超微气流粉碎技术的应用研究_罗文

［收稿日期］

2012－10－15［基金项目］重庆市自然科学基金（CSTC2012JJA50001）；重庆文理学院重大科研培育项目（2012PYXM04）；重庆文理学院校级

科研项目（Z2011CL11）．

［作者简介］罗文（1988－），男，四川内江人，硕士，主要从事微纳米工程技术方面的研究．

［通讯作者］蔡艳华（1982－），男，重庆人，讲师，博士，主要从事超微粉碎技术和高分子材料改性方面的研究．

2013年5月重庆文理学院学报

May ，2013第32卷第3期Journal of Chongqing University of Arts and Sciences Vol.32No.3

超微气流粉碎技术的应用研究

罗

文1，蔡艳华2，郝海涛2，张申伟2

，张

琪

2

（1．重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆巴南401320；2．重庆文理学院材料与化工学院，重庆

永川402160）

［摘

要］超微气流粉碎技术因其耐热敏性、无污染和环境友好等特点在微纳米粉体领域有着广泛应用，并且随着超微气流粉碎设备的不断改进和研究的深入，其应用范围也在不断拓宽．概述了超微气流粉碎技术的基本原理及设备发展现状;介绍了超微气流粉碎技术在物理粉碎和化学研究尤其是化学改性和绿色合成化学中的应用研究;最后对超微气流粉碎技术的进一

步应用研究做了展望．［关键词］超微气流粉碎;物理粉碎;表面改性;绿色合成

［中图分类号］TB34［文献标志码］A ［文章编号］1673－8004(2013)03－0034－05随着传统产业技术的不断升级以及现代高技术和新材料产业的快速发展，微纳米粉体技术在国民经济生活和科学研究中起着越来越重要的作用，其应用与研究遍布各个行业和领域．微纳米粉体作为微纳米材料的重要组成部分，是制

备各种新型功能材料的关键性基础材料［1］

．目前制备微纳米粉体的方法主要有球磨、搅拌磨、振

动磨和高速旋转撞击式粉碎以及气流粉碎等［1］

．其中，超微气流粉碎因其产品粒度细、分布窄、精度高、均匀性与分散性好以及生产能力大和自动化程度高等特点，在食品、医药、化工、矿物等领

域得到了广泛应用［2］

．随着超微气流粉碎技术的不断完善与研究的深入，

其应用范围也拓展到了其他领域．

1基本原理及发展现状

超微气流粉碎技术是将干燥、净化后的压缩

气体通过喷嘴产生高速气流，在粉碎腔内带动颗粒高速运动，使颗粒受到冲击、碰撞、剪切等作用而被粉碎；被粉碎的颗粒随气流分级，细度要求合格的颗粒由捕集器收集，而未达要求的粗颗粒再返回粉碎室继续粉碎，直至达到所需细度并被

捕集器收集［1］

．自戈斯林设计第一台气流粉碎机

以来，人们对气流粉碎理论［3］

和气流粉碎在粉体

制备应用方面［2］

做了深入研究，

取得了很大进展．随着计算流体力学的应用与发展，学者们纷纷采用计算机流体力学软件模拟气流粉碎过程［4－6］

，极大地促进了超微气流粉碎技术在微纳米粉体制备中的应用．

经过一个世纪的快速发展，目前工业上用于制备超细粉体的气流粉碎机有靶式、对喷式、扁

平式、循环管式和流化床对撞式5种类型［1］．随着行业对微纳米粉体材料要求越来越高，气流粉

碎机的使用要求也随之提高．当前对气流粉碎机

的改进主要集中在提高粉碎效率、

避免粉碎过程中物料与环境的双向污染、降低和避免设备的磨

损等研究方向［7］

，并取得了一定成果．如气流、机械组合式超微粉碎机和混流式粉碎机等．这类气

流粉碎机除具有无污染、

精度高、耐热敏性、粉体造型好、环境友好等特点外［2］

，还将多种技术结合起来，使产品更加细化，同时降低生产成本．在

过去，工业生产往往是将超微气流粉碎技术用于

物理粉碎，而近几年的研究表明［2］

，超微气流粉碎技术在化学合成反应中也有显著优势．

2在物理粉碎中的应用

传统超微气流粉碎技术是对物料进行单纯的物理粉碎．在粉碎时由于无其他物质的掺杂，且过程温度较低，既能保持物料原有的化学性质，又可减少材料中热敏性成分的损失，提高营养成分和药用成分的利用率；同时，气流粉碎后的矿物、金属等粉末的团聚现象、分散性和均匀性等均优于传统机械法所制备的粉末［2］，使得超微气流粉碎技术在食品、药物和矿物等加工中有着不可替代的地位．

超微气流粉碎技术在食品与中药材等领域的研究主要体现于对有效成分的提取效果和工艺、理化特性、微观形貌和粒度等方面［8］．经气流粉碎后的材料有效成分的提取总量和提取速率提高、理化性质发生显著变化、细胞破壁率达95﹪以上、粉碎后活性成分或活性化学组成不会被破坏．利用超微气流粉碎技术将脱脂米糠粉碎至平均粒径约为7．8μm的超微粉，可制得质地柔软、色泽金黄、有米粮香味且口感佳的米糠面包［9］．与辊磨和销磨相比，由气流粉碎得到的米粉淀粉损失小、糊化温度低、最终粘度高和颗粒细小，所制得面包体积最大［10－11］．此外，也有研究表明［12］，气流粉碎还能净化米粉中的细菌，但要取得最佳效果，还需进一步研究．

超微气流粉碎技术可将原料药粉碎至1 5μm范围内，所得药粉粒度细、分布窄且污染小，这对药物的溶出和肺部给药都极为有利［13］．On-oue等［14－15］考察了气流粉碎下制得胰高血糖素干粉吸入剂的降血糖效果，通过对老鼠肺部给药发现，干粉吸入剂降血糖作用明显提高，溶出度大大改善．布洛芬颗粒在气流粉碎下能获得5μm以下的粉末，其溶出度明显优于湿磨法［16］．然而原料药的微细化也应适度，粉末太细除了会导致溶解速度过快、血药浓度突然升高使病人难以忍受外，还会使粉末流动性、填充性等变差，对药物粉体的胶囊充填和制药片剂产生影响．但通过对气流粉碎机的操作参数调整可以控制粉体粒度，保证填充装量的稳定［17］．

除食品和药物的超细粉碎外，超微气流粉碎技术在非金属矿物中如滑石、石英、高岭土、钛白粉、硅灰石等的应用也很广泛．气流粉碎后粉末的粒径分布较球磨后的粉末更窄［18］，且产量大．如粉碎氧化铈时，在加速距离85mm，粉碎压力0．85Mpa和分级机转速1050rad/min的理想工艺参数下，产品粒度范围为1 5μm，产量可达53kg/h［19］．同时，气流粉碎机的操作参数也会影响硅土和滑石等矿物的机械化学性能［20－21］．另外，超微气流粉碎技术还可实现多组分矿物的分离．李士琦等［22］将高磷赤铁矿在气流粉碎下被粉碎至平均粒径2μm的颗粒，发现粒径分布范围在102 104nm时，铁、磷元素在超细矿粉颗粒中的含量分布不均匀，可实现铁、磷化合物的有效解离．Matinde等［23］指出，气流粉碎时颗粒的破碎为冲击载荷下多方向的瞬时载荷，而机械研磨时颗粒受到单轴机械载荷，这使得前者适合于多组分原料的分离．

金属粉末的制备常用球磨法，但产量较低、粒度分布宽、团聚严重且易引入杂质，而气流粉碎法得到的粉末粒度小、无团聚、分布均匀、性能较好［24］，适合脆性金属和合金的破碎制粉［25］．在制备灰铸铁粉时，Shaibani等［26］发现，从时效和产能考虑，靶式气流粉碎机的效果均优于高能球磨，所得粉末的可压缩性、压坯密度与强度都明显好于球磨粉末和以此制得的压坯．通过对靶式气流粉碎机的设计、优化工艺参数后，能得到小于45μm的超细铁粉［27］．北京科技大学新金属材料国家重点实验室以流化床气流粉碎机粉碎高铌钛铝合金［28］，研究了分级机频率对粉末粒度的影响．随着分级机频率的增加，颗粒尺寸明显减小，当频率高于38Hz后，颗粒平均粒径小于25μm．因此可通过控制分级机频率来控制粉末的平均粒度，大规模生产高铌钛铝合金超细粉末．此外，钕铁硼［29－30］、铁硅硼［31］等磁铁粉末的制备也常用到超微气流粉碎技术．

近年来，超微气流粉碎技术在其他行业中常被用做预处理手段制备微米级粉末，以进一步制备纳米颗粒［32］．同时，在处理蚕丝和羊绒毛等生物材料机械粉碎后的团聚问题上，该技术也显示出强大的优势［33－34］．

3在化学研究中的应用

除了对物料进行单纯的物理粉碎，超微气流粉碎技术还常用于粉体的表面改性，最近又发展起超音速气流下的无溶剂反应．

3．1化学改性

超微气流粉碎技术对微纳米粉体的表面改性主要是通过机械力化学等物理化学作用完成