粉体制备技术

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表2－1普氏硬度岩石分级表
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应该指出的是： 微裂缝理论：脆性断裂的主要理论基础。 1920年，Griffith认为材料的理论强度和实际强度 之所以有较大的差异主要是由于：实际材料中总是存在 许多细小的裂纹和缺限，在外力作用下，这些裂纹和缺 限附近产生应力集中现象。当应力达到一定程度时，裂 纹开始扩展而导致断裂。
气体蒸发法 活化氢熔融金属反应法 构 筑 法 溅射法 真空沉积法 加热蒸发法
制 备 方 法
混合等离子体法 沉 淀 法 共沉淀法 化合物沉淀法 喷雾干燥法 喷 雾 法 喷雾水解法 喷雾焙烧法 水解法
化 学 方 法
氧化还原法 冻结干燥法 激光合成法 火花放电法
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2.2 粉碎法制备超细粉体常用方法及设备分类
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超细粉体的的制备方法很多 ： 按产品粒径大小：微米粉体制备法、亚微米粉体制备法； 纳米粉体制备法。工艺条件控制不同----容易引起混乱。 按制备方法的性质：物理方法与化学方法。
（1）物理法又分为粉碎法和构筑法 粉碎法是借用各种外力，如机械力、流能力、化学能、声能、热能 等使现有的块状物料粉碎成超细粉体。由大至小（微米级）。 构筑法通过物质的物理状态变化来生成粉体。由小至大（纳米级） （2）化学法：包括溶液反应法（沉淀法）、水解法、气相反应法及喷 雾法等，其中，溶液反应法（沉淀法）、气相反应法及喷雾法目前在 工业上已大规模用来制备微米、亚微米及纳米材料。 目前，工业中用得最多的是通过粉碎法，应用最多的粉体是通过粉 碎法、化学法产生的微米级和亚微米级粉体，纳米粉体的生产及使用 量相对较少。
转子在电机带动下绕主轴高速旋转，产生较大的离心力场，在 粉碎腔内中心形成一很强的负压区，借助负压被粉碎物料从转子 和定子中心吸入，在离心力作用下，物料由中心向四周扩散，在 向四周的扩散过程中，物料首先受到内圈转齿及定齿的撞击、剪 切、摩擦、以及物料与物料之间的相互碰撞和摩擦作用而被粉碎 。随着转齿的线速度由内圈向外圈逐步提高，物料在向外圈的运 动过程中受到越来越强烈的冲击、剪切、摩擦、碰撞等作用而被 粉碎的越来越细。最后在外圈与撞击环的冲击与冲击作用下得到 进一步粉碎而被超细粉碎。
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2.3 粉碎法制备超细粉体的理论综述
采用机械法制备超细粉体的理论基础是：在给定的应力 条件下，研究颗粒的断裂、颗粒的破碎状态、颗粒的碰撞 以及新增表面积的特性等问题。 颗粒的断裂学是材料科学的一个分支，它研究了材料 变形的力学性能、脆性断裂与强度以及材料的热学、光学 、电导、介质、压电和磁学等性能。 物料的物理机械性质对破碎有直接影响，它对破碎机 的选择起决定因素。 物料的机械性质主要是指物料的机械强度。破碎时 遇到的阻力主要是指物料的机械强度所引起的。机械强度 大的物料破碎时需要的力也大，反之亦然
粉碎法是超细粉体中最常用的方法之一，在金属、非 金属、有机、无机、药材、食品、日化、农药、化工 、电子、军工、航空及航天等行业广泛应用。 常用的：辊压式、辊碾式、高速旋转式、球磨式、 介质搅拌式、气流式粉碎机；
新近开发的：液流式、射流粉碎机、超低温、超临 界、超声粉碎机等。 介绍：各种具体粉碎方式及设备的粉碎原理、功能 、特性、结构及适应范围。
图2-6
三辊光面细碎机结构示意图
1-低速辊；2-中速辊；3-高速辊；4-卸料刮刀；
5-产品出料；6-原料出料
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图2-7
两辊面都为刀刃形的结构示意图
图2-8
一辊为齿面，另一辊为光滑形结构示意图
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二、辊碾法
常见的辊碾设备有：雷蒙磨、胶体磨、离心辊式磨、棒磨机、 超级混合磨、Szego及新近开发的Micros。
对于延性材料，在断裂前要发生塑性形变，由于要 消耗大量的能量，Orowan在Griffith的理论基础上，引 入延性材料的塑性功来描述延性材料的断裂。9来自图2-4破碎与磨碎方式
抗压强度、抗剪强度、抗弯强度、抗拉强度
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在实际的生产中， 如何预测最终产品的粒径大小，一直是关 心的问题。 颗粒的破碎与能耗的三种学说在一定程度上能反映粉碎后的粒 径的大小情况： 1 、面积学说（ Rittinger ）：物料破碎时，外力做的功用于产 生新表面积，即破碎的功耗 ，与新生表面积 成正比 A1 S ，若 A1 比例系数为K，则 。K1S
（一）原理
将单根或多根研棒或环等装入磨腔内，借助某种特殊力使 磨腔内的棒或环作旋转运动，棒与棒之间或环与环之间以及它 们与磨腔内壁之间产生的碰撞、挤压、研磨、剪切等作用，使 它们之间的物料被破碎。
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图2-9 一种典型的辊碾磨结构示意图 （a）辊碾管及辊碾棒居中；（b）辊碾管及辊碾棒处于工作碾压状态。 1-辊碾磨缸体内壁；2-粉碎腔；3-辊碾管；4-旋转轴；5-辊碾棒。
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（一）Micros超细粉碎机 辊碾粉碎设备种类很多，如棒磨机、雷蒙磨、胶体磨及超级 混合磨等大多将粒径为几毫料至几十毫米的大颗粒物料粉碎至 0.1-0.04mm（即100-325网目）。 Micros（日本奈良株式会社）被认为是辊辗磨中较先进的机 型， Micros粉碎机主要用于湿式粉碎。超细粉碎前，先将物料粉 碎到一定的细度（325网目以上），然后将细粉碎与水配制成均匀 浆料，再用砂泵将这些浆料送入研磨钢体内。采用湿法粉碎可使 物料粉碎到2微米以下，甚至0.5微米以下。
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静载下测定的物料强度指标有：抗压强度、抗拉强度 、抗剪强度和抗弯强度（其它强度影响较小），它们常 用来表示物料抗破碎的阻力。一般以抗压强度最大，抗 剪强度次之，抗弯强度较小，抗拉强度最小。
有时用抗压强度极限R（以MPa为单位）的十分之一衡 量物料的抗破碎阻力，即。
R f 10
称为普氏硬度系数。依此可将矿石分为10级，f值的 范围0.3—20。
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影响因素主要有：
（1 ）辊筒直径（一般为 160-400mm ）：直径增大，产品粒度变 细，粉碎比增大；产量增加。原因：受挤压和摩擦剪切力的作用 时间增长； （2）线速度及速度之差； （3）辊筒表面的形状光滑程度及两辊表面间缝隙的影响； （4）辊筒个数的影响； （5）被粉碎物料性质的影响。
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日本多采用刚玉、氧化锆或超硬高耐磨合金来制造研磨环和缸体 内衬。
特点：在传统的辊辗磨中，由于管或棒太长，很难使管或棒 的表面之间以及与磨腔内壁之间形成均匀紧密接触进而碾磨物料 。为此，用短环状（短棒状）研磨介质代替长管或长棒。
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图2-10 Micros超细粉碎机结构原理示意图 （a）内部运动图；（b）粉碎磨腔内研磨环动作图。 1-自旋转环；2-辅轴；3-轴套；4-离心力；5-浆料；6-研磨环；7-容器内衬；8-公转装置；9-粉碎筒 体；10-夹套。
（3）主要靠挤压而压碎。同时，两辊转速存在差异，物料受到强烈
的摩擦剪切力而被粉碎。
可获得小于10微米的产品。但很难获得亚微米级产品。
辊筒常用两种：带夹套和不带夹带。带夹套的目的是：可向夹 套内注入冷却水及时冷却辊套表面，防止粉碎过程中由于物料 剧裂摩擦而升温的现象，也可向夹套内通入蒸汽或热水加热辊 面和物料。
大都采用干式破碎，其粉碎 物料粒径可达2μm
离心式碰撞粉碎机
轴流粉碎机 筛分磨 离心分级磨 内部无动件球 磨法制备 普通卧式球磨机 振动球磨 5μm 是一种可用于超细领域的重要机型 粉碎时间短，产品粒度细，循环粉 碎可达亚微米粒级；粉碎、分散及 混合等三个过程可同时进行。
离心球磨
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搅拌磨
直立式搅拌粉碎机
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三、高速旋转撞机式粉碎机
主要是利用高速旋转的部件产生的强冲击力、剪切力摩擦而使物料 被粉碎。
高速旋转粉碎机由于结构及作用力的方式不同又分为：销棒粉碎机 （针状磨）、摆式粉碎机、轴流式粉碎机（笼式磨）、筛分磨、离 心分级磨等。 （一）销棒粉碎机（针状磨）
转子、定子和 腔壁撞击环
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在转子和定子上分别布置一定圈数的撞击齿。
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破碎方法 辊压法
常用设备 双辊光面、三辊光面和 双辊槽面 棒磨机、雷蒙磨、超级 混合磨
应用领域 油漆、涂料、 油墨、军工
粒度 10μm以下的产品，很难获 得亚微米级产品。 0.1-0.04mm
备注
辊碾法
属于古老设备
Micros超细粉碎机 （日本）；
Szego辊碾磨 （加拿大） 销棒粉碎机 （针状） 高速旋转撞击 式粉碎机 摆锤式粉碎机 化学、药品、 材料、矿业、 冶金、食品
液流粉碎法 高压膨张法
流化床对撞式气流粉 碎机 对撞式液流粉碎机
李书：P97 李书：P101
超声
低温粉碎方 法 蒸发冷凝法
李书：P105
李书：P106 电阻加热法 等离子体喷雾加热法 高频感应加热法 电子束加热法 激光束加热法 等离子体、电子束、激光、高频 感应
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一、辊压粉碎机 （一）原理 应用行业：油墨工业、涂料工业、油漆工业采用辊压 法可使其中的填料粉碎到5微米以下。
缸体内主轴旋转---通过梅花架辅轴绕主轴公转----辅轴上的研磨环 既随主轴进行公转，又围绕各自的辅轴作自转。研磨环公转和自转 的过程中，研磨环产生强大的离心力，研磨缸体内壁之间发生强烈 23 的辊碾作用。
（二）Szego粉碎机：由加拿大开发的。是一种典型的离心辊碾磨。
图2-11 Szego粉碎机结构原理示意图 1-被粉碎物料；2-螺旋槽碾磨辊；3-固定圆筒；4-立轴；5-进料口； 6-辊子轴；7-辊子；8-出料口；9-辊子轴承
dA 1 k1ds
2、体积学说（Kick） 破碎的体积学说认为；破碎时，外力对物料做的功用于使物料 发生变形，变形达到极限时物料即破碎。而物料蓄有的变形能与 体积成正比，故认为破碎机的功耗与物体的体积变形成正比。
A2 K 2 V
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3、裂缝学说(Bond)
榜德认为：破碎物料时，外力所做的功先是使物体变形，当变形超 过限度后即生成裂缝，裂缝形成以后，储存在物体内的变形能促使 裂缝扩展并生成断面。输入功的有用部分转化为新生表面上的表面 能，其它部分成为热损失。因此，破碎所需的功，应考虑变形能和 表面能两项，变形能和体积成正比，表面能与表面积成正比。 评述：面积学说只注意了新生表面积所需要能量，而忽视了物料破 碎前先出现变形和实际中物料又是非均质的。体积学说只考虑了破 碎时的变形能，没有考虑到新生表面积的增加。裂缝学说是介于面 积学说与体积学说之间，但没有充足的理论根据。 根据试验研究证实：(1)粗碎时新生表面积不多，以体积学说为准确 ，裂缝学说结果不可靠；（2）而细碎时（10微米以下），新生表 面积增多，表面能是主要的，以面积学说较为准确；（ 3）在粗碎 与细碎之间的广泛范围内，裂缝学说又比较适用。
1μm以下
新颖
较Micros超细粉碎机粗（湿 法5μm） 10μm
新颖
结构简单，占地面积小，操作方便 ，生产能力大，能耗低，生产成本 低，易拆卸保养。 结构简单、超细程度高，粉碎物料 范围广等优点。 能耗少、结构简单，价格便宜，用 于对化学药品、香料、合成树脂、 制造原料、饲料、食品、植物等进 行粉碎。
图2- 5 辊压粉碎机工作原理示意图 1-固定辊筒；2-固定滚动轴承；3-滚动夹套；4-粉碎前物料 ；5-移动辊筒；6-止推螺杆（或液压制推系统）；7-机架； 8-滚动轴承；9-粉碎后物料。
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其特点是：
（1）辊筒表面要求非常平整光滑;
（2）两辊筒间的平行度很高。部件装配非常精密，两辊筒间的 缝隙极小。
第二部分：超细粉体的制备技术
2.1 超细粉体制备方法及分类 超细粉体制备技术及设备的研究主要从两个方面进行： （1）研究新的机械设备及相关技术； （2）研究通过化学或物理化学相结合的技术来制备超细粉体。 采用机械法可以将物料粉碎到到微米、亚微米级，气流粉碎的 极限是微米级，湿法研磨的极限可到亚微米级；然而一般情况下 很难获得纳米级粉体。
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工业上对超细粉体制备方法提出了一系列严格要求，归纳起来 有以下几点方法： （1）产品粒度细，而且产品的粒度分布范围要窄； （2）产品纯度高，无污染；
（3）能耗低，产量高，产出率高，生产成本低；
（4）工艺简单连续，自动化程度高； （5）生产安全可靠。
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粉 碎 法 物 理 方 法
干式粉碎 湿式粉碎
卧式搅拌粉碎机 卧式搅拌球磨机
P79
卧式搅拌粉碎机的应用范围很广，与 直立式搅拌粉碎机一样，广泛应用于 化工、材料、涂料、油漆、染料、造 纸、轻工等领域。
气流粉碎法
圆盘式气流粉碎机
JPM系列循环气流粉 碎机 靶式气流磨
超音速冲击板式气流 粉碎机 冲击环式气流粉碎机 对撞式气流粉碎机
工业应用受到限限制