文章编号:1008-7524(2005)03-0034-03超细粉体材料的制备技术现状及应用形势*房永广1,梁志诚2,彭会清3(1.江西理工大学环建学院,江西赣州341000;2.化工部连云港设计研究院,江苏连云港222004;3.武汉理工大学资环学院,湖北武汉430070)摘要:综述了国内超细粉体材料的制备工艺、设备现状及进展,并介绍了超细粉体材料在电子信息、医药、农药、模具、军事、化工等方面的应用。
关键词:超细粉体;制备;综述中图分类号:TD921+.4文献标识码:A0引言从上世纪50年代日本首先进行超细材料的研究以后,到上世纪80~90年代世界各国都投入了大量的人力、物力进行研究。
我国早在上世纪60年代就对非金属矿物超细粉体技术、装备进行了研究,对于超细粉体材料的系统的研究则开始于上世纪80年代后期。
超细粉体从广义上讲是从微米级到纳米级的一系列超细材料,在狭义上讲是从微米级、亚微米级到100纳米以上的一系列超细材料。
材料被破碎成超细粉体后由于粒度细、分布窄、质量均匀,因而具有比表面积大、表面活性高、化学反应速度快、溶解速度快、烧结体强度大以及独特的电性、磁性、光学性等,因而广泛应用于电子信息、医药、农药、军事、化工、轻工、环保、模具等领域。
可以预见超细粉体材料将是21世纪重要的基础材料。
1超细粉体的制备设备超细粉体的制备方法有很多,但从其制备的原理上分主要有两种:一种是化学合成法,一种是物理粉碎法。
化学合成法是通过化学反应或物相转换,由离子、原子、分子经过晶核形成和晶体长大而制备得到粉体,由于生产工艺复杂、成本高、而产量却不高,所以化学合成法在制备超细粉体方面应用不广。
物理粉碎法是通过机械力的作用,使物料粉碎。
物理粉碎法相对于化学合成法,成本较低,工艺相对简单,产量大。
因此,目前制备超细粉体材料的主要方法为物理粉碎法。
常用的超细粉碎设备有气流粉碎机、机械冲击粉碎机、振动磨、搅拌磨、胶体磨以及球磨机等。
1.1气流粉碎机自从1892年美国人戈麦斯第一次提出挡板式气流粉碎机的模型并申请专利以来,经过百余年的发展,目前气流磨已经发展成熟,成为国内外用于超细粉体加工的主要设备。
我国研制气流粉碎机开始于上世纪80年代初。
目前气流粉碎机可分为圆盘式、对喷式、靶式、循环式、流化床式等。
气流粉碎机又称流能磨或喷射磨,由高压气体通过喷射嘴产生的喷射气流产生的巨大动能,使颗粒相互碰撞、冲击、摩擦、剪切而实现超细粉碎。
粉碎出的产品粒度细,且分布较集中;颗粒表面光滑,形状完整;纯度高,活性大,分散性好。
目前超细粉碎机有很多的机型,其中流化床式气流粉碎机是其效率最高的。
其工作原理为物料进入粉碎室,超音速喷射流在下部形成向心逆喷射流场,在压差作用下,使磨底物料流态化,被加速的物料在多喷嘴的交汇点汇合,产生剧烈的冲击碰撞,摩擦而粉碎,被粉碎的细粉随气流一起运动至上部的涡轮分级机处,在离心力作用下,将符合细度要求的微粉排出。
其优点是粉碎效率高,能耗#34#*收稿日期:2004-09-24低,磨损极小,可用于高硬度物料的粉碎,产品粒度窄等。
1.2机械冲击式粉碎机冲击式粉碎机已经有很长的历史了,其利用围绕水平或垂直柱高速旋转的回转体,对物料进行强烈的冲击,使之于固定体或颗粒间冲击碰撞,以较强大的力量使颗粒粉碎。
冲击式粉碎机可分为涡轮式、气流涡旋式、内分级式粉碎机等。
市场上还有与一般粉碎机不同的高速涡流粉碎机,它不只是利用冲击力和剪断力等单纯粉碎力进行粉碎,还利用叶片背面产生的无数超声波涡流,以及由此产生的高频压力的振动作用将物料粉碎,在一定条件下粘性和弹性物料也能被粉碎。
在粉碎作业中原料的温度上升很少,因而对热敏性物质也可进行粉碎。
主要的有力马化机生产的JF400高速涡流粉碎机,江阴市奔达药化机械设备厂WLFJ-400型高速涡流粉碎机等。
1.3行星式球磨机行星式球磨机是利用机械力化学生产超细粉体材料的机械,机械力化学是固体材料在机械力作用下,使固体形态、晶体结构等发生变化,并诱导物理化学变化的科学。
行星式球磨机优点是充分利用机械力化学的作用在进行超细粉碎的同时进行表面改性。
通过球磨机中磨球之间及磨球与缸体间相互滚撞作用,使接触钢球的粉体粒子被撞碎或磨碎,同时使混合物在球的空隙内受到高度湍动混合作用而被均匀地分散并相互包覆,从而使得表面活性减少,团聚性降低,进而促使粉碎继续深入进行下去。
其工作原理是在一转盘上装有4个球磨罐,当转盘转动时,球磨罐在绕转盘轴公转的同时又绕自身轴作行星式的反向自转运动,罐中磨球和材料在高速运动中相互碰撞、摩擦,达到粉碎、研磨、混和与分散样品的目的,可以干磨、湿磨、真空磨,研磨产品最小粒度可至0.1 L m。
目前国内具有代表性的生产高能球磨机的厂家有南京南大天尊电子有限公司、咸阳金宏通用机械有限公司和天津市华联矿山仪器厂以及Spex公司8000M-230型行星式球磨机。
1.4搅拌磨搅拌磨又称砂磨机,是20世纪60年代开始用于超细粉碎中的设备,可分为盘式、棒式、环式和螺旋式;按工作方式分间歇式、连续式和循环式。
主要由一个静止的内填小直径研磨介质研磨筒和一个旋转搅拌器构成,研磨作用是通过搅拌器把动力直接施加于研磨介质上而实现的。
由于此种机型在制备超细粉体材料中很少见,本文在此不多提。
2超细粉体材料的应用超细粉体不仅本身是一种功能材料,而且为新的功能材料的复合与开发展现了广阔的应用前景。
超细粉体由于粒度细、分布窄、质量均匀,因而具有比表面积大、表面活性高、化学反应速度快、溶解速度快、烧结体强度大以及独特的电性、磁性、光学性等,因而广泛应用于许多技术领域。
2.1超细材料在电子信息行业中的应用超细粉体材料由于比表面积巨大,表面活性高,表面原子对外界环境作用强,是理想的敏感器件基础材料。
超细粉体的磁性应用主要体现在磁记录材料的研制方面。
超细针状的C-Fe2O3具有尺寸小、单磁畴、矫顽力强等特性,用此种C-Fe2O3材料开发的录音带、录像带等磁记录产品具有稳定性好、图像清晰、信噪比高、失真小等优点。
电子陶瓷粉料是以高纯超细钛酸钡粉体为主要成分的具有半导体功能的陶瓷原料,另含有多种微量元素,主要用于电子陶瓷粉料介质陶瓷等的制造。
在彩电彩显消磁器、程控电话机、节能灯、加热器等领域有着广泛的应用,在大规模集成电路方面也有广泛的应用。
2.2超细材料在医药、农药行业中的应用对中药材进行超细粉碎加工,不仅具有加工无污染、保持物质原有化学性质、粉体造型好等特点,并可使中药材料具有独特的小尺寸效应、表面或界面效应等,从而使其表现出许多优异的性能。
当药物粉碎到10L m至1L m时药物就会出现定量准确、易吸收、特异性、靶向性等新的优点。
能更加充分地发挥药物的作用,提高药效,减轻患者的经济负担。
#35#农药原料经过超细粉碎后可将传统粉碎工艺得到的150~200目粒径粉末(75L m以上)碎至5 ~10L m以下,其均匀性、分散性,给药接触面积显著增大。
因此杀菌、杀虫及除草效果明显增强,大大减少农药的使用量。
并且超微粉体比表面积大、吸附能力强、耐雨水冲刷,从而保持农药的长效。
相应地超微粉体因表面活性强在农副产品和环境中分解的速率加快,因此农药残留量下降,减少了污染。
2.3超细材料在模具制造、军事行业中的应用在模具制造生产中,颗粒越细,比表面积越大越易于成型和烧结。
现在M IM工艺所用的粉末颗粒一般在0.5~20L m,既能加速烧结收缩,有助于提高材料的力学性能,延长材料的疲劳寿命,又能改善耐、抗应力腐蚀及磁性能。
并且利用模具通过烧结可快速制造高密度、高精度、三位复杂形状的机械零件,能够快速准确地将设计思想物化为具有一定结构、功能特性的制品,并可直接批量生产出零件,是制造技术行业一次新的变革。
与传统工艺相比,具有精度高、组织均匀、性能优异、生产成本低等特点,被形象地称为/21世纪的成型技术0。
在军事工业中超细粉体由于表面积增大,活性增强,各种反应易于进行,而且反应充分,因此采用超细燃料,加入火箭推进剂中,可以大大提高推进剂的燃烧速率,改善药体的力学性能,从而提高火箭发动机的命中精度和威力,对实现国防现代化极为重要。
2.4超细材料在轻工、化工行业中的应用超细粉体的熔点比块状金属低得多,熔点和烧结温度随粒径变小而明显降低,在陶瓷行业中利用超细材料优异的表面活性和低温烧结性能可以极大地提高传统陶瓷产品的质量,同时也改善环境和降低物耗。
在机械加工行业中不仅可以减少材料的加工成本,而且材料易于加工。
随着化学工业的发展,原料来源广、价格相对便宜、加工制造技术较为成熟的超细非金属矿物材料在化工行业的应用越来越占重要地位。
比如采用湿化学法制造超细高纯Al2O3粉体,因其具有机械强度高、硬度大、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能,已被广泛应用于化工行业的各个生产环节中。
3发展方向a.在技术发展和市场需求的刺激下,多品种和高活性的超细粉体的生产将具有广阔的市场前景。
超细粉体在能源、环境、医疗、卫生及人民生活的各个方面的应用将越来越广泛。
因此今后应当着重发展具有高活性、高选择性、表面性能不同的超细粉体新材料。
b.目前我国超细粉体材料制造业发展较快,但设备品种不多,而且,许多品种都是仿造派生的,自主研发不够,所以要加大新理论的研究、新工艺的开发和新设备的研制工作。
c.用机械方式制取超细粉体所依赖的超细粉碎与分级技术的难度不断增加,开发与超细粉碎设备相配套的精细分级设备及其他配套设备,可以提高生产效率,降低能耗,保证合格产品粒度。
d.开发多功能超细粉碎和表面改性设备,在进行超细粉碎的同时进行表面改性。
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