14 超细微粉及湿凝胶的干燥解析

3、团聚的根本原因 液-固、液-气界面张力的存在是干燥过程引起
凝胶变形和颗粒聚集的原因。水的存在是干燥过
程中形成硬团聚的根源。 4、消除团聚的方法 控制反应条件，选择合适的沉淀剂； 充分洗涤，去除固液混合态里液相中残存的各 种盐类杂质离子；
用表面张力比水低的醇、丙酮等有机溶剂洗涤
以取代剩留在颗粒间的水。
14.3 共沸蒸馏脱水干燥法
原理
把制成的微粉悬浮液或凝胶，用水洗尽无机杂质
后，再加入到与水部分互溶或不互溶、沸点比水高的 有机溶剂中，在搅拌下共沸蒸馏，使水与有机溶剂以 最低恒沸物的形式蒸馏除尽。 有机溶剂经冷凝分层后循环使用。脱尽水分的 悬浮物，分离去大量有机溶剂后，热力干燥，得到无 团聚的疏松微粉。
1、团聚过程
伴随着成核和生长过程有聚结过程同时发生； 在固－液分离过程中形成团聚结构； 在粉体焙烧过程中可使已形成的团聚体因发生 局部烧结而结合得更牢固。 2、团聚机理 化学键的形成：微粉颗粒之间形成氢键，干燥灼 烧脱水形成-O-化学键-硬团聚 晶桥或晶颈的形成：物质的内聚力把微粉颗粒连
接起来形成
2→3：等温降压，固体；
3 4 3→4：等压升 下粒间有空隙的疏 松微粉
3、冷冻干燥法的突出优点
a. 在溶液状态下均匀混合，适合于极微量组分的添加， 有效地合成复杂的陶瓷功能粉体材料并精确控制其最
终组成；
b. 制备的超微粉体粒度分布范围窄，在10-500 nm范
围内，冷冻干燥物在煅烧时内含气体极易逸出，容易
空气加热系统 原料液供给系统 雾化干燥系统 废气排放及微粉回收系统 系统控制装置及废热回收 装置
雾化器分类和特点 （1）旋转式雾化器 操作简便、适用
范围广；料液通道
大，不易堵塞；动 力消耗少；不适用 粘度大的浆液；不 需高压泵。
加工制造要求高，
检修不便。
烧炉内将盐分解，可制得超细粉体。
14.4.2 冷冻干燥原理及过程 1、纯物质的p-T图
P Pc
C 3 固 相 压缩流 体区
升华 气 1-2线 升华线 固 凝华 蒸发 汽 2-C线 汽化线 液 冷凝 溶化 2-3线 熔化线 固 液 凝固
液 相
2 气相
1 汽体
气体
Tc
T
2、冷冻干燥过程 P 2 1 升华 1→2：常温常压，急冷， 固体；
共沸蒸馏蒸出的含水有机溶剂蒸汽，冷凝分层后，
溶剂相可循环使用，不需添加大量溶剂；
分离出的水相易通过精馏回收，不造成溶剂的大 量损失和环境污染； 共沸脱水和回收水相溶剂的能耗<有机溶剂置换法
共
沸 蒸 馏 脱 水 流 程
含水微粉 正丁醇 共 沸 蒸 馏 釜 共 沸 精 馏 塔
部 分 冷 凝 器
冷 凝 器 相 分 离 器 相 分 离 器
原料液可以是溶液、乳浊液或悬浮液，也可以是 熔融液或膏糊状稠浆。 干燥产品可根据生产要求制成粉状、颗粒状、空 心球或圆粒状
喷雾干燥的特点 干燥速度快，物料受热时间短。
干燥条件和产品的质量指标易于调节。
生产效率高，操作人员少。
生产过程简化，后续工序少。 设备较庞大，投资费用、动力和热能消耗均较大。 回收被废气夹带的成品粉未的装置复杂。
举例：制备Y2O3-ZrO2超细微粉 方法 共沉淀法制得Y2O3-ZrO2凝胶，正丁醇为溶剂， 共沸蒸馏脱水，制得Y2O3-ZrO2超细微粉。 结果
无团聚、分散良好、烧结性能优良；
烧结密度=96-97.5%理论密度。
共沸蒸馏脱水的优越性 共沸蒸馏脱水所用溶剂不必是无水溶剂，溶剂所
含的水在共沸蒸馏中脱除；
冷 凝 器
水相 精馏塔
废水 含水 正丁醇储槽 无水微粉浆
14.4 冷冻干燥
14.4.1 冷冻干燥法 将配制好的阳离子盐溶液喷入到低温有机液
体中（用干冰或丙酮冷却的乙烷浴内），使液体
进行瞬间冷冻和沉淀在玻璃器皿的底部，将冷冻
球状液滴和乙烷筛选分离后放入冷冻干燥器，在
维持低温减压条件下，溶剂升华、脱水，再在煅
获得易烧结的陶瓷超微粉体，由此制得的大规模集成 电路基片平整度好，用来制备催化剂，则其表面积和 反应活性均较一般过程高； c. 操作简单，特别适合于高纯陶瓷材料用超微粉体的
制备。
14.5 喷雾干燥
14.5.1 概述 喷雾干燥是采用雾化器将原料液分散为雾滴，并 以热气流(空气、氮或过热蒸汽)干燥雾滴而获得粉 状或粒状物料的一种干燥方法。
14.5.2 喷雾干燥工艺流程
工艺流程
空气→过滤→风机→加热 喷雾 料液→过滤→加压
干料
旋风分离→尾气
喷雾干燥法的基本过程（三个阶段） A、将浓缩液分散成细小的微滴；
B、将细小微滴与热气流混合，使水分迅速蒸发；
C、将干燥的粉粒体颗粒从干燥空气中分离出来
14.5.3 浆液的雾化
喷雾干燥系统的组成
5、消除团聚的干燥技术 有机溶剂置换法 共沸蒸馏脱水干燥法 冷冻脱水干燥法 超临界流体干燥法
喷雾干燥法
14.2 有机溶剂置换法
原理 用有机溶剂，例如乙醇和丙酮，进行多次洗涤、 置换出水，然后再进行干燥，即可消除硬团聚，制得 疏松易碎、有良好烧结活性的微粉。 特点 防止硬团聚； 多次洗涤脱水，有机溶剂耗量大； 回收用过的溶剂成为无水溶剂，能耗和成本更高
第14章 超细微粉及湿凝胶的干燥
14.1 干燥原理
干燥对微分的粒径分布、后续加工的难易，对
于凝胶的结构等都有重要的影响。
14.1.1 干燥过程的收缩
微粒形成的颗粒及凝胶在干燥过程中会发生收
缩和变形。变形收缩的推动力：毛细管应力。变形
收缩的程度取决于被干燥物质的本性和干燥过程的
阶段性及快慢。
1、凝胶种类与收缩 粉体性凝胶：收缩小 胶态性凝胶：收缩大 聚合凝胶：粘弹性变形，因收缩使粘性增加 2、凝胶收缩的推动力 液-固界面张力：含液体的湿区收缩，可能自发脱水 收缩
固-气界面张力：干区收缩
重新分配压力：固-气界面张力>液-固界面张力，驱 使湿区液体流向干区，使湿区有更大的收缩推动力。
3、干燥过程
蒸发→固相的粘性变形→微孔中流体(液体和蒸汽)的 流动
14.1.2 超细微粉的团聚
软团聚
团
聚 硬团聚
范德华力和库伦力 溶剂分散或研磨、超声
化学键力 研磨、超声和压实，也 不易被破坏