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超细粉体加工的机械研发现状

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超细粉体加工的机械研发现状

发布日期:2015-09-16 11:01 来源:http://www。zbjianzhan。com 点击:

  细粉体是现代高技术的起点,是新材料的基础。超细粉体以其独特的性质,在现代工业中占有举足轻重的地位。对于超细粉体的粒度界限,目前尚无完全一致的说法。各国、各行业由于超细粉体的用途、制备方法和技术水平的差别,对超细粉体的粒度有不同的划分,例如日本将超细粉体的粒度定为0.1μm以下。最近国外有些学者将100μm~1μm的粒级划分为超细粉体,并根据所用设备不同,分为一级至三级超细粉体。对于矿物加工来说,我国学者通常将粒径小于10μm的粉体物料称为“超细粉体”。超细粉体的研究始于上世纪60年代,但较全面的研究则是从上世纪80年代开始。早在上世纪80年代初期,日本已将超细粉体的研究列为材料科学与工程领域的四大研究任务之一,并组织一批科学家对其性质、制备方法及应用等方面进行协作开发研究,美国、前苏联、法国、德国在超细粉体的应用方面也取得了较丰硕的成果。我国对超细粉体的研究虽然起步较晚, 上世纪80年代后期才开始比较系统的研制开发。


  1 超细粉体的特性与应用


  1。1 超细粉体的特性


  根据聚集状态的不同,物质可分为稳态、非稳态和亚稳态。通常块状物质是稳定的;粒度在2nm左右的颗粒是不稳定的,在高倍电镜下观察其结构是处于不停的变化;而粒度在微米级左右的粉末都处于亚稳态。超细粉体表面能的增加,使其性质发生一系列变化,产生超细粉体的“表面效应”;超细粉体单个粒子体积小,原子数少,其性质与含“无限”多个原子的块状物质不同,产生超细粉体的“体积效应”,这些效应引起了超细粉体的独特性质。目前,对超细粉体的特性还没有完全了解,已经比较清楚的特性可归纳为以下几点。


  (1)比表面积大。由于超细粉体的粒度较小,所以其比表面积相应增大,表面能也增加。如平均粒径为0.01~0.1μm的粉体,其比表面积一般可达10~70m2/g。比表面积大,使其具有较好的分散性和吸附性能。


  (2)活性好。随着粒度的变小,粒子的表面原子数成倍增加,使其具有较强的表面活性和催化性,可起补强作用,参与反应可明显加快反应速度,具有良好的化学反应性,超细 粉体的性质主要表现在表面性质上。


  (3)熔点低。许多研究表明,物质的粒径越小,其熔点就越低。如Au的熔点为1063℃,则粒径为2、5、14nm的Au粉,其熔点分别降至330、830、956℃;普通钨粉的烧结温度高达3000℃,掺入0 。1%~0。5%的超细钨粉后可降至1200~1300℃。


  (4)磁性强。超细粉体的体积比强磁性物质的磁畴还小,这种粒子即使不磁化也是一个永久磁体,具有较大的矫顽力。例如粒径0.3μm的γ--Fe2O3和CrO2超细粉的矫顽力达(4.0~5.6)×104A/m;而长0.3~0.7μm、宽0.05μm的纯铁粉的矫顽力为(8.0~11.9)×104A/m,具有这样高矫顽力的超细粉体是制造高密度记录磁带的优良原料。


  (5)  光吸收性和热导性好。大多数超细粉体在低温或超低温下几乎没有热阻,银粉在超低温下具有最佳的热传导性,这在超低温工程研究上具有重要的意义。超细粉体特别是超细金属粉体,当粒度小于100nm以后,大部分呈黑色,且粒度越细色越黑,这是光完全被金属粉体吸收的缘故。


  1。2 超细粉体的应用


  超细粉体的特性决定了它应用的广泛性。据统计,美国Dupont公司1985~1992年3000多种产品中有近62%是以超细粉体为基础,其化学工业40%的增值来源于超细粉体技术的进步,而我国在相关行业中以超细粉体为原料的还不到15%。工业矿物加工成超细粉体后,可产生高额的附加值,对矿物资源的深加工起到积极的推动作用。根据应用领域的需要可以将矿物加工成不同级别的超细粉体,拓宽应用渠道: 


  (1)化工、轻工行业。超细粉体可用作填料填充PP和PVC等塑料,降低原料成本,改善制品性能。将石墨加工成GRT节能减磨添加剂,可改善机械润滑性,节约汽车燃油,减少大修次数;超细高岭土作纸张填料,能提高纸的白度,提高产品档次;另外还可将许多超细粉体制成高效催化剂,应用于石油工业的催化裂化。目前还结合低温、冷冻及脆化技术,将橡胶、塑料和合成树脂等有机高分子材料加工成有机物超细粉体。相信随着油漆、化妆品、造纸、塑料、橡胶和陶瓷工业的发展,超细粉体在化工、轻工行业的应用会更加广泛、更有价值。


  (2)微电子工业。超细粉体在微电子行业中应用的典型代表有电子浆料(TiO2、BaTiO3、Cu)、磁记录材料(γ--Fe2O3)及电子陶瓷粉料(BaTiO3)。另外还有传感器(SnO2)和光、电波吸收材料及红外辐射材料。


  (3)医药、农药行业。将农药加工成超细粉体后,用量可降低20%以上,而农作物却增产20%左右,有的产品可取代进口;由于血液中的血球大于0.01μm,可制备<0.01μm的超微粒子,注入血管中进行有效的治疗或健康检查;将药物制成超细粉体(或微胶囊),不仅服用方便,而且可提高有效成分的利用率,降低药物消耗。  

  (4)食品工业。超细小麦粉可将其主要成分淀粉和蛋白质分开,再根据需要制成适合人们食用的食品原料;稻谷的超细粉可制得口感良好的全营养型食品;将天然花粉磨成<3μm的超细粉时,其破壳率达到99%,营养物质得以释放和充分利用,添加到食品中可制成高价值的保健食品;动物的头、皮壳制成超细粉,可以作为食品的有机钙添加剂。


  (5)材料工业。超细粉体在现代材料工业中的应用亦受到高度重视。为了加工需要和满足应用要求,现代工业材料对所用原料都有非常明确的要求。自70年代以来,超细粉体的应用已初具规模,尤其是日本、法国、德国和美国等国家对超细粉体的研究与应用水平越来越高,产量也不断增加。目前国外精细化工和新材料中以超细粉体作为基本原料的已占80%以上,瑞士达95%,粉末原料成本占产品成本的30%~60%。在某种程度上,超细粉体为这些国家在相关领域的研究处于世界领先水平奠定了良好的基础。研究表明,超细粉体在材料中的作用主要表现在:a。 减小表面缺陷,获得形态均一及平滑的表面;b。 超细粉体单晶强度更高; c。 减少磨损性,降低应力集中;d。 单位体积内的颗粒数增多,具有更均一的性能。


  §2.   超细粉体的制备


  2.1超细粉体化学合成方法。


  最常用的粉体制造方法是机械粉磨,但是任何一种粉磨机械都存在其相应的极限,即用该机械不可能生产出颗粒全部小于该极限的粉体。一般来讲机械粉磨的极限在0.5μm左右。用机械方法不能制造更细的粉体的原因主要有两点:(1)颗粒越小,其中包含的裂纹尺寸也越小,并且裂纹数量也减少,根据断裂力学理论,使这样的颗粒破坏的应力也越大,因此颗粒也越难被粉碎;(2)当粉料中颗粒小到一定程度,用机械方法很难将足够的能量或力量传递到每个细小的颗粒上使它们破坏。化学合成制造超细粉料主要是通过化学反应,按照化学反应的形态,可分为固相反应法、液相反应法和气相反应法。为了得到均匀而超细的生成物颗粒,需将成核与生长两个过程分开,先使成核速率尽可能大,生长速率尽可能接近零,以便尽可能多地同时形成核,然后使成核速率降至接近零而生长速率均匀增大,使核同时生长,从而得到大小一致的颗粒。由于物质守恒,成核量越大,最后均匀形成的颗粒就越小。在生长过程中还必须避免颗粒之间互相合并或烧结,以免形成大块固体。由于超细粉体的颗粒细小,具有极大的比表面,从热力学原理可知,这种粉体具有降低其比表面的趋向,即细小颗粒容易互相粘连合并,亦即容易形成团聚体。超细粉体中的颗粒一旦形成了团聚体,其超细的特点就会消失。因此用化学方法合成超细粉体时应该特别注意如何避免形成团聚体,如果团聚不可避免,则应设法控制团聚过程,以减轻团聚的程度或减小团聚体的强度,使其在其后的工艺处理中容易被破坏。由于用途不同,对各种超细粉体的物化性能技术要求各不相同,但是以下各点是在设计合成工艺时必须认真考虑的:(1)化学成分的精确性;(2)物相组成的正确性;(3)粒度和粒度分布;(4)颗粒形状;(5)颗粒间团聚程度。


  2.1.1固相反应


  2。1。1。1盐类分解


  通过热分解反应制造超细粉料应该选择在反应时有大量气体放出的分解反应,由于气体的生成和排出,防止生成物收缩互相合并,并且可在反应物母体上产生因巨大应变能使所生成的颗粒迅速于母体分离,防止颗粒的长大。热分解无机盐类(包括氢氧化合物)可得到氧化物粉料。


  2。1。1。2 高温固相反应


  此法分两步进行:首先根据所要制造的粉料的成分设计参加反应的物质的组成和用量,常用的反应物为氧化物、碳酸盐、氢氧化物。将反应物充分均匀混合,再压成坯体,于适当高温下煅烧合成,再将合成好的熟料块体用粉磨机械磨至所需粒度。该法常被用于制造成分复杂的电子陶瓷原料。由于最后需通过机械粉磨获得粉料,因此粉料不可能太细,利用高效搅拌磨可制得颗粒直径为1~0。5μm的粉料。这种方法的另一个缺点是机械粉磨容易引入杂质。


  2.1.1.3 还原反应


  制造非氧化物粉料常用此法。此法的关键是利用碳和金属铝在高温下的强还原能力,将氧化物、碳、硼化物、氮化物等混合进行反应。


  2.1.1.4 氧化反应


  通过瞬间放热的氧化反应,可将金属的硝酸盐转换成氧化物。由于放热速度极快,所生成的氧化物颗粒非常细小,而且反应产物非常疏松。金属硝酸盐在反应中起氧化剂的作用,相应的还原剂可选用酰胺类,如尿素、肼盐、草酸二肼(ODH)、四甲基三丫嗪(TFTA)等。将氧化剂与还原剂充分混合,置于500℃左右温度和大气压下几分钟内即可反应生成相应的氧化物。例如:将一定数量的硝酸铝、硝酸氧锆和尿素溶于水中,将所制溶液放入一大的容器中,放入电炉内500℃下加热,溶液先开始沸腾,接着盐类脱水并发生起泡、膨胀,然后发光燃烧喷出火焰,数分钟内反应完毕,生成t-ZrO2/Al2O3细小颗粒的疏松集合体,颗粒直径为0 .2~0 .5μm。


相关标签:超细氢氧化铝

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