超细粉体的应用及制备

应用与开发超细粉体的应用及制备刘宏英,李春俊,白华萍,李凤生(南京理工大学超细粉体与表面科学技术研究所,江苏南京210094)摘要:介绍了超细粉体在国民经济各领域的应用,研究了各种超细粉体的制备技术、分级技术及设备的性能特点,分析了国内外相关技术,对超细粉体技术今后的发展和研究方向提出了建议。

关键词:超细粉碎;制备;分级中图分类号:T B44 文献标识码:A 文章编号:1002-1116(2001)01-0030-03 超细粉体技术是指制备与使用超细粉体及其相关的技术。

其研究内容包括超细粉体的制备技术,分级技术,分离技术,干燥技术,输送、混合与均化技术,表面改性技术,粒子复合技术,检测及应用技术等。

南京理工大学超细粉体与表面科学技术研究所在国内率先开展了易燃易爆材料、纤维材料、塑性材料和刚柔混合材料等特殊材料的超细粉碎、混合、乳化、分级与表面改性技术研究。

经过多年的研究和实际应用,取得了一些成功的经验。

目前该技术与设备已广泛用于军民各个领域,为国防现代化和国民经济的发展作出了一定的贡献。

由于超细粉体技术是一门综合性很强的技术,涉及知识面很广,本文就超细粉体的应用、超细粉碎技术、分级技术作简要综述。

1　超细粉体应用的研究进展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展展现了广阔的应用前景[1]。

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高新技术领域。

1.1　在材料领域的应用超细粉体在材料领域应用广泛。

如磁性材料、隐身隐形材料、高耐磨及超塑材料、新型冶金材料及建筑材料。

利用超细陶瓷粉可制成超硬塑性抗冲击材料,可用其制造坦克和装甲车复合板,这种复合板较普通坦克钢板重量轻30%～50%,而抗冲击强度较之提高1～3倍,是一种极好的新型复合材料[2]。

将固体氧化剂、炸药及催化剂超细化后,制成的推进剂的燃烧速度较普通推进剂的燃烧速度可提高1～10倍[3],这对制造高性能火箭及导弹十分有利。

1.2　在化工领域的应用将催化剂超细化后可使石油的裂解速度提高1～5倍,赤磷超细化后不仅可制成高性能燃烧剂,而且与其它有机物反映可生成新的阻燃材料。

油漆、涂料、染料中固体成分超细化后可制成高性能高附着力的新型产品。

在造纸、塑料及橡胶产品中,其固体填料如:重质碳酸钙、氧化钛、氧化硅等超细化后可生产出高性能的铜板纸、塑料及橡胶产品。

1.3　在生物医药领域的应用医药经超细化后,外用或内服时可提高吸收率、疗效及利用率,适当条件下可改变剂型,如微米、亚微米及纳米药粉可制成针剂使用[4]。

在医疗诊断方面可将超细粉经适当处理后注入或服入人体内进行各种病理诊断。

南京理工大学超细粉体与表面科学技术研究所已成功地为上海XX医药公司、常州XX公司及浙江XX公司等单位生产了大量超细硫糖铝及超细阿基诺维奇等药,产品性能提高,达到国际标准,因而大第29卷第1期2001年2月 江苏化工 Jiangsu Chem ical IndustryV ol.29N o.1　Feb.2001收稿日期:2000-10-18作者简介:刘宏英(1954年出生),女,江苏南京人,高级工程师,1980年毕业于华东工学院机械制造专业,长期从事超细粉体物料的制备、粉碎、分级等技术研究,已发表论文数篇。

量出口创汇,价格显著提升,产生了良好的经济效益和社会效益。

1.4　在中医药保健食品中的应用超细粉体技术扩展到中草药及保健食品中,扩大了人类的食品源,使得有营养,但因无法直接被人体吸收的植物变成了高档的营养性保健食品。

经超细化的中药材大大提高了有效成分的溶出速度和利用率,且服用方便,避免了繁杂的煎煮。

再如茶叶、灵芝、孢子、花粉、螺旋藻、蔬菜、水果、珍珠、蚕丝、人参、贝壳、蛇、蚂蚁、甲鱼、动物和鱼类的鲜骨及脏器的超细化,都为人类提供了大量的新型纯天然高吸收率的保健食品。

目前南京理工大学超细粉体与表面科学技术研究所已成功的研制出粉碎上述物料的技术,并可使灵芝孢子、花粉在常温下100%破壁。

近几年来已在全国建成了多条生产线,利用该技术已取得了很好的社会效益和经济效益。

1.5　在日用化工领域的应用在美容、护肤、化妆品方面超细粉体的作用十分重要。

如护肤防晒膏中,加入超细蚕丝粉具有良好的防紫外线作用。

由于它是一种含有大量蛋白质的天然有机物,进入皮肤毛孔后,易被内分泌物溶化吸收,不仅不堵塞皮肤毛孔而且还会起到一定的营养皮肤的作用。

这种新型产品研究成功的关键是如何采用超细粉体技术及设备将极难超细化的蚕丝纤维粉碎到5μm以下,使毛孔内分泌物快速溶化。

南京理工大学超细粉体与表面科学技术研究所成功地研究出了d50<5μm的超细蚕丝粉、超细珍珠粉,用其制成的珍珠粉饼和珍珠丝素粉饼受到了用户的欢迎,养颜美容护肤效果十分好。

1.6　在废弃物再生与综合利用方面的应用废地毯、废电缆、废汽车轮胎等如何再生利用是环保的需要,也是经济建设的需要。

将这些废物回收处理再利用已成为各界关注的课题。

将废物粉碎处理,制成各类材料,针对环境与资源的综合利用课题,越来越被国内外研究机构重视,有关这类的研究报道逐年增加。

如炉渣的粉碎,作为填料加入建筑材料中,不仅减轻重量而且经济耐用。

2　超细粉碎技术进展自80年代以来,国内对超细粉体的认识有了较大的提高,许多单位都投入大量的人力物力在进行研究、开发和利用。

有些方面的研究工作与国外相比已处于较先进的水平。

例如:纳米材料的研究在国际上排名第五,居美、日、英、德之后,与法国、俄罗斯相当。

易燃易爆材料的超细粉体制备与应用及刚柔混合材料的超细化等与国际先进水平相当。

但总体水平与先进国家相比尚有一定的差距。

这主要表现在硬件和软件方面。

例如超细粉体技术的基础理论工作开展甚少,缺少全面系统的理论研究。

超细粉体的制备及分级的设备品种与档次尤其是自动控制,机电一体化方面与国外差距较大,再者用于制造超细研磨设备的材料及制造工艺与国外尚有一定的差距。

超细粉体的表面改性工作,我国已开展了一定的研究,而复合超细粒子的制备技术则刚刚起步,与先进国家相比则差距较大。

因此对国内研究人员来说,面临的任务是艰巨的,要迎头赶上先进国家必须要下大的决心,花大力气研究出适合我国国情的粉碎新设备,以满足市场日益增长的需求。

2.1　气流式粉碎机气流式粉碎机是在高速气流作用下,物料通过本身颗粒之间的撞击,气流对物料的冲击、剪切、摩擦等作用以及物料与其它部件的冲击、摩擦、剪切作用而使物料粉碎。

随着科学技术的不断发展,人们对这类粉碎机进行了不断的改进,先后出现了扁平式、循环式、对撞式、流化床式、靶式、超音速气流磨等,广泛应用于化工、材料、冶金、非矿、农药、电子、食品、医药、军工等领域。

气流粉碎机在超微粉碎领域的应用虽然仍存在粉碎极限的局限性,以及能量利用率低的缺点,但它仍还在许多领域被用于制造超细粉体。

南京理工大学超细粉体与表面科学研究所研制的G QF系列圆盘式气流粉碎机采取了防止静电和火花产生的措施,内腔是采用导电率高的超硬、高耐磨材料作衬里,克服了目前普通圆盘式气流粉碎机的许多缺点。

因此,特别适用于易燃易爆材料、热敏性材料的超细化。

另外对该机的磨腔进行了优化设计,所以其产品较普通圆盘式气流粉碎机生产出的产品更细。

2.2　高速旋转撞击式粉碎机高速旋转撞击式粉碎机由于结构及作用力方式不同又分为销棒粉碎机、摆锤式粉碎机、轴流式粉碎机等。

这种类型的粉碎机主要是利用高速旋转的部件产生强大的强冲击力、剪切力、摩擦力而使物料被粉碎。

如配以合适的分级装置并进行循环粉碎,则可以获得理想的超细粉体。

这种类型的粉碎机由于结构简单、占地面积小、操作方便、生产能力大、生产成本低、能耗低、易拆卸保养、价格较低廉而深受用13第29卷第1期 刘宏英等:超细粉体的应用及制备户欢迎。

目前已广泛应用于化工、药品、材料、冶金、食品等行业。

此类粉碎机超细程度好,可使物料粉碎到10μm以下。

这种类型的粉碎机不仅用途广,而且安全可靠。

并可一机多用,具有粉碎、分散、混合、输送等多种功能。

因此国内外对这类粉碎机的研究较充分,而且粉碎形式多样化。

根据其粉碎方式可分为干式粉碎机型及湿式粉碎机型。

例如南京理工大学超细粉体与表面科学技术研究所研制的LS型液固式流能粉碎机,适用于易燃易爆材料,如火药、炸药、涂料等。

如研制的G SF型高速粉碎机,适用于中药材及食品的粉碎。

对于纤维及韧性材料,则需要采用相对旋转粉碎方式进行粉碎。

2.3　搅拌研磨机搅拌研磨机是依靠磨腔中机械搅拌棒、齿或片带动研磨介质运动,利用研磨介质间的挤压力和剪切力使物料粉碎。

同常规球磨机相比,搅拌式研磨机采用高速度和高介质充填率及小介质球尺寸,小介质球提高了超细物料的研磨效率,适用于不同产品粒度和物料性质的各种搅拌式研磨机。

特别是立式搅拌研磨机,以其结构简单、操作容易、维护方便等优点成为目前工业上应用最广泛的细磨设备之一。

南京理工大学超细粉体与表面科学技术研究所设计出了一种LG型直立式搅拌研磨粉碎机,该机可使MnO2粉碎到d97<1μm、重质碳酸钙及高岭土d98<2μm、猛炸药d98<1μm而且安全可靠。

3　超细粉体分级技术进展在现代各工业领域的使用中,往往要求超细粉体产品处于一定的粒度范围。

粉碎过程中往往只有一部分产品达到了要求,而另一部分还需要继续粉碎。

如果不及时排出细粉,往往引起能源浪费,且有过粉碎现象。

当颗粒细化到一定程度后,出现粉碎与团聚的现象,甚至因颗粒团聚变大而使粉碎工艺恶化。

解决这一问题的关键是设置超分级设备,与超细粉碎机配合使用,将合格的细产品及时分离出来,粗粒返回再粉碎,以提高粉碎效率降低能耗。

随着所需粉体细度的提高和产量的增加,分级技术的难度也越来越高,粉体分级问题已成为制药机械制备粉体技术发展的关键[5]。

在不同的分级原理下,可得不同的分级粒径。

干式机械分级通常都是以干燥空气作为介质。

到目前为止,能在工业领域实际应用的干式机械分级装置,都是基于离心力场的分级原理而设计的。

最典型的方法是在各种分级设备内引入特定的机械运动装置,以增大颗粒在分级机内所受到的离心力,达到提高分离因素、增加分级速度、提高分级精度等目的。

这类分级装置通常采用圆盘、叶轮或涡轮等作为分级机的运动部件,以产生强大的离心分级力场。

研究表明对于微米材料来说采用重力分级能实现理想的分级效果,而对于亚微米及纳米材料来说是不能实现理想的分级效果。

其原因是由于粒径都很小,而粒径与粒径之间的差所引起的重力或离心力的差也很小,因而无法实现大小不同的粒径粒子的分级。

目前研究较多且有一定价值的分级原理有微孔隙分级、膜分级、磁场力分级、热力场分级等等。