超微细粉体与复合化技术之一(粉体与粉体加工技术)

1、超微细粉体与复合化技术超微细粉体与复合化技术 之一之一:粉体与粉体加工技术粉体与粉体加工技术清华大学材料系清华大学材料系:盖国胜盖国胜2007年年9月月目录1、粉体的基本概念2、粉体的基本性质3、基本加工方法4、工艺流程及优化5、粉体技术发展的思考1、粉体的基本概念 粉体是无数个固体粒子集合体的总称，粒子是粉体是无数个固体粒子集合体的总称，粒子是粉体运动的最小单元。粉体运动的最小单元。粉体物料的细度、粒度分布、颗粒形状、表面粉体物料的细度、粒度分布、颗粒形状、表面状态直接关系到用户的产品质量、成本和市场。状态直接关系到用户的产品质量、成本和市场。粉体颗粒的量变粉体颗粒的量变将导致将导致粉体特性

2、的突变，粉体特性的突变，给给粉粉体材料和相关产品带来许多新性能体材料和相关产品带来许多新性能。1、粉体的基本概念在粉体的处理过程中，即使是一种物质，如果在粉体的处理过程中，即使是一种物质，如果组成粉体的颗粒大小、粒度分布、颗粒形状、粒子组成粉体的颗粒大小、粒度分布、颗粒形状、粒子间孔隙中充满的气体及吸附的水分等不同，都会严间孔隙中充满的气体及吸附的水分等不同，都会严重影响粒子间的相互作用力，使粉体整体的性质发重影响粒子间的相互作用力，使粉体整体的性质发生变化。生变化。 粉体作为固体材料的特殊形式广泛存在于自然界、粉体作为固体材料的特殊形式广泛存在于自然界、工业生产工业生产与与人们人们日常日常生

3、活中生活中。只要。只要用心观察，涉及用心观察，涉及到粉状物料加工的工艺遍及国民经济的各个领域。到粉状物料加工的工艺遍及国民经济的各个领域。10-1510-12 10-9 10-6 10-3 1m 103 106 109电子电子 分子分子 乳胶球乳胶球 沙子沙子 石石块块 月亮月亮 太阳太阳世间的所有物质都是粉体颗粒！世间的所有物质都是粉体颗粒！一个一个 100 nm 100 nm 颗粒与足球相比颗粒与足球相比, ,等于足球与月亮之比等于足球与月亮之比太阳可容太阳可容10105454个纳米颗粒：个纳米颗粒：离离GoogolGoogol（1010100100）还差得很远呢！）还差得很远呢！1、粉体

4、的基本概念610-9(mm)(nm)(mm)粘土泥浆沙子烟雾云雾雨滴烟雾飞灰碳黑肥料，石灰石涂料矿石病毒细菌10-810-710-610-510-410-310-2粉体世界中对微观颗粒大小的认识1、粉体的基本概念2、粉体的基本性质一、粒度与粒度分布一、粒度与粒度分布（一）粒度粒度是指一个颗粒的大小，对于规则的球形颗粒，用“直径”来精确描述其大小。对绝大多数非球形颗粒，通常用“粒径，即颗粒大小的一因次尺寸”表示颗粒大小。同一颗粒，由于应用场合不同，测量的方法也往往不同，所得到的粒径值当然也不同，如：在显微镜下观察到的是颗粒在与视线垂直的平面上的尺寸，筛分所得到的粒径是筛孔尺寸，沉降所得到的是某种

5、沉降特性相同的球形颗粒的直径，等等。2、粉体的基本性质一、粒度与粒度分布一、粒度与粒度分布计算粒径的常用方法有：1、球当量径：实际颗粒与球形颗粒的某种性质相类比所得到的粒径。 i. 等体积球当量径：与颗粒体积相等的球形颗粒的直径。 ii. 等表面积球当量径：与颗粒表面积相等的球形颗粒的直径。2、粉体的基本性质一、粒度与粒度分布一、粒度与粒度分布2、圆当量径：颗粒的投影图与圆的某种性质相类比所得到的粒径。 i. 投影圆当量径：与颗粒投影面积相等的圆的直径 ii. 等周长圆当量径：与颗粒投影周长相等的圆的直径2、粉体的基本性质一、粒度与粒度分布一、粒度与粒度分布（二）平均粒度超微细粉体制备的生产实

6、践中所涉及到的往往并非单个颗粒，而是包含不同粒径的若干颗粒的集合体，即颗粒群。对其大小的描述，通常用统计平均粒度如长度平均径、长度表面积平均径、长度体积平均径、表面体积平均径、表面积平均径、体积平均径等概念。2、粉体的基本性质一、粒度与粒度分布一、粒度与粒度分布（二）平均粒度对同一颗粒群而言，用上述方法计算出的平均粒径有明显的差异，各平均粒径的物理意义也不相同。平均粒径仅代表颗粒群统计数值特征的某个方面，不可能表征其全部的粒度性质，但这种性质对于一定的颗粒群而言却是确定的。微米或纳米颗粒群的粒度或粒径通常用D50（平均粒度）、D90（90%的物料小于某粒径）或D97（97%的物料小于某粒径）表

7、示，单位为微米（m）或纳米（nm）。2、粉体的基本性质一、粒度与粒度分布一、粒度与粒度分布（三）粒度分布粒度分布是以粒群为对象，表示该粒群中所有颗粒在一定粒度范围内的分布特征，反应了各种颗粒大小及对应的数量关系。粒度分布的表示方法有列表法和图示法两种。列表法的特点是量化特征突出，但变化趋势规律不是很直观；图示法是描述粉体粒度分布的重要方法之一，在生产和科研中应用十分广泛。常用矩形图和粒度分布曲线表示粉体的粒度分布特征。2、粉体的基本性质一、粒度与粒度分布一、粒度与粒度分布1.矩形图由各粒度区间所对应的频率分布的测试分析数据绘制的粒度分布图，每个矩形的面积表示相应粒度级别所占的重量百分数。2、粉

8、体的基本性质一、粒度与粒度分布一、粒度与粒度分布2. 粒度分布曲线若将粉体视为由连续粒度的颗粒组成，则当粒度的测量区间Dp足够小时，矩形宽度足够窄。从微分角度看， Dp 0时，矩形图就变为粒度频率分布曲线。对频率分布函数积分，可得整个粒度区间内任意粒度的累积筛下（上）百分数，即累积分布曲线(a)频率分布曲线(b)累积分布曲线2、粉体的基本性质一、粒度与粒度分布一、粒度与粒度分布激光粒度分布仪是目前最常用的粒度分布检测设备，给出的粒度曲线由粒度分布矩形图（频率图）和累积筛下百分数组成。激光粒度仪检测的粒度分布2、粉体的基本性质二、颗粒二、颗粒形状与形形状与形状系数状系数2、粉体的基本性质二、颗粒

9、形状与形状系数二、颗粒形状与形状系数（一）形状指数： 形状指数和形状系数不同，它和具体的物理现象无关，只用数学表达式来描述颗粒的外形。 1球形度(degree of sphericility) 亦称真球度，表示粒子接近球体的程度。2圆形度(degree of circularity) 表示粒子的投影面接近于圆的程度。3 粗糙度P：颗粒的实际表面积与把颗粒外观看成光滑时的表面积之比，实际应用过程中，通常用吸附法测得的比表面积作为颗粒的实际表面积。2、粉体的基本性质二、颗粒形状与形状系数二、颗粒形状与形状系数（二）形状系数形状系数的概念来自这样的见解，即对规则形状的颗粒而言，其表面积、体积分别和线

10、性尺寸成平方或三次方的关系，比例关系被定义为形状系数。1、体积形状系数 V vDp3v称为颗粒的体积形状系数。对于球形颗粒，v/6；对于立方体颗粒，v1。2、粉体的基本性质2、表面积形状系数： S sDp2 s称为颗粒的表面积形状系数。对于球形颗粒，s；对于立方体颗粒，s6。3、比表面积形状系数：比表面积形状系数定义为表面积形状系数与体积形状系数之比，用符号表示： sv 对于球形颗粒和立方体颗粒，6。2、粉体的基本性质三、比表面积三、比表面积 比表面积是指单位体积或质量物体的表面积。颗粒的表面积包括内表面积和外表面积两部分。外表面积是指颗粒轮廓所包括的表面积，它由颗粒的尺寸、表面形貌、粗糙度等

11、因素决定。内表面积是指颗粒内部孔隙、裂纹、微孔等的表面积。1、体积比表面积：单位体积物体所具有的表面积称为体积比表面积，用Sv表示。2、质量比表面积：单位质量物体所具有的表面积称为质量比表面积，用Sw表示。2、粉体的基本性质三、比表面积三、比表面积比表面积的测量方法有渗透法、吸附法、压汞法及气体透过法等，其中气体吸附法也称BET法是经典的测定方法。吸附法是在试样颗粒的表面上吸附截面积已知的吸附剂分子，根据吸附剂的吸附量计算出样品的比表面积，然后换算成颗粒的平均粒径，目前多用BET方法进行测定。原则上吸附法只适用于无孔隙和裂缝的颗粒，如果颗粒中存在孔隙或裂纹，用BET测得的比表面积包含了孔隙内或

12、缝内的表面积，因而测得的比表面积比其它方法（如透气法）的测定数值大，由此换算出的颗粒的粒径则偏小。四、粉体的密度与空隙率四、粉体的密度与空隙率 粉体的密度系指单位体积粉体的质量。1真密度(true density)t 是指粉体质量除以不包括颗粒内外空隙的体积(真体积Vt)求得的密度。2堆积密度也称松散密度或松装密度，是指粉体在特定的容器中处于自然充满状态下的密度。该指标对存储容器和包装袋的设计很重要。空隙率越大，堆积密度越小，反之亦然。3振实密度是指粉体装填在特定容器中，通过对容器进行振动，尽量减少粉体中的空隙，从而使粉体处于紧密填充状态后的密度，通过测量振实密度可以了解粉体的流动性和空隙率等

13、。2、粉体的基本性质粉体的空隙率粉体的空隙率空隙率 (porosity)是指颗粒体中的空隙占整个粉体体积（也称表观体积）的百分比，也称容积率或容积分数，随颗粒的形状、粒度、粒度组成、表面粗糙度等因素而发生变化。空隙率的测定方法还有压汞法、气体吸附法等。2、粉体的基本性质2、粉体的基本性质 五五、粉体的流动性、粉体的流动性粉体的流动性(flowability)与粒子的形状、大小、表面状态、密度、空隙率等有关，加上颗粒之间的内摩擦力和粘附力等的复杂关系。1、休止角：休止角越小，说明摩擦力越小，流动性越好。2、流出速度：是将物料加入漏斗中，用全部物料流出所需的时间来描述。3、压缩度：将一定量的粉体轻

14、轻装入量筒后测量最初松体积，采用轻敲法使粉体处于最紧状态，测量最终的体积，计算最松密度0与最紧密度f。2、粉体的基本性质颗粒堆积状态与流动性之间的相关性示意图2、粉体的基本性质 六、粘附性与凝聚性六、粘附性与凝聚性 粘附性(adhesion)系指不同分子间产生的引力，如粉体的粒子与器壁间的粘附；凝聚性(cohesion)(或粘着性)系指同分子间产生的引力，如粒子与粒子间发生粘附而形成聚集体(random floc)。产生粘附性与凝聚性的主要原因是：在干燥状态下主要由范德华力与静电力发挥作用；在润湿状态下主要由粒子表面存在的水分形成液体桥或由于水分的蒸发而产生的固体桥发挥作用。在液体桥中溶解的溶

15、质干燥而析出结晶时形成固体桥，这正是吸湿性粉末容易固结的原因。七、粉体的压缩性质七、粉体的压缩性质粉体具有压缩成形性，片剂的制备过程就是将药物粉末或颗粒压缩成具有一定形状和大小的坚固聚集体的过程。 粉体的压缩过程中伴随着体积的缩小，固体颗粒被压缩成紧密的结合体，然而其体积变化较为复杂。2、粉体的基本性质八、粉体的其他性质八、粉体的其他性质电性能：因构成粉体颗粒的化学组成、内部结构、表面状态及其杂质含量等因素的差异，可将超细粉体分为导电粉体与非导电粉体两大类。热性能：各种导热性材料的导热机理是不同的。晶体的导热机理是排列整齐的晶粒的热振动，通常用声子的概念来描述。对于金属晶体，自由电子的运动对导

16、热起主要作用，声子所作的贡献大多情况下可以忽略不计。非晶体的导热机理是依靠无规律排列的分子或原子，围绕一固定的位置的热振动，将能量依次传给相邻的分子或原子。由于非晶体可看作晶粒极细的晶体，因此也可用声子的概念来分析其导热。表面能：颗粒最大的特点是具有大的比表面积和表面能。对于某一物质来说，粒度越小，比表面积越大，表面能就越高。2、粉体的基本性质3、基本加工方法粉体技术纵向包括超细粉碎、分级、混合、分散、纳米粉体制备、气固分离、液固分离、输送、仓储、特性检测等许多环节。粉体技术横向涉及到冶金、化工、建材、矿业、轻工、食品、医药、机械、农业等部门，几乎贯穿了国民经济的各个领域。本部分内容仅简单介绍

17、几种基本的粉碎方法：3、基本加工方法一、挤压粉碎：粉碎设备的工作部件对物料施加挤压作用，物料在压力作用下发生粉碎。挤压磨、颚式破碎机等均属此类粉碎设备。物料在两个工作面之间受到相对缓慢的压力而被破碎。因为挤压力作用较缓慢均匀，故物料粉碎过程较均匀。这种方法通常多用于物料的粗碎，当然，近年来发展的细鄂式破碎机也可将物料破碎至几毫米以下。另外，挤压磨出磨物料有时会呈片状粉料，故常作为细粉磨前的预粉碎设备。3、基本加工方法二、挤压二、挤压剪切粉碎剪切粉碎 同时受挤压剪切两种作用力而产生的粉碎。辊压磨、雷蒙磨及各种立式磨通常采用挤压剪切粉碎方式。3、基本加工方法三、冲击粉碎三、冲击粉碎 冲击粉碎包括高

18、速运动的粉碎体对被粉碎物料的冲击和高速运动的物料向固定壁或靶的冲击，以及运动物料的相互冲击。这种粉碎过程可在较短时间内发生多次冲击碰撞，每次冲击碰撞的粉碎时间是在瞬间完成的，所以粉碎体与被粉碎物料的动量交换非常迅速。3、基本加工方法四、研磨磨削粉碎四、研磨磨削粉碎研磨和磨削本质上均属剪切粉碎，包括研磨介质对物料的粉碎和物料相互之间的摩擦作用。振动磨、搅拌磨以及球磨机的细磨仓等都是以此为主要原理的。与施加强大粉碎力的挤压和冲击粉碎不同，研磨和磨削是靠研磨介质对物料颗粒表面的不断磨蚀而实现粉碎的。因此，研磨介质的物理性质、尺寸、形状及其填充率对粉磨效率具有重要影响。 3、基本加工方法五、粉碎模型五

19、、粉碎模型RosinRammler等认为，粉碎产物的粒度分布具有二成分性（严格地讲是多成分性），即合格的细粉和不合格的粗粉。根据这种双成分性，可以推论，颗粒的破坏与粉碎并非由一种破坏形式所致，而是由二种或二种以上破坏作用所共同构成的。Hting等人提出了3种粉碎模型。3、基本加工方法粉碎模型：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成分。冲击粉碎和挤压粉碎与此模型较为接近。表面粉碎模型：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，被磨削下微粉成分，这一破坏作用基本不涉及颗粒内部。这种情形是典型的研磨和磨削粉碎方

20、式。均一粉碎模型：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，直接粉碎成微粉成分。仅符合结合极其不紧密的颗粒集合体如药片等的特殊粉碎情形，一般情况下不考虑这一模型。3、基本加工方法六、超细粉碎与研磨设备六、超细粉碎与研磨设备基于上述粉碎方法与粉碎模型，目前常用的粉碎设备有：球磨机、振动磨、搅拌磨、气流粉碎机、雷蒙磨、辊压磨等等。为了得到适宜粒度的微细化粉体，分级设备是必不可少的环节。这里不在累述，通过参观实验室，掌握基本原理。 粉碎研磨仅仅是最简单的粉体加工技术。 随着粉体产品加工企业的增加，粉体原料的高利润时期已经过去。迫使大家降低加工成本，提高企业效益。从技术角度要简化流

21、程、降低消耗、提高产品质量，优化系统。 粉体原料的应用领域远没有拓展，有很多空白的领域需要去开发，如微细化、改性、表面包覆、整形等功能化，在相关领域的应用将形成新的技术创新点。4、工艺流程及优化针对工业矿物原料粉碎、研磨后产品应用领域的扩展，还需要进行深加工： 微细化与系统优化采用超细粉碎和分级的手段使矿石转化成具有需要的细度、粒度分布和颗粒形状的粉体；在满足产品性能的前提下，尽可能降低成本、提高生产效率。有机改性选取表面改性剂、偶联剂，提高产品性能，使产品具有较强的市场竞争力。 功能化将矿物粉体进一步包覆、整形使之发挥其原有性能或赋予新的功能（下一次内容专门讲下一次内容专门讲述述）。 4、工

22、艺流程及优化1 1、传统工艺设备的技术改造、传统工艺设备的技术改造 工业水平的整体提高导致微细粉体需求量的工业水平的整体提高导致微细粉体需求量的增加，经济体制的变革使矿物原料加工企业规模增加，经济体制的变革使矿物原料加工企业规模两极分化；出现需求与投资者能力的矛盾。两极分化；出现需求与投资者能力的矛盾。 工业结构的调整，增加了传统粉磨设备的社工业结构的调整，增加了传统粉磨设备的社会存量，新一代加工技术的成熟，为老设备改造会存量，新一代加工技术的成熟，为老设备改造挖潜提供光明的出路：雷蒙磨、球（管）磨机挖潜提供光明的出路：雷蒙磨、球（管）磨机4、工艺流程及优化 改造雷蒙磨生产高细度产品。根据不同

23、大小颗粒在离心力场中运动轨迹的不同，设计专用的离心式超细分级装置对传统雷蒙磨系统进行技术改造，以低的成本直接从块状矿石生产800目左右中等细度和200目普通细度的两种粉体材料。串联分级系统可以获得1000目以上的超细粉体。 传统球磨机技术改造。采用高细度研磨的衬板、篦板，调整转速率，发挥其产量大稳定性高的同时，提高研磨效率、减少铁污染。用于1250目以上超细粉体的生产。与雷蒙磨配合的 1.5直径球磨系统综合年产量15000万吨。4、工艺流程及优化雷蒙磨改造方案一：更换雷蒙磨分析器生产工艺17654321工业矿石气流走向物料走向雷蒙磨更换分析器流程图布袋除尘器系统风机旋风收集器改造雷蒙磨振动给料

24、机斗式提升机颚式破碎机图例2435764001000目微粉4001000目微粉4、工艺流程及优化更换雷蒙磨分析器生产线生产工艺生产工艺：通过更换原有雷蒙磨的分析器生产800目微细重钙应用厂家：应用厂家：溧阳明华公司等16家企业，30多台设备。 雷蒙磨改造方案二：雷蒙磨串联分级机生产工艺8001000目微粉1工业矿石23气流走向物料走向 雷蒙磨串联分级机流程图图例6878001000目微粉455分级机布袋除尘器系统风机旋风收集器8764321雷蒙磨振动给料机斗式提升机颚式破碎机4、工艺流程及优化雷蒙磨串联分级机生产线生产工艺生产工艺： 雷蒙磨与 分级机串 联生产两种档次的微粉 应用厂家：应用厂家

25、：江西上高蒙山林场等3家企业5台设备球磨机改造方案：球磨+超细分级生产工艺工业矿石球磨超细分级工艺流程图监控点1监控点2取样点18002500目微粉取样点2高细球磨机中间仓斗式提升机磨机出料螺旋皮带输送机锤式破碎机斗式提升机原料仓图例气流走向物料走向1102345678911121314171816152包装机成品仓超细分级机离心风机脉冲布袋收集器粗粉回料螺旋球磨机进料螺旋颚式破碎机1分级机进料螺旋成品输送螺旋43571098611121314151718164、工艺流程及优化球磨分级生产线 生产工艺生产工艺：大型球磨机与分级结合组成万吨级超细重钙生产线应用厂家：应用厂家：河北天旗塑胶有限公司

26、 发挥传统设备特点，实现优化组合 在中等硬度矿物（滑石、方解石类）的粉碎过程中，根据“介质的研磨作用促进大颗粒表面剥落粉碎、形成微细颗粒”的原理，将冲击滚压粉碎与介质研磨粉碎相结合，组成雷蒙磨球磨机最佳组合的粉磨系统。4、工艺流程及优化雷蒙磨+球磨+分级超细生产工艺8002500目微粉取样点2雷蒙磨球磨超细分级工艺流程图斗式提升机磨机出料螺旋高细球磨机球磨机进料螺旋7斗式提升机2雷蒙磨振动给料机原料仓54310中间仓98颚式破碎机16成品仓17超细分级机12粗粉回料螺旋离心风机脉冲布袋收集器15131418成品输送螺旋分级机进料螺旋11取样点1161110图例物料走向气流走向监控点19监控点2

27、18121314191516172021工业矿石8001000目微粉123456782019包装机21旋风收集器风机分级机球磨雷蒙分级生产线 生产工艺生产工艺：球磨机雷蒙磨与分级结合组成超细滑石生产线应用厂家：应用厂家：丹东微细目粉厂 无机矿物颗粒表面有机化处理有助于矿物粉体与聚合物的结合性提高。根据物料细度和应用特点的不同有三种工艺： （1）机械力化学法：实现磨内改性，实现一机多用； （2）干式改性：采用管式低速搅拌加热改性和高速转子打散改性的组合式流程，选用硬脂酸类改性剂，活化度95%以上；（3）湿式改性：采用强湍流分散装置，对于湿法加工或微米级超细粉体的改性，选用硅烷类或可溶性脂肪酸盐类

28、为改性剂用热水改性处理，活化度98%以上。 2. 实现矿物粉体填料表面有机改性实现矿物粉体填料表面有机改性4、工艺流程及优化干法改性：干法改性：系统生产工艺系统生产工艺组合式改性系统流程图普通粉活性产品7654321布袋除尘器旋风收集器高速打散机管式搅拌机螺旋给料机改性剂加药机料仓物料走向气流走向图例12345678 风机84、工艺流程及优化干法改性生产线生产工艺：生产工艺：卧式搅拌与三转子高速打散相结合用于超细滑石的改性应用厂家：应用厂家：张家港圆海正粉体设备有限公司等，表面活化度达95%以上湿法改性系统生产工艺 湿法改性系统流程图自来水物料改性剂12345676754321强力干燥机收集器

29、压滤机改性搅拌罐振筛机螺杆泵搅拌罐4、工艺流程及优化湿法改性生产线生产工艺：生产工艺：粉料与改性剂在水中充分混合后，在一定温度下实现改性。应用厂家：应用厂家：辽宁东方精细化工有限公司等，表面活化度达98%以上。 从从1978年年“粉体粉体”一词被粉体界前辈杨伦先一词被粉体界前辈杨伦先生首次收入生首次收入辞海辞海，到，到1980年代在教育领年代在教育领域的积极倡导，加上这一时期经济发展的需域的积极倡导，加上这一时期经济发展的需求，形成了求，形成了1990年代以工业原料超细粉碎、年代以工业原料超细粉碎、分级为代表的粉体加工热潮。分级为代表的粉体加工热潮。5、粉体技术发展的思考 粉体技术是典型的物料加工技术，随着中国加工业粉体技术是典型的物料加工技术，随着中国加工业的快速发展、大家越来越多地认识到粉体加工技术的快速发展、大