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颗粒的物理制备技术

来源:点击:3656发布时间:2015-09-21

颗粒的物理制备技术是利用机械粉碎、研磨、分级等技术将粗颗粒的工业原料制备至所需的粒度,它被广泛用于水泥、矿物、煤炭、造纸、陶瓷、农产品、肥料、药品、日用化工、涂料、颜料、固体颗粒废料回收等工业领域。

1、不同尺度颗粒的物理制备

(1)纳米颗粒(小于100 nm)的物理制备。目前用粉碎方法制备纳米颗粒材料的技术主要有三类:机械研磨、爆炸法和射流粉碎。机械研磨制备纳米颗粒是利用研磨介质长时间的研磨粉碎作用,制备纳米颗粒。所用的设备主要包括:搅拌磨、振动磨、行星磨等。该方法的主要特点是,时间长、能耗高,一般要加助磨剂或分散剂,磨介会对颗粒污染。但采用该方法,不仅可以制备单一的纳米颗粒,还可以通过原材料的复配,通过机械研磨的机械力化学效果,制备纳米复合颗粒材料,具有独特的优越性。爆炸法制备纳米颗粒是通过对预置裂纹的金属导线,加入瞬间的大电流,使金属材料瞬间加热气化,并在真空室中爆炸,获得纳米金属粒子;采用该方法可以制备金属纳米颗粒,装置比较简单,但制备得到的颗粒粒度分布较宽。射流粉碎是制备高纯纳米颗粒材料的另一种很有前途的技术,包括水射流粉碎和空气射流粉碎。目前,通过水射流粉碎可以制备生物纳米颗粒材料,只是水与颗粒材料的分离将增加生产成本。空气射流粉碎制备纳米颗粒材料,它没有水的问题,但是空气与纳米颗粒的分离和过滤技术仍然不能满足制备要求,还有很多技术难关需要攻克。

(2)0.1~1.0μm颗粒材料的物理制备。目前主要生产技术有机械研磨和水射流粉碎,相关设备有:搅拌磨、振动磨、行星磨、水射流粉碎机等。机械研磨具有高的效率和相对低的能耗,水射流粉碎机效率较低,能耗较高。

(3)1.0~10 μm颗粒材料的物理制备。目前该尺度的粉体材料需求量较大,相关制备设备也很多,主要有:搅拌磨、振动磨、行星磨、气流粉碎机等。机械研磨具有高的效率和低的生产成本,气流粉碎机具有高的纯度、窄的粒度分布和较高的能耗。

(4)10~40μm颗粒材料的粉碎制备。该尺度的粉体材料是目前市场上用得最多的,相关制造设备也最多,主要有:雷蒙磨、球磨机、冲击磨、搅拌磨、立磨、高压辊磨、振动磨、行星磨、气流粉碎机、水射流粉碎机等。雷蒙磨、球磨机、冲击磨、振动磨、立磨、高压辊磨等具有产量大、能耗低、生产成本低的优点,被广泛采用。

2、颗粒的分级

在颗粒物理制备过程中,有一个重要环节是确保粉体产品达到要求的粒度分布,这就是颗粒的分级(或称选粉)技术。同时,为了降低能量消耗和避免过磨,必须要在物料粉碎过程中有效地分离出微细颗粒或排除粗颗粒产品。一般地,研磨后的颗粒产品,其颗粒粒度分布一般可由后续的分级工艺来控制。

在实际应用中有很多粉体对颗粒的粒度分布也有严格的要求,比如磨料、复印粉、激光打印粉、钴酸锂粉、碳粉、标准测量粒子等,都要求粒度分布窄,而且都有严格的行业标准要求。因此,这些粉体的制备,给粉体制造设备提出了更高的要求。要获得窄的粒度分布,需要从二方面进行,一是要求控制好粉碎力,二是要选择合适的分级技术,一般,目前采用较多的是离心分级、射流(惯性)分级和重力分级等。离心分级和射流分级一般是在空气或水中进行,不同颗粒大小采用的分级技术参数是有很大差别的,这应该由专业人员进行选择;重力分级一般是在液体中进行,它对粗颗粒具有高的分级效率和锐度。目前,我国已经完全能够自主生产磨料、复印粉、激光打印粉、钴酸锂粉、碳粉、磁性材料等窄粒度分布要求的粉体,也能够通过合成制备满足粒度测量用的标准粒子。我国小型化的分级设备已经优于国外同类产品,不仅分级切割粒径可以达到0.5μm,d97可小于5μm,而且还可以较好地控制粒度分布。

近年来,国外在分级技术方面做了大量的工作,做的比较好的公司有日本细川公司、瑞典Alfa-Laval公司等,如利用空气分级机和离心分级机来分级微米级的工业粉体。瑞典Alfa-Laval公司的离心机,可有效获得90%小于2μm产品细度的填涂料,原料中小于2μm的颗粒经一次分级的回收率可达60%以上。德国Clausthal工业大学开发了一种新的逆流式离心分离机,这种离心分离机被用于分级石英和方解石,溢流产品回收小于2μm 的细颗粒为88%,其中小于1 μm的颗粒的回收率为65%。

3、颗粒形状控制

有一些粉体对颗粒形状有较高的要求,例如,做磨具用的磨料要求菱角尖锐,复印粉和阴极用碳粉颗粒要求是“土豆状”,球形则是对电子行业用硅微粉的要求。磨料的菱角尖锐是通过选择粉碎方法实现的,主要靠冲击粉碎;复印粉颗粒的“土豆状”一般是通过加热,使颗粒软化,再通过对软化颗粒的不断轻微的碰击,使其逐渐成为“土豆状”颗粒;阴极用天然石墨微粉,通过低速长时间的研磨,也可以获得近似的“土豆状”颗粒;球形硅微粉是由硅微粉重新再熔融获得的。目前,对于要求外形尖锐的磨料我国已经能够生产,但是“土豆状”的复印粉颗粒只有个别企业能够生产,该技术还有待进一步的产业化。另外,由于电子行业的大量需求,最近几年我国球形硅微粉已有很多大企业在进行产业化生产。

4、助磨技术

在降低粉碎能耗、提高生产效率方面,“多碎少磨”一直是本行业中的一种基本指导思路。除了传统的机械预碎处理外,现在出现了在粉碎的同时增加超声、或微波处理的辅助手段。细颗粒非常容易团聚,在粉碎细粉的同时,添加助磨剂或分散剂,可有效减少团聚、避免磨介粘裹,从而提高研磨效率和产品细度。因此,这些助磨技术对于改善颗粒制备过程中的效果和降低能耗方面起到了较为重要的作用。

对于在磨机中被磨的干粉物料,颗粒的团聚会引起流动性变差,粉体颗粒粘附在磨介和机体内衬上因缓冲作用会导致研磨效率降低。微波辅助产生的预粉碎有利于提高后续粉碎作业的能效和产品细度,这是由于被粉碎物料经微波加热使得其中因不同颗粒的热性能和热膨胀系数而沿着不同颗粒界面产生裂隙,从而降低被粉碎物料的强度,有利于提高产品细度、解离有用物质和节省粉碎能量。近年来,瑞典、加拿大、英国和南非许多学者进行了微波助磨技术的研究,智利Gaete-Garreton等借助于超声波装置采用高压辊磨进行颗粒粉碎研究,均取得了较好的效果。

5、数字化制造和模拟技术

数字化制造技术和工艺过程模拟技术是颗粒制备设备及工艺优化技术的发展方向。这些技术是提高物理法制备颗粒技术水平的有效途径之一,它们应用了信息技术、计算机技术以及控制技术的方法,并与设备设计制造、模拟实验、运行相结合,可达到优化功能、提高性能和节约制造成本等目的。上世纪80年代,国外学者开始关注颗粒制备制造数字化技术和工艺过程模拟技术,近些年来我国已有学者在这方面做了相应的研究工作,并取得了一定的研究成果。

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