超细粉体的表征方法、技术及其应用进展综述-2012-11-29

超细粉体的表征方法、技术及其应用进展综述

冯文超1,2，李军1,2

1昆明理工大学化工学院

2云南瑞升烟草技术（集团）有限公司

摘要：本文介绍了超细粉体的制备\其表征方法及应用现状，对其应用前景进行了展望。

关键词：超细粉体；制备；表征；应用

Representation methods,process technology and application in

progress of ultrafine powder

Wenchao Feng1,2，Jun Li1,2

1 Faculty of Chemical Engineering of KunMing University of Science and Technology

2 YunNan Reascend Tobacco technology （group）Co.,LTD

Abstract: This paper introduces the process of ultrafine powder and characterization meth-ods.Summarizes the present situation of the application of ultrafine powder from material,b iological medicine,Chinese medicine and chemical industry and so on.And its applicationin future is prospected.

Key words: ultrafine powder；characterization；process；application

0前言

超细粉体（又称超微粉体），一般是指物质粒径在10μm以下，并具有微粉学特征的粉体物质。通常又分微米粉体、亚微米粉体及纳米粉体。粒径大于lμm的粉体称为微米粉体，粒径处于0.1-lμm之间的粉体称为亚微米粉体，粒径处于0.001-0.1μm之间的粉体称为纳米粉体。随着材料物质的超细化，其表面分子排列及电子分布结构均发生变化，产生了奇特的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应[1]。

从文献调研可以发现，国外对超微粉体技术非常重视，许多国家先后建立了粉体研究机构。在我国从八、九十年代开始才逐步被越来越多研究部门和行业所重视[2]。随着粉体技术的不断发展，超细粉体材料在相关传统行业中的应用日益广泛，市场前景十分广阔。超细粉体材料由于颗粒尺寸的微细化，使其许多物理、化学性能产生了特殊变化，人们将这些性能应用在化工、轻工、冶金、电子、高技术陶瓷、复合材料、核技术、生物医学以及国防尖端技术等领域，大大推进了这些领域的发展[3]。

1超细粉的制备技术现状

1.1 制备方法

超微粉体制备时根据粉碎力的原理不同,可分为干法粉碎和湿法粉碎[4]。干法有气流式、高频振动式、旋转球(棒)磨式、锤击式和自磨式等几种形式；气流式是利用气体通过压力喷嘴的喷射产生剧烈的冲击、碰撞和摩擦等作用力实现对物料的粉碎。高频振动式是利用球或棒形磨介的高频振动产生冲击、摩擦和时切等作用力实现对物料的粉碎。旋转球磨式是利用球或棒形磨介在水平回转时产生冲击摩擦等作用力实现对物料的粉碎。湿法粉碎主要是胶体磨和均质机。胶体磨是通过转子的旋转,产生急剧的速度梯度。使物料受到强烈的剪切、摩擦和湍流扰动来粉碎物料。均质机是利用急剧的速度梯度产生强烈的剪切力,使液滴或颗粒发生变性和破裂以达到微粒化的目的。其中,超微粉碎时采用气流粉碎时,在粉碎过程不会产生局部过热现象,甚至可在低温状态下进行,粉碎瞬时即可完成,因而能最大限度地保留粉体的生物活性成分,有利于制成所需的高质量产品[2]。

1.2 超微粉制备设备概述

超细粉体制备方法从物质的状态分有固相法、液相法和气相法。固相法主要有机械粉碎法、超声波粉碎法、热分解法、爆炸法等。液相法主要有沉淀法、醇盐法、羰基法、喷雾热干燥法、冷冻干燥法、电解法、化学凝聚法等。气相法主要有气相反应法、等离子体法、高温等离子体法、蒸发法、化学气相沉积法等。这些方法有些尚不成熟，有些难于实用化和工业化，目前在工业上应用较多的是机械粉碎法和液相化学沉淀法及气相反应法等方法。液相法的优点是所制备的超细粉体粒径小、粒度分布窄、粒形好和纯度高等，缺点是产量低、成本高和工艺复杂等。该方法仅限于制备某些特殊的功能材料，如超细金红石型二氧化钛粉体、超细磁性氧化铁粉等。机械粉碎法的优点是产量大、成本低和工艺简单等，且在粉碎过程中产生机械化学效应使粉体活性提高；缺点是产品的纯度、细度和形貌均不及化学法制备的超细粉体。该法适应于大批量工业生产,如矿产品深加工等[5]。

超细粉体的制备方法可按制备原理分为化学合成和物理粉碎。化学合成法生产工艺复杂，导致加工成本高,产量低,因此应用范围受限[6]。物理粉碎法成本低、产量大, 是目前制备超微粉体的主要手段, 现已大规模应用于工业生产。物理粉碎超微粉碎可分为干法粉碎和湿法粉碎, 根据粉碎过程中产生粉碎力的原理不同, 干法粉碎有气流式、高频振动式、旋转球(棒)磨式、锤击式和自磨式等几种形式；湿法粉碎主要是胶体磨和均质机。

气流式原理是利用气体通过压力喷嘴的喷射产生剧烈的冲击、碰撞和摩擦等作用力实现

对物料的粉碎。高频振动式原理是利用球或棒形磨介的高频振动产生冲击、摩擦和剪切等作用力实现对物料的粉碎。旋转球磨式是利用球或棒形磨介在水平回转时产生冲击和摩擦等作用力实现对物料的粉碎。胶体磨是通过转子的旋转, 产生急剧的速度梯度。使物料受到强烈的剪切、摩擦和湍动骚扰来粉碎物料。均质机是利用急剧的速度梯度产生强烈的剪切力, 使液滴或颗粒发生变性和破裂以达到微粒化的目的[4]。

2超细粉的表征方法

2.1超细粉体的特性

超细粉体是介于大块物质和院子或分子之间的中间物质，是处于原子簇和宏观物体交接的区域。从微观和宏观的观点看。它即不是典型的微观系统,也不是典型的宏观系统,是介于二者之间的介观系统。由于超细粉体保持了原有物质的化学性质，而在热力学上又是不稳定的，所以对它们的研究与开发是了解微观世界如何过渡到宏观世界的关键。随着研究手段特别是电子显微镜的迅速发展，使得可以清楚的看到超细颗粒的大小和形状，对超细粉体的研究更加深入了。另外，它具有一系列新异的物理化学特征：

(1) 体积效应

当物质体积减小时, 将会出现两种情形: 一种是物质本身的性质不发生变化, 而只有那些与体积(尺寸)密切相关的性质发生变化,如半导体电子自由程变小,磁体的磁区变小等；另一种是物质本身的性质也发生了变化。在这种情形下,原来的物性是山无数个原子或分子组成的集体属性, 而制成超细粉后,其微粒是有限个原子或分子结合的属性。例如金属超细粉粒子的电子结构与大块金属的迥然相异。在大块金属中,电子数量的细能级能形成连续的能带：而在金属超细粉粒子中, 电子数量有限,不能形成连续的能带,而是转化成各自分立的能级。一般半径小于10nm的金属超细粉粒子,在低温下应能观察到这种能级分立现象[7]。

(2) 表面与界面效应

超细粉体颗粒尺寸小，表面积大，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面积急剧变大，引起表面原子数迅速增加。例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g：粒径小到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，大大增强了粒子的活性。无机材料的纳米粒子暴露在大气中会吸附气体，并与气体进行反应。粒子表面活性高的原因在于它缺少近邻配位的表面原子，极不稳定，很容易与其它原子结合。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子结构的变化，同时也引起表面电子自旋构像和电子能谱的变化[8,9]。