超微细粉体与复合化技术之一(粉体与粉体加工技术).

超微细粉体与复合化技术之一:粉体与粉体加工技术清华大学材料系:盖国胜2007年9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，粒子是粉体运动的最小单元。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。粉体颗粒的量变将导致粉体特性的突变，给粉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，都会严重影响粒子间的相互作用力，使粉体整体的性质发生变化。粉体作为固体材料的特殊形式广泛存在于自然界、工业生产与人们日常生活中。只要用心观察，涉及到粉状物料加工的工艺遍及国民经济的各个领域。10-1510-1210-910-610-31m103106109电子分子乳胶球沙子石块月亮太阳世间的所有物质都是粉体颗粒！•一个100nm颗粒与足球相比,等于足球与月亮之比太阳可容1054个纳米颗粒：离Googol（10100）还差得很远呢！1、粉体的基本概念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（二）平均粒度超微细粉体制备的生产实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（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）表示，单位为微米（μm）或纳米（nm）。2、粉体的基本性质一、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、粉体的基本性质一、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、颗粒形状与形状系数2、粉体的基本性质二、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(degreeofsphericility)亦称真球度，表示粒子接近球体的程度。2．圆形度(degreeofcircularity)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）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＝φvDp3φv称为颗粒的体积形状系数。对于球形颗粒，φv＝π/6；对于立方体颗粒，φv＝1。2、粉体的基本性质2、表面积形状系数：S＝φsDp2φs称为颗粒的表面积形状系数。对于球形颗粒，φs＝π；对于立方体颗粒，φs＝6。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φ表示：φ＝φs／φv对于球形颗粒和立方体颗粒，φ＝6。2、粉体的基本性质三、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粉体的密度系指单位体积粉体的质量。1．真密度(truedensity)ρt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。2、粉体的基本性质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、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ρ0与最紧密度ρf。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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(randomfloc)。产生粘附性与凝聚性的主要原因是：①在干燥状态下主要由范德华力与静电力发挥作用；②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—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、冲击粉碎冲击粉碎包括高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Rosin－Rammler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。Hüting等人提出了3种粉碎模型。3、基本加工方法粉碎模型：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