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粉体的定义详解

       

  粉体的制备方法 ------- 机械法和化 学合成法 一、粉体的定义 :粉体是大量颗粒的集合体,即颗粒群,又 称为粉末; 颗粒是小尺寸物资的通称,其几何尺寸相对于所测的空间尺度而言比 较小,从厘米级到纳米级不等,又称为粒子;颗粒是粉体的组成单元,是研究粉 体的出发点。粉体是由诸多颗粒组成,是大量颗粒的宏观表现,其性质取决于各 颗粒,并受颗粒堆积情况、颗粒之间的介质、外界作用力的影响。 二、机械法制备粉体 用机械力进行粉碎,可以将各种金属矿物、非金属矿物、煤炭等制成粉体, 适用于大规模工业生产。 在粉碎过程中,大块物料在机械力作用下发生破坏而开 裂,经破碎成为许多小块、小颗粒,进一步经粉磨成为细粉体。 在出现破坏之前,固体受外力作用,先发生可恢复原形的弹性变形,当外力 达到弹性极限时, 固体县发生永久变形而进入塑性变形阶段;当塑性变形达到极 限时,固体开裂,被破坏。作用在固体上的应力按作用方向可分为压应力和剪应 力。观察固体破坏时的断面的形状可知,固体在压应力的作用下被压裂,或是在 剪应力的作用下产生滑移,或是在两者的共同作用下开裂。 粉碎是在外力作用下使大物块料克服内聚力碎裂成若干小颗粒的加工过程, 所使用的外力可以是各能量产生的机械力;粉碎是以单个颗粒的破坏为基础的, 是大颗粒破坏的总和。根据所得产物的粒度不同,可将粉碎分为破碎与粉磨;破 碎是使大块物料碎裂成小块物料的加工过程, 粉磨是使小块物料碎裂成细粉体的 加工过程。 粉碎机械:按照主要作用力的类型(压应力、剪应力)和排料粒度,可以将 粉碎机械大致分为破碎机械、粉磨机械、超细粉碎机械。粉碎作用力以压应力为 主、 排料中以粒径大于 3mm 颗粒为主的称为破碎机械; 粉碎作用力以压应为主、 排粒中以粒径小于 3mm 颗粒为主的称为粉磨机械; 排料中以粒径小于 10 微米颗 粒为主的称为超细粉碎机械。 常用的破碎机械有锤式破碎机、 鄂式破碎机 、 圆锥破碎机、 反击式破碎机 、 锤式破碎机等;粉磨机械有雷蒙磨、轮碾机、筒磨机、振动磨、高压锟式机等。 超细粉碎机械有行星球磨机、搅拌磨、气流粉碎机等;下面主要讨论其中的应用 比较广泛的 1、破碎机械 1、1 锤式破碎机 锤式破碎机的主要工作部件为带有锤子的转子。 通过高速转动的锤子对物 料的冲击作用进行粉碎。由于各种脆性物料的抗冲击性差,因此,在作用原理上 这种破碎机是较合理的。 锤式破碎机的优点是生产能力高, 破碎比大, 电耗低, 机械结构简单, 紧凑轻便, 投资费用少,管理方便。 缺点是:粉碎坚硬物料时锤子和篦条磨损较大,金属消耗较大,检修时间较长, 需均匀喂料,粉碎粘湿物料时生产能力降低明显,甚至因堵塞而停机。为避免堵 塞,被粉碎物料的含水量应不超过 10%—15%。 1、2 鄂式破碎机 主要用于块状料的前级处理。 设备结构简单,操作方便,产量高。 (a) 简单摆动型 (b)复杂摆动摆动型 (c)综合摆动型 1、3 反击式破碎机 反击式破碎机的破碎作用:(1)自由破碎、(2)反弹破碎 、(3)铣削破碎 1、4 圆锥破碎机 圆锥破碎机的优点是:产能力大,破碎比大, 单位电耗低。 缺点是:构造复杂,投资费用大,检修维护较困难。 1、2、1 球磨粉碎 进料粒度为 6mm,球磨细度为 1.5~0.075 mm。 球磨机对粉料的作用可以分成两个部分。 一是研磨体之间和研磨体与筒体之间的 研磨作用;二是研磨体下落时的冲击作用。 当筒体旋转时带动研磨体旋转, 靠离心力和摩擦力的作用, 将磨球带到一定高度。 当离心力小于其自身重量时,研磨体下落,冲击下部研体及筒壁,而介于其间的 粉料便受到冲击和研磨。 1、2、1 高能球磨粉碎 粉碎原理:利用球磨的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅 拌, 把粉末粉碎为纳米级微粒的方法。如果将两种或两种以上粉末同时放入球磨 罐中进行高能球磨,粉末颗粒经压延、压合、碾碎、再压合的反复过程(冷焊- 粉碎-冷焊的反复进行),最后获得组织和成分分布均匀的合金粉末。 高能球磨的特点:磨球运动速度较大,使粉末产生塑性形变及固相形变,而 传统的球磨工艺只对粉末起混合均匀的作用; 球磨过程中还会发生机械能与化学 能的转换,致使材料发生结构变化、化学变化及物理化学变化。 影响高能球磨效率和机械力化学作用的主要因素有:原料性质、球磨强度、球磨 环境、球磨气氛、球料比、球磨时间和球磨温度等。 1、2、3 行星式振动粉碎 粉碎原理:行星式振动磨的磨筒既作行星运动,同时又发生振动。磨筒内部的粉 磨介质处在离心力场之中,既在一定高度上抛落或泻落,又不断发生振动,其加 速度可以达到重力加速度的数十倍乃至数百倍,在这一过程中,对物料施加强烈 的碰击力和磨剥力,从而使物料粉碎。 2 粉磨机械 2、1 轮碾机 在轮碾机中, 物料原料在碾盘与碾轮之间的相对滑动及碾轮的重力作用下被研 磨﹑压碎。碾轮越重﹑尺寸越大,粉碎力越强。用作破碎时,产品的平均尺寸为 3~8mm;粉磨时为 0.3~0.5mm。 轮碾机粉碎效率较低,但它在粉磨过程中同时具有破揉和混合作用,从而可 改善物料的工艺性能; 同时碾盘的碾轮均可用石材制作,能避免粉碎过程中出铁 质掺入而造成物料的污染;另外,可较方便地控制产品的粒度。 2、2 雷蒙磨 粉碎过程: 物料由机体侧部通过给料机和溜槽给入机内,在辊子和磨环之间 受到粉碎作用。 气流从磨环下部以切线方向吹入, 经过辊子同圆盘之间的粉碎区, 夹带微粉排入盘磨机上部的风力分级机中。梅花架上悬有 3~5 个辊子,绕集体 中心轴线公转。公转产生离心力,辊子向外张开,压紧磨环并在其上面滚动。给 入磨机内的物料由铲刀铲起并送入辊子与磨环之间进行磨碎。 铲刀与梅花架连接 在一起, 每个辊子前面有一把倾斜安装的铲刀,可使物料连续送至辊子与磨环之 间。破碎的物料又经排放风机和分离器进行粒度分级处理, 大颗粒重新回到磨机 破碎, 合格产品则被排出;出料粒度一般在 325 目~400 目之间。 2、3 振动磨 粉碎原理:振动粉碎是利用研磨体在磨机内作高频振动而将物料粉碎的。 进料粒度一般在 2mm 以下,出料粒度小于 60μ m (干磨最细粒度可达 5 μ m, 湿磨可达 1 μ m,甚至可达 0.1μ m)。 振动粉碎效率的影响因素 a、频率和振幅 b、研磨体的比重、大 小、数量 c、添加剂 3、超细粉碎机械 3、1 行星式研磨 工作原理:行星磨的每个球磨罐均绕各自的轴转动,设球磨罐半径为 r;自转角 速度为 w1,各球磨罐的中心轴绕着与其平行的主中心轴沿着半径为 R 的圆周运 动,公转角速度为 w2,物流的质量为 m,则在一般情况下,物料所受的合力 F 为: F=G1+G2+G3+mR(dw2/dt) 其中;G1=mrw1^2 为公转引起的离心力; G2=mRW2^2 为自转引起的离心力; G3=2mw1w2 为自转和公转引起的离心力; mR(dw2/dt)是公转的速度变化引起的离心力,当 w2 为零时,此项为 零。 由于球磨罐自转和公转产生的离心力及球磨罐与磨球之间的摩擦力等的作用, 磨 球与物料在球罐里产生相互撞击、摩擦、上下翻滚等,起到磨碎物料的作用。在 自转和公转的合力作用下可使磨球的离心加速度达 100 至 200m/s^2 甚至更高; 同时,由于球磨罐转速较高,莫秋雨球磨罐之间的最大压力为磨球所受重力的 5 至 6 倍,这使得行星磨的粉磨强度远远大于普通球磨机。 行星式研磨有以下显著特点: (1)进料粒度:980 ? m 左右;出料粒度:小于 74 ?m (最小粒 度可达 0.5?m)。 (2) 球磨罐转速快(不为罐体尺寸所限制), 球磨效率高。 公转: ±37~250 r/min, 自转 78~527 r/min。 (3)结构紧凑,操作方便。密封取样,安全可靠,噪声低,无污染,无损耗。 (4)球磨罐的个数、安装方式以及运动方式与普通球磨罐不同。 影响粉碎效率因素 球磨强度 、 原料性质 、 球磨环境 、 球磨气氛 、 球磨时间、 研磨介质的形状、尺寸及球料比。 3、2 气流粉碎 粉碎原理: 利用高压流体(压缩空气或过热蒸汽)作为介质,将其高速通过细的 喷嘴射入粉碎室内,此时气流体积突然膨胀、压力降低、流速急剧增大(可以达 到音速或超音速),物料在高速气流的作用下,相互撞击、摩擦、剪切而迅速破 碎,然后自动分级,达到细度的颗粒被排出磨机。粗颗粒将进一步循环、粉碎, 直至达到细度要求。 扁平式气流粉碎机 管道式气流粉碎机 进料粒度约在1~0.1 mm 之间, m 左右。 目前工业应用的气流磨主要有扁平气流磨、靶式气流磨、循环管式气流磨、 对喷式气流磨、流化床式气流磨。 气流粉碎的优点是不需要任何固体研磨介质,故可以保证物料的纯度;在粉碎 过程中,颗粒能自动分级,粒度较均匀;能够连续操作,有利于生产自动化。 缺点是耗电量大,附属设备多;干磨时,噪音和粉尘都较大。 3、3 搅拌磨粉碎(进料粒度应在 1 mm 以下,出料粒度为 0.1 m) 搅拌磨是 20 世纪 60 年代开始应用的粉磨设备,早期称为砂磨机,主要用于 染料和涂料行业的料浆分散于混合, 后来逐渐发展成为一种新型高效超细粉碎设 备; 搅拌磨的粉磨原理是用高速回转的搅拌磨推动研磨介质与物料做无规则的高 速运动、相互撞击和摩擦,来达到磨细物料的目的。在各种超细粉碎设备中,搅 拌磨的能量利用率是最高的。 搅拌研磨具有下列特点: (1)研磨时间短、研磨效率高,是滚筒式磨的 10 倍。 (2)物料的分散性好,微米级颗粒粒度分布非常均匀。 (3)能耗低,为滚筒式磨机的 l/4。 (4)生产中易于监控,温控极好。 (5)对于研磨铁氧体磁性材料,可直接用金属磨筒及钢球介质进行研磨。 连续湿式搅拌磨 间歇干式搅拌磨 4、助磨剂 助磨剂通常是一种表面活性剂, 它由亲水基团 (如羧基-COOH, 羟基-OH) 和憎水的非极性基团(如烃链)组成。在粉碎过程中,助磨剂的亲水集团易紧密 地吸附在颗粒表面,憎水集团则一致排列向外,从而使粉体颗粒的表面能降低。 而助磨剂进入粒子的微裂缝中,积蓄破坏应力,产生劈裂作用,从而提高研磨效 率。 助磨剂作用机理: 1.助磨剂吸附助磨剂吸附在物流颗粒表面,改变颗粒的结构性质,降低客流 的强度或者硬度。 2.助磨剂吸附在固体颗粒表面,减小颗粒的表面能。 常用助磨剂: 1、液体助磨剂如醇类(甲醇、丙三醇) 、胺类(三乙醇胺、二异丙醇胺) 、油酸 及有机酸的无机盐类(可溶性质素磺酸钙、环烷酸钙) 2、气体助磨剂如丙酮气体、惰性气体 3、固体助磨剂如六偏磷酸钠、硬脂酸钠或钙、硬脂酸、滑石粉等。 助磨剂选择: 一般来说,助磨剂与物料的润湿性愈好,则助磨作用愈大。当细碎酸性物料(如 二氧化硅、二氧化钛、二氧化钴)时,可选用碱性表面活性物质,如羧甲基纤维 素、三羟乙基胺磷脂等;当细碎碱性物料(如钡、钙、镁的钛酸盐及镁酸盐铝酸 盐等)时,可选用酸性表面活性物质(如环烷基、脂肪酸及石蜡等) 。 三、化学法合成粉体 通过化学手段使被粉碎物料自身或和化学辅助剂发生化学反应,或者经历一 些列的物理化学变化, 有大块物料分解成细粉体。化学法多用来合成纳米粉体和 超微细粉体等新型的高级粉体。 1.固相法 1.1 热分解反应法 热分解反应基本形式(S 代表固相,G 代表气相): Sl→S2 十 G1 很多金属的硫酸盐、 硝酸盐等, 都可以通过热分解法而获得特种陶瓷用氧化物粉 末。如将硫酸铝铵(Al2(NH4)2(SO4)4·24H2O)在空气中进行热分解,即可制 备出 Al2O3 粉末。 利用有机酸盐制备粉体,优点是:有机酸盐易于金属提纯,容易制成含两种以上 金属的复合盐,分解温度比较低,产生的气体组成为 C、H、O。如草酸盐的热 分解。 1.2 化合反应法 两种或两种以上的固体粉末, 经混合后在一定的热力学条件和气氛下反 应而成为复合物粉末,有时也伴随气体逸出。化合反应的基本形式: A(s)+B(s)→C(s)+D(g) 钛酸钡粉末、尖晶石粉末、莫来石粉末的合成都是化学反应法: BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2 Al2O3+MgO→MgAlO4 3Al2O3+2SiO2→3Al2O3·2SiO2 1.3 氧化还原法 非氧化物特种陶瓷的原料粉末多采用氧化物还原方法制备。 或者还原碳 化,或者还原氮化。如 SiC、Si3N4 等粉末的制备。 SiC 粉末的制备:将 SiO2 与碳粉混合,在 1460~1600℃的加热条件下,逐步还 原碳化。其大致历程如下: SiO2 + C → SiO+CO SiO + 2C → SiC+CO SiO + C → Si+CO Si + C → SiC Si3N4 粉末的制备: 在 N2 条件下, 通过 SiO2 与 C 的还原-氮化。 反应温度在 1600℃ 附近。其基本反应如下: 3SiO2+6C+2N2 → Si3N4+6CO 2.液相法 液相法是目前实验室和工业上最为广泛的合成超微粉体材料的方法。与固相 法比较,液相法可以在反应过程中利用多种精制手段;另外,通过所得到的超微 沉淀物,很容易制取各种反应活性好的超微粉体材料。 液相法制备超微粉体材料可简单地分为物理法和化学法两大类。 物理法是从水溶液中迅速析出金属盐, 一般是将溶解度高的盐的水溶液雾化成小 液滴, 使液滴中的盐类呈球状迅速析出, 然后将这些微细的粉末状盐类加热分解, 即得到氧化物超微粉体材料。 化学法是通过溶液中反应生成沉淀, 通常是使溶液通过加水分解或离子反应生成 沉淀物,如氢氧化物、草酸盐、碳酸盐、氧化物、氮化物等,将沉淀加热分解后, 可制成超微粉体材料。 2.1 沉淀法 (1)直接沉淀法 (2)均匀沉淀法 均匀沉淀法是利用某一化学反应,使溶液中的构晶离子(构晶负离子或构晶 正离子)由溶液中缓慢、均匀地产生出来的方法。 均匀沉淀法有两种: ① 溶液中的沉淀剂发生缓慢的化学反应,导致氢离子浓度变化和溶液 PH 值的升高,使产物溶解度逐渐下降而析出沉淀。 ② 沉淀剂在溶液中反应释放沉淀离子, 使沉淀离子的浓度升高而析出沉淀。 (3)共沉淀法 共沉淀法是在混合的金属盐溶液 (含有两种或两种以上的金属离子 )中加入合适 的沉淀剂,反应生成组成均匀的沉淀,沉淀热分解得到高纯超微粉体材料。 共沉淀法的关键在于保证沉淀物在原子或分子尺度上均匀混合。 2.2 醇盐水解法 醇盐水解法的特点: 1、水解过程中不需要添加碱,因此不存在有害负离子和碱金属离子; 2、反应条件温和、操作简单产品纯度高; 3、制备的超微粉体具有较大的活性; 4、粉体粒子通常呈单分散状态,在成型体中表现出良好的填充性; 5、具有良好的低温烧结性能。 6、醇盐水解法的缺点是成本昂贵。 金属醇盐是用金属元素置换醇中羟基的氢的化合物总称,通式为 M(OR)n,其 中 M 代表金属元素,R 是烷基(羟基) 。金属醇盐由金属或者金属卤化物与醇反 应合成,它很容易和水反应生成氧化物、氢氧化物和水化物。氢氧化物和其它水 化物经煅烧后可以转化为氧化物粉体。 醇盐水解制备超微粉体的工艺过程包括两 部分,即水解沉淀法和溶胶凝胶法。 2.3 溶剂蒸发法 (1) 冰冻干燥法 将配制好的阳离子盐溶液喷入到低温有机液体中(用干冰或丙酮冷却的 乙烷浴内) ,使液体进行瞬间冷冻和沉淀在玻璃器皿的底部,将冷冻球状液滴和 乙烷筛选分离后放入冷冻干燥器,在维持低温降压条件下,溶剂升华、脱水,再 在煅烧炉内将盐分解,可制得超细粉体,这一方法称冰冻干燥法 (2)喷雾干燥法 喷雾干燥法是将溶液分散成小液滴喷入热风中, 使之快速干燥的方法。 在干燥室内,用喷雾器把混合的盐(如硫酸盐)水溶液雾化成 10~20 ?m 或更细 的球状液滴, 这些液滴在经过燃料燃烧产生的热气体时被快速干燥,得到类似中 空球的圆粒粉料,并且成分保持不变。 (3)喷雾热解法 喷雾热解法是将金属盐溶液喷雾至高温气氛中, 溶剂蒸发和金属盐热解在 瞬间同时发生,从而直接合成氧化物粉末的方法。该方法也称为喷雾焙烧法、火 焰喷雾法、溶液蒸发分解法等。 3、气相法 1. 蒸发-凝聚法 蒸发-凝聚法是将原料加热至高温(用电弧或等离子流等加热),使之气化,接 着在具有很大温度梯度的环境中急冷,凝聚成微粒状物料的方法。这一过程不伴 随化学反应。 采用这种方法能制得颗粒直径在 5nm~100nm 范围的微粉, 适于制备单一氧化物、复合氧化物、碳化物或金属的微粉。 使金属在惰性气体中蒸发-凝聚,通过调节气压,就能控制生成的金属颗粒的大 小。液体的蒸汽压低,如果颗粒是按照蒸发-液体-固体那样经过液相中间体后生 成的,那么颗粒成为球形或接近球状。 2. 气相化学反应法 气相化学反应法是将挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应合成所需物质的 方法。 气相化学反应可分为两类: 一类为单一化合物的热分解 (A(G)→B(s) +C(g)) ; 另一类为两种以上化学物质之间的反应(A(g) + B(g) →C(s)+ D(g))。 气相反应法除适用于制备氧化物外,还适用于制备液相法难于直接合成的金属、 氮化物、碳化物、硼化物等非氧化物。制备容易、蒸气压高、反应性较强的金属 氯化物常用作气相化学反应的原料。 总结:粉体的制备方法根据制备原理可以分为机械冲击法(粉碎)和化学合成 法; 粉碎主要是借助于物理外力作用从外部强力破坏物料的结构的整体性,使之 碎裂为许多的小块物料, 再进一步粉磨成细粉体,通常机械冲击法要经过两步乃 至多步才能最后制得所需的细粉体; 而化学合成则是通过使物料进行化学反应从 而物理化学变化, 物料一般从内部结构被破坏, 失去内应力的作用; 变成细粉体, 一般地;化学合成法是一步完成的。 参考资料: 1、粉体工程导论(第四章、粉体的粉碎制备) 科学出版社——周仕林、张鸣林 著 2、超细粉体加工技术与应用(第三章、超细粉体制备) 化学工业出版社——郑 水林 3、陶瓷工艺原理(粉体制备) ——河南精品课程 4、粉体工程(第五章、筛分与超细粉碎) 清华大学出版社——盖国胜、陶珍东