘式:圆盘喂料机生产能力调节幅度大,容积计量有一定误差 振动式喂料机: ? 优点:体积小,易制造,便于安装,操作维修方便;无相对运动部件,几乎没有机械摩擦,无润滑点,密 封性好,功率消耗低,设备运转费用低;可在湿热环境工作,适用于高温、有磨蚀性物料;可实现密闭供 送和喂料量的遥控及自动控制。 ? 缺点:安装调试要求高(噪声控制) ,电压变化影响供料的准确性;不适用于极细粉料、潮湿、粘性物料。 第七章粉体的混合与造粒 1.混合的定义:粉体混合是二种以上组份在干燥状态或有少量液体存在下,以外力作用搅混,使其不均一性不断降 低的过程。实质是均化过程。 粉体混合的目的是使粉体物料各组分在三位空间形成特定分布,通常希望是均匀分布,以利于后续加工利用。 2.混合的主要机理: 1) 移动混合,粒子成团的移动,又称对流混合; 2) 扩散混合,把粒子撒到新出现的粉体面上,如圆筒回转式; 3) 剪切混合,粉体内形成滑移面,如带式混合机; 各种混合剂都以以上三种机理中的一种为主导作用,实际上往往是多种机理均起作用。例如,圆筒回转式混合 机以扩散混合为主,带式混合机以剪切混合为主。 3.混合度:以长度、面积或体积表示不均质范围,既有混合长度、混合面积、混合体积。 4.混合过程曲线分析 混合过程:前期进行迅速混合,达到最佳混合状态后,要向反方向 变化,使混合状态变劣,混合与偏析一正一反,反复进行,一般再 也不能达到最初的最佳混合状态。 后期的混合过程称为逆混合, 这是产生粉体凝聚、 静电效应的条件。 最低点即为最佳混合点。 5.影响粉体混合的因素,主要有物料的物理性质、混合机的结构形式和 操作条件三个方面。 混合过程曲线) 物料的物理性质: 平衡:混合?偏析 物料颗粒的形状、粒度及粒度分布、密度、表面性质、休止角、流动性、含水量、黏结性等。其中,物料的粒 度和密度影响较大,为了减小逆混合,对于密度相近的物料,应尽量使其粒度相近;对于密度相差较大的物料,应 该使其质量相近。 2) 混合机的结构: 机身形状和尺寸、搅拌部件的形状和尺寸、结构材料极其表面加工质量、进料和卸料的设置形式→物料颗粒的 流动方向、速度、落料点位置等 3) 操作条件: 混合料内各组份的多少及其占据混合机的体积比例,各组份进入混合机的方法、顺序和速度,搅拌部件和混合 机容器的旋转速度等。物料在容器内应尽可能运动,物料装满则不利于混合。 6.造粒(与粉碎为相对概念) 广义定义:将粉状、块状、溶液、熔融液等状态的物料进行加工,制备具有一定形状与大小的粒状物的操作; 狭义定义:将粉末物料聚结,制成具有一定形状与大小的颗粒的操作 目的:单个造粒,突出单个颗粒特性;集合造粒,强调颗粒状散体的集合特性 造粒方法有:凝聚造粒法、挤压造粒法、压缩造粒法、粉碎造粒法、熔融造粒法、喷雾造粒法。 7、粉体的压缩流动:一般把粉体容积减小,使粉体填充状态变密,不破坏粉体颗粒的过程称为粉体的压缩。 压缩机理: a)颗粒间相互推挤、移动,颗粒重新排列。加压能量主要用于克服颗粒间摩擦。 b)颗粒间架桥崩溃,小颗粒进入大颗粒间隙中;部分颗粒开始出现变形趋势。加压能量主要用于克服颗粒间摩擦 和与器壁的摩擦。 c)颗粒表面凹凸部分被破坏,并产生紧密啮合,颗粒间形成具有一定强度的结合。加压能量主要用于产生颗粒变 形和残余应力贮存。 d)少量颗粒产生破坏,堆积体的压缩硬化趋于极限。若进一步增大压力,颗粒破坏两增加。加压能量主要用于颗粒 变形、硬化和破坏。 8.粉体黏聚机理 1) 固体架桥:由于烧结、熔融、化学反应等而使一个颗粒的分子向另一个颗粒扩散 2) 液体架桥和毛细管压力:两者可产生强键合,但液体消失此种结合也消失 3) 黏结剂的附着力:如焦油等高黏度结合介质能形成和固体架桥非常相似的结合力,其吸附层是固定的并在 某些环境下能促进细粉粒的结合 4) 粒子间的吸引力:范德华力、静电力、磁力等 5) 机械咬合力:封闭型结合