第二章纳米粒子的制备方法
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(C)其他：物料种类、机械应力施加方式、粉碎方法、 粉碎工艺条件、粉碎环境等因素。
6、几种典型的纳米粉碎技术
（1）球磨 原理：利用介质和物料之间的相互研磨和冲击使
物料粒子粉碎。 介质：各种磨球。 转速：可调。 类型：多样。行星式、滚筒式等。 效果：经几百小时的球磨，可使小于1μ m的粒
子达到20%。采用涡轮式粉碎的高速旋转磨 机，也可以比较方便地进行连续生产，其临界 粒径为3μ m。
特点：产品粒度微细，粒度分布窄、粒子表面光滑、形 状规则、纯度高、活性大、分散性好。
应用：在陶瓷、磁性材料、医药、化工颜料等领域有 广阔的应用前景。
（3）搅拌磨
构成：由一个静止的研磨筒和一个旋转搅拌器构成。
分类：根据其结构和研磨方式可分为：间歇式、循环式 和连续式三种类型。
介质：在搅拌磨中，一般使用球形研磨介质，其平均直 径小于6mm。用于纳米粉碎时，一般小于3mm。
（4）胶体磨
原理：利用一对固体磨子和高速旋转磨体的相对运 动所产生的强大剪切、摩擦、冲击等作用力来粉碎或 分散物料粒子的。被处理的浆料通过两磨体之间的微 小间隙，被有效地粉碎、分散、乳化、微粒化。在短 时间内，经处理的产品粒径可达1μ m。
5、纳米机械粉碎的极限问题 （1）定义：粉碎到一定程度后，尽管继续施加
机械应力，粉体物料的粒度不再继续减小或减 小的速率相当缓慢，这就是物料的粉碎极限。
在纳米粉碎中，随着d↓，被粉碎物料的结晶均 匀性↑，粒子强度(σ )↑，断裂能(σ s)↑，粉 碎所需的机械应力也大大增加↑。因而粒子度 越细，粉碎的难度就越大。
粉碎作用力的类型主要看图2.1所示几种。 工业上采用的粉碎设备，虽然技术设备不同，但粉碎机
制大同小异。一般粉碎作用力都是这几种力的组合。
举例： 球磨机和振动磨是磨碎与冲击粉碎的组合； 雷蒙磨是压碎、剪碎与磨碎的组合； 气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合，等等。
3、受到粉碎作用力后粒子的变化
机械化学：因机械载荷作用导致粒子晶体结构和 物理化学性质的变化。
变化情况：物质结构及表面物理化学性质 表面积发生变化→温度升高→表面能变化。
结果：粒子中相邻原子键断裂之前牢固约束的键 力在粉碎后形成的新表面上很自然地被激活， 表面能的增大和机械激活作用将导致以下几种 变化：
(1)粒子结构变化。
如:表面结构自发地重组，形成非晶态结构或 重结晶；
(2)粒子表面物理化学性质变化。
（2）振动磨 原理：利用研磨介质在一定振幅振动的筒体内对物料进
行冲击、摩擦、剪切等作用而使物料粉碎。与球磨机 不同，振动磨是通过介质与物料一起振动将物料进行 粉碎的。 分类：
按振动方式不同：惯性式和偏旋式；
按筒体数目不同：单筒式和多筒式；
按操作方式不同：间歇式和连续式。
效果：选择适当研磨介质，振动磨可用于各种硬度物 料的纳米粉碎，相应产品的平均粒径可达1μ m以下。
第二章 纳米粒子的制备方法
2．1 纳米粒子制备方法评述 2．2 制备纳米粒子的物理方法
2．1 纳米粒子制备方法评述
一、对纳米微粒的基本要求 (1)粒度小。(缺陷尺寸小，性能优异；表面活性大，扩
Biblioteka Baidu散路程短，易于烧结。) (2)颗粒形貌好。一般希望球形或等轴多边形；粒度分
布范围窄。 (3)纯度高：降低有害杂质的含量。 (4)粉料晶型：根据陶瓷性能要求确定。 (5)无明显团聚。 软团聚：颗粒间范德华(Van der Vaals)力和库仑力所
3、按制备技术分类
（1）机械粉碎法 （2）气体蒸发法 （3）溶液法 （4）激光合成法 （5）等离子体合成法 （6）射线辐照合成法 （7）溶胶-凝胶法 分类方法不同，研究问题侧重点也不同。
本教材:着重针对纳米粒子生成机理与制备过程 非常粗略地将制备方法分成物理方法、化学方 法和物理化学方法。
2．2 制备纳米粒子的物理方法
（2）理论极限：固体粉碎的最小粒径可达0.01～ 0.05μ m。
(A)磨球直径：日本学者神保在研究球磨机粉碎时，认 为若减小粉磨介质球径，可提高粉料细度。
如:采用1mm直径的介质球可以产生1～2μ m之间的超 微粒子。
(B)粉碎方式：奥田的实验研究结果表明，采用表面粉 碎方式，通过往复摩擦粉碎石灰石，可制得最大粒径 小于0.6μ m的纳米粒子。而采用回转磨擦粉碎，可 制备粒度为0.2～lμ m的Al2O3超微粒子。
致。一般成型压力作用下能破坏其团聚。
硬团聚：除范德华力和库仑力，还有化学键合作用，团 聚强度大。
二、纳米微粒的制备方法简介
对于纳米粒子的制备方法，目前尚无确切的科 学分类标准，按照不同的分类标准可分为不同 的方法。 1、按物质的原始状态分类 （1）固相法 （2）液相法 （3）气相法 2、按制备纳米粒子的原理分类 （1）物理方法 （2）化学方法 （3）物理化学方法
如:表面电性、物理与化学吸附、溶解性、分 散与团聚性质；
(3) 物料中粒子的化学组成变化。
在局部受反复应力作用区域产生化学反应，如 由一种物质转变为另一种物质释放出气体、外 来离子进入晶体结构中。
4、纳米粉体生产的安全性
对于易燃、易爆物料，其粉碎生产过程中还会 伴随有燃烧、爆炸的可能性，这是纳米机械粉 碎技术应予以考虑的安全性问题。
一、 机械粉碎法
1、定义：靠外加机械装置的粉碎力，使固体物料粒子 发生变形进而破裂直至达到所要求粉料细度的过程。
当粉碎力足够大时，力的作用又很迅猛，物料块或粒子 之间瞬间产生的应力，大大超过了物料的机械强度， 因而物料发生了破碎。
2、粉碎作用力的主要类型 物料的基本粉碎方式：压碎、剪碎、冲击粉碎和磨碎。
（5）纳米气流粉碎气流磨
原 理 ： 利 用 高 速 气 流 ( 3 0 0 ～ 5 0 0 m/s) 或 热 蒸 气 (300～450℃)的能量使粒子相互产生冲击、碰撞、 摩擦而被较快粉碎。在粉碎室中，粒子之间碰撞频率 远高于粒子与器壁之间的碰撞。
发展：气流磨技术发展较快，20世纪80年代德国 Alpine公司开发的流化床逆向气流磨可粉碎较高硬度 的物料粒子，产品粒度达到了1～5μ m。降低入磨 物料粒度后，可得到平均粒度lμ m的产品，也就是 说，产品的粒径下限可达到0.1μ m 以下。
6、几种典型的纳米粉碎技术
（1）球磨 原理：利用介质和物料之间的相互研磨和冲击使
物料粒子粉碎。 介质：各种磨球。 转速：可调。 类型：多样。行星式、滚筒式等。 效果：经几百小时的球磨，可使小于1μ m的粒
子达到20%。采用涡轮式粉碎的高速旋转磨 机，也可以比较方便地进行连续生产，其临界 粒径为3μ m。
特点：产品粒度微细，粒度分布窄、粒子表面光滑、形 状规则、纯度高、活性大、分散性好。
应用：在陶瓷、磁性材料、医药、化工颜料等领域有 广阔的应用前景。
（3）搅拌磨
构成：由一个静止的研磨筒和一个旋转搅拌器构成。
分类：根据其结构和研磨方式可分为：间歇式、循环式 和连续式三种类型。
介质：在搅拌磨中，一般使用球形研磨介质，其平均直 径小于6mm。用于纳米粉碎时，一般小于3mm。
（4）胶体磨
原理：利用一对固体磨子和高速旋转磨体的相对运 动所产生的强大剪切、摩擦、冲击等作用力来粉碎或 分散物料粒子的。被处理的浆料通过两磨体之间的微 小间隙，被有效地粉碎、分散、乳化、微粒化。在短 时间内，经处理的产品粒径可达1μ m。
5、纳米机械粉碎的极限问题 （1）定义：粉碎到一定程度后，尽管继续施加
机械应力，粉体物料的粒度不再继续减小或减 小的速率相当缓慢，这就是物料的粉碎极限。
在纳米粉碎中，随着d↓，被粉碎物料的结晶均 匀性↑，粒子强度(σ )↑，断裂能(σ s)↑，粉 碎所需的机械应力也大大增加↑。因而粒子度 越细，粉碎的难度就越大。
粉碎作用力的类型主要看图2.1所示几种。 工业上采用的粉碎设备，虽然技术设备不同，但粉碎机
制大同小异。一般粉碎作用力都是这几种力的组合。
举例： 球磨机和振动磨是磨碎与冲击粉碎的组合； 雷蒙磨是压碎、剪碎与磨碎的组合； 气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合，等等。
3、受到粉碎作用力后粒子的变化
机械化学：因机械载荷作用导致粒子晶体结构和 物理化学性质的变化。
变化情况：物质结构及表面物理化学性质 表面积发生变化→温度升高→表面能变化。
结果：粒子中相邻原子键断裂之前牢固约束的键 力在粉碎后形成的新表面上很自然地被激活， 表面能的增大和机械激活作用将导致以下几种 变化：
(1)粒子结构变化。
如:表面结构自发地重组，形成非晶态结构或 重结晶；
(2)粒子表面物理化学性质变化。
（2）振动磨 原理：利用研磨介质在一定振幅振动的筒体内对物料进
行冲击、摩擦、剪切等作用而使物料粉碎。与球磨机 不同，振动磨是通过介质与物料一起振动将物料进行 粉碎的。 分类：
按振动方式不同：惯性式和偏旋式；
按筒体数目不同：单筒式和多筒式；
按操作方式不同：间歇式和连续式。
效果：选择适当研磨介质，振动磨可用于各种硬度物 料的纳米粉碎，相应产品的平均粒径可达1μ m以下。
第二章 纳米粒子的制备方法
2．1 纳米粒子制备方法评述 2．2 制备纳米粒子的物理方法
2．1 纳米粒子制备方法评述
一、对纳米微粒的基本要求 (1)粒度小。(缺陷尺寸小，性能优异；表面活性大，扩
Biblioteka Baidu散路程短，易于烧结。) (2)颗粒形貌好。一般希望球形或等轴多边形；粒度分
布范围窄。 (3)纯度高：降低有害杂质的含量。 (4)粉料晶型：根据陶瓷性能要求确定。 (5)无明显团聚。 软团聚：颗粒间范德华(Van der Vaals)力和库仑力所
3、按制备技术分类
（1）机械粉碎法 （2）气体蒸发法 （3）溶液法 （4）激光合成法 （5）等离子体合成法 （6）射线辐照合成法 （7）溶胶-凝胶法 分类方法不同，研究问题侧重点也不同。
本教材:着重针对纳米粒子生成机理与制备过程 非常粗略地将制备方法分成物理方法、化学方 法和物理化学方法。
2．2 制备纳米粒子的物理方法
（2）理论极限：固体粉碎的最小粒径可达0.01～ 0.05μ m。
(A)磨球直径：日本学者神保在研究球磨机粉碎时，认 为若减小粉磨介质球径，可提高粉料细度。
如:采用1mm直径的介质球可以产生1～2μ m之间的超 微粒子。
(B)粉碎方式：奥田的实验研究结果表明，采用表面粉 碎方式，通过往复摩擦粉碎石灰石，可制得最大粒径 小于0.6μ m的纳米粒子。而采用回转磨擦粉碎，可 制备粒度为0.2～lμ m的Al2O3超微粒子。
致。一般成型压力作用下能破坏其团聚。
硬团聚：除范德华力和库仑力，还有化学键合作用，团 聚强度大。
二、纳米微粒的制备方法简介
对于纳米粒子的制备方法，目前尚无确切的科 学分类标准，按照不同的分类标准可分为不同 的方法。 1、按物质的原始状态分类 （1）固相法 （2）液相法 （3）气相法 2、按制备纳米粒子的原理分类 （1）物理方法 （2）化学方法 （3）物理化学方法
如:表面电性、物理与化学吸附、溶解性、分 散与团聚性质；
(3) 物料中粒子的化学组成变化。
在局部受反复应力作用区域产生化学反应，如 由一种物质转变为另一种物质释放出气体、外 来离子进入晶体结构中。
4、纳米粉体生产的安全性
对于易燃、易爆物料，其粉碎生产过程中还会 伴随有燃烧、爆炸的可能性，这是纳米机械粉 碎技术应予以考虑的安全性问题。
一、 机械粉碎法
1、定义：靠外加机械装置的粉碎力，使固体物料粒子 发生变形进而破裂直至达到所要求粉料细度的过程。
当粉碎力足够大时，力的作用又很迅猛，物料块或粒子 之间瞬间产生的应力，大大超过了物料的机械强度， 因而物料发生了破碎。
2、粉碎作用力的主要类型 物料的基本粉碎方式：压碎、剪碎、冲击粉碎和磨碎。
（5）纳米气流粉碎气流磨
原 理 ： 利 用 高 速 气 流 ( 3 0 0 ～ 5 0 0 m/s) 或 热 蒸 气 (300～450℃)的能量使粒子相互产生冲击、碰撞、 摩擦而被较快粉碎。在粉碎室中，粒子之间碰撞频率 远高于粒子与器壁之间的碰撞。
发展：气流磨技术发展较快，20世纪80年代德国 Alpine公司开发的流化床逆向气流磨可粉碎较高硬度 的物料粒子，产品粒度达到了1～5μ m。降低入磨 物料粒度后，可得到平均粒度lμ m的产品，也就是 说，产品的粒径下限可达到0.1μ m 以下。