功能粉體材料制備—5

1、學習要求學習要求: :1 1 參加課堂教學參加課堂教學2 撰寫讀書報告撰寫讀書報告1 1篇篇, 5000, 5000字，下列二方面內容選其一。字，下列二方面內容選其一。1 1）粉體材料和工程的某一專題。）粉體材料和工程的某一專題。2 2）制備某一粉體材料的技術研究開發(fā)方案。）制備某一粉體材料的技術研究開發(fā)方案。第五章 分級與表面修飾 參考書目參考書目1 1 盧壽慈主編，粉體技術手冊，化學工業(yè)出版社，北盧壽慈主編，粉體技術手冊，化學工業(yè)出版社，北京，京，20032003。2 2 李鳳生等編著，超細粉體技術，國防工業(yè)出版社，李鳳生等編著，超細粉體技術，國防工業(yè)出版社，北京，北京，20002000。

2、3 3 毋偉等編著，超細粉體表面修飾，化學工業(yè)出版社，毋偉等編著，超細粉體表面修飾，化學工業(yè)出版社，北京，北京，20032003。4 4 盧壽慈主編，工業(yè)懸浮液盧壽慈主編，工業(yè)懸浮液性能，調制與加工，性能，調制與加工，化學工業(yè)出版社，北京，化學工業(yè)出版社，北京，20032003。5 5 曾凡等編著，礦物加工顆粒學（修定版），中國礦曾凡等編著，礦物加工顆粒學（修定版），中國礦業(yè)大學出版社，江蘇徐州，業(yè)大學出版社，江蘇徐州，20012001粉體材料的分級粉體材料的分級粉體材料的表面修飾粉體材料的表面修飾內容提要內容提要第五章 粉體后處理分級與表面修飾第一部分 粉體材料的分級 粉體材料的分級粉體材料

3、的分級第五章 粉體后處理分級與表面修飾材材 料料 名名粒粒 度度 范范 圍圍粉末冶金粉末冶金精密陶瓷精密陶瓷電子復制調色劑電子復制調色劑電阻器，電介體，保護膜材料電阻器，電介體，保護膜材料IC底板底板(ZrSiO2,Al2O3,AlN,SiC,BeO等等)電容器電容器燒結瓷體燒結瓷體膜材料膜材料(電阻，導體，電介體等電阻，導體，電介體等)充填碳黑電子材料充填碳黑電子材料(防靜電，導體防靜電，導體)電子復制載體電子復制載體CVD、噴鍍、網板印刷、噴鍍、網板印刷(化學敏感器化學敏感器)金屬超微粒觸媒金屬超微粒觸媒磁性流體磁性流體50010101 10.10.115155 55 50.50.5101

4、00.10.15 50.050.05(500)(500)1 10.010.01(100)(100)0.10.10.010.01(100)100)0.10.10.010.01(100)100)0.80.005(50 )0.050.005(50 )0.010.001(10 )表1 新型材料所要求粉體顆粒直徑粉體材料的分級粉體材料的分級第五章 粉體后處理分級與表面修飾 對超細粉體產品的分級比普通產品的分級要困難,原因是超細粉體比表面積大、表面能及表面活性高、易團聚結塊及附著于固體表面不易分散。對超細粉體的分級須綜合考慮以下三方面: 超細粉體的分級工藝條件; 超細粉體的分級設備; 超細粉體的分散性。粉

5、體材料的分級粉體材料的分級第五章 粉體后處理分級與表面修飾 分級技術是一門涉及機械、材料、化工以及流體力學等多學科的技術。根據生產工藝的要求，把粉碎產品按某種粒度大小或不同類型顆粒進行分選的操作稱為分級。分級的方式篩分分級流體分級第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級篩分粉體材料的分級篩分 把固體顆粒置于具有一定大小孔徑或縫隙的篩面上，使通過篩孔的成為篩下料，被截留在篩面上的成為篩上料，這種分級方法稱為篩分。 第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級篩分粉體材料的分級篩分機種機種篩篩 面面 運運 動動 振幅振幅mmmm 頻率頻率次次/min/min 適用粒度適用粒度mmmm 固定

6、式固定式柵篩柵篩 25200 弧形篩弧形篩 0.30.6 運運動動式式回轉篩回轉篩 1520160 搖動篩搖動篩 10100 603001050 旋轉篩旋轉篩 50 156001260 振動振動 篩篩0.81290015000.1525第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級篩分粉體材料的分級篩分HYS300實驗室用篩粉機1、 操作簡單，保養(yǎng)容易操作簡單，保養(yǎng)容易2、 可快速更換網層，不需任何可快速更換網層，不需任何工具，使用網層數可至工具，使用網層數可至8層層3、 任何粉體、液體、粒體均可任何粉體、液體、粒體均可4、 篩網粉末不飛揚，液體不亂篩網粉末不飛揚，液體不亂噴，粒體不跳噴，粒體

7、不跳5、 使用目數使用目數3.5目至目至400目。目。 為了說明篩分質量，引入了篩分效率的概念，即篩下料與總入篩料質量的百分比。篩分效率與顆粒與篩面的相對運動，料層的厚薄,篩孔形狀和有效面積比，物料顆粒的大小分布規(guī)律和顆粒形狀，過細顆粒的含量以及物料含水率等有關。工業(yè)上實際操作的平均篩分效率約為70%80%。第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級篩分粉體材料的分級篩分第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級流體分級粉體材料的分級流體分級 篩分作業(yè)要受篩網制作的限制，其篩分粒徑下限為37m。即使是37m以上100m以下的篩分作業(yè)，其處理量少時準確程度也不可靠，因此，對于100m以下

8、的物料，則要根據不同粒徑顆粒在流體（通常是氣體）中受到離心力、重力、慣性力等的作用而產生不同的運動軌跡，從而實現不同粒徑顆粒的分級。如果利用的流體是空氣時如果利用的流體是空氣時稱干式分級，利用水時則稱為濕式分級。稱干式分級，利用水時則稱為濕式分級。 機種機種分級原理分級原理靜靜態(tài)態(tài)重力分級重力分級 重力場中不同重力場中不同沉降速度沉降速度 適于粗粒分級適于粗粒分級（20020002002000mm）慣性分級慣性分級 不同粒徑顆粒的不同粒徑顆粒的慣性不同，形成慣性不同，形成不同的運動軌跡不同的運動軌跡 不需動力，適于較大的顆粒不需動力，適于較大的顆粒(10250(10250m)m)，較大的處理，

9、較大的處理能力，不適于精密分級能力，不適于精密分級 離心分級離心分級 旋風式、旋風式、 DS式式 比較細的分級（比較細的分級（550m），），不適于高濃度，精密分級不適于高濃度，精密分級其它其它 射流式射流式 噴射射流可以使粉體得到良好噴射射流可以使粉體得到良好的預分散，分級效率及分級精的預分散，分級效率及分級精度高，可獲得多級產品度高，可獲得多級產品 動動態(tài)態(tài)分級室回轉型分級室回轉型 需要動力，微粒分級需要動力，微粒分級（1100m）適于高濃度，精密分級適于高濃度，精密分級 葉片回轉型葉片回轉型 帶顆粒分散型帶顆粒分散型 第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級粉體材料的分級干式超細分

10、級 現在主要的干式超細分級設備大多采用離心或慣性力場的空氣分級機，其原理在于根據顆粒的比重、粒度和和形狀在空氣中所受重力和介質阻力的不同，因而具有不同的沉降末速來進行的。超細顆粒分級的關鍵一環(huán)是顆粒的分散，在干式分級中，利用氣流的急劇加速，使大小顆粒所受到的作用力不同而使得團聚的顆粒分散，或者利用剪切流場的速度差使粉料分散，也有采用障礙物的沖擊而達到分散的目的。 第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級粉體材料的分級干式超細分級 干式精細分級機大多是伴隨高速機械沖擊式超細磨和氣流磨，尤其是對噴式流化床氣流磨的引進和開發(fā)而發(fā)展起來的。因此，目前占主導地位的幾種干式精細分級機是日本的MS、M

11、SS和德國的ATP單輪或多輪渦輪式分級機。國內的干式精細分級機也大多是在上述分級機的基礎上仿制或發(fā)展的。其中MS的分級產品細度可達d1010-6 m 左右，MSS和ATP型的分級產品可達d510-6 m左右。干式氣流分級機示意圖分級器切割粒徑可由下式確定：其中：p 原料密度空氣密度 K常數導向葉片角度 流體粘度Vi 二次空氣入口速度r 半徑R分級板半徑S二次空氣入口斷面積h 分級空高度分級系統(tǒng)圖氣旋分級工作原理第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級粉體材料的分級干式超細分級BFBF空氣分級機空氣分級機 通用型空氣分級機。采用通用型空氣分級機。采用國際上先進的渦輪分篩理國際上先進的渦輪分

12、篩理論：旋轉渦輪轉子造成的論：旋轉渦輪轉子造成的離心力與空氣所形成的向離心力與空氣所形成的向心力之間的平衡，改變渦心力之間的平衡，改變渦輪轉速（或串聯的風機風輪轉速（或串聯的風機風量）即可達到細度的調節(jié)。量）即可達到細度的調節(jié)。第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級粉體材料的分級干式超細分級干式物料空氣級機采用國際上先進的渦輪采用國際上先進的渦輪分級原理和結構。分級分級原理和結構。分級輪可靠，產品粒度分布輪可靠，產品粒度分布范圍窄，而且整機結構范圍窄，而且整機結構先進、分級可靠，經久先進、分級可靠，經久耐用。耐用。 第五章 粉體后處理分級與表面修飾應用舉例垂直流型重力分級器垂直流型重力

13、分級器垂直型重力分級器垂直型重力分級器第五章 粉體后處理分級與表面修飾有效慣性分級機有效慣性分級機(Virtual Impactor)(Virtual Impactor)Virtual ImpactorVirtual Impactor分級機分級機第五章 粉體后處理分級與表面修飾應用舉例射流分級機射流分級機射流分級機原理圖射流分級機原理圖第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級粉體材料的分級濕式超細分級 常用的濕式超細分級設備，主要是基于離心力沉降原理的螺旋式離心分級機和水力旋流器。水力旋流器的優(yōu)點是：構造簡單、價廉、無運動部件，生產量大，占地面積小，筒體內料漿停留時間短，工作很快達到穩(wěn)定

14、的狀態(tài)，分級效率高。其缺點是：磨損較嚴重，給料的濃度、粒度、壓力要穩(wěn)定，否則對工作指標的影響較大。水力旋流器廣泛應用于分級粒度為0.0030.25mm的分級作業(yè)或分級粒度小于15m的濃縮或澄清作業(yè)。 第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級粉體材料的分級濕式超細分級 濕式分級機主要有兩種類型：一是基于重力沉降原理的水力分級機；二是基于離心力沉降原理的旋流式分級機。這類分級機包括沉降離心機，如臥式螺旋離心分離機、小直徑水力旋流器、LS離旋器、GSDF型超細水力旋分機等機型，這是目前濕式精細分級主要采用的設備。各主要精細分級機的性能及應用設備名稱分級方式產品細度（m ）處理量應用范圍MS型微

15、細分級機干式81505012000金屬、化工原料、材料等MSS型超細分級機干式430308000金屬、化工原料、材料等APT型超細分級機干式41805035000金屬、化工原料、材料等射流式分級機干式3150100500金屬、化工原料、材料等臥式螺旋離心分級機濕式110120M3 漿料礦物、金屬粉、填料等GSDF超細水力分級機濕式210125M3 漿料礦物、金屬粉、填料等小直徑水力旋流器濕式345150M3 漿料礦物、金屬粉、填料等應用舉例錯流式分級機圖1 錯流離心分級設備示意圖 錯流式分級機原理錯流式分級機原理是介質運動方向與分級是介質運動方向與分級物料的給入方向呈夾角物料的給入方向呈夾角(

16、大多為大多為9090),),粘滯阻粘滯阻力與重力方向相反力與重力方向相反, ,此兩此兩種力確定顆粒下落的速種力確定顆粒下落的速度和時間度和時間, ,水平方向顆粒水平方向顆粒的運動速度確定顆粒的的運動速度確定顆粒的水平運動距離水平運動距離, ,粒徑不同粒徑不同, ,拋物線的軌跡不同。從拋物線的軌跡不同。從理論上分析理論上分析, ,錯流式分級錯流式分級機可以一次實現多粒級機可以一次實現多粒級的分級。的分級。第五章 粉體后處理分級與表面修飾應用舉例水力旋流器各種形式的水力旋流器結構示意圖應用舉例葉輪式水力分級機葉輪式水力分級機葉輪分級機示意圖葉輪分級機示意圖1、給料口；、給料口；2、粗粒排出口；、粗

17、粒排出口；3、細粒排出口；、細粒排出口；4、二次介質進、二次介質進口；口；5、介質流動方向；、介質流動方向；6、離心力方向；、離心力方向；7、轉子；、轉子；第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體分級評價定性評價定性評價 定性評價通常所采用的儀器是顯微鏡和定性評價通常所采用的儀器是顯微鏡和電鏡。通過顯微鏡和電鏡照片可以看出分級電鏡。通過顯微鏡和電鏡照片可以看出分級后的顆粒形貌后的顆粒形貌, ,粗略地估計顆粒的粒度分布粗略地估計顆粒的粒度分布, ,以及要得到粒度范圍的顆粒是否混有其他粒以及要得到粒度范圍的顆粒是否混有其他粒度范圍的顆粒。度范圍的顆粒。粉體分級評價定性評價定性評價 在粉體領域中通常用分

18、級精度和分級效率來在粉體領域中通常用分級精度和分級效率來定量地評價分級效果。分級精度和分級效率的高定量地評價分級效果。分級精度和分級效率的高低直接決定該項分級技術是否能夠轉化為生產力。低直接決定該項分級技術是否能夠轉化為生產力。因此分級技術必須對分級效率和分級精度進行考因此分級技術必須對分級效率和分級精度進行考察。分級效率常用牛頓分級效率和部分分級效率察。分級效率常用牛頓分級效率和部分分級效率來衡量來衡量, ,而衡量分級精度的方法為產品的粒徑而衡量分級精度的方法為產品的粒徑(d(d5050) )、分級精度指數、分級精度指數( () )、臺拉、臺拉(Terra)(Terra)指數指數(ET)(E

19、T)、不完全度、不完全度(Imperfection,)(Imperfection,)與分級銳度與分級銳度指數指數(Si)(Si)等。分級效率的概念有牛頓分級效率、等。分級效率的概念有牛頓分級效率、理查德分級效率和部分分級效率等但以部分分理查德分級效率和部分分級效率等但以部分分級效率較為常用。級效率較為常用。第二部分 粉體材料的表面修飾 第五章 粉體后處理分級與表面修飾 粉體材料的表面修飾是粉體材料制備、加工和應用過程中具有決定意義的關鍵技術，它又是建立在表面與膠體化學、固體物理、高分子化學與物理、有機化學、顆粒學等多種學科的科學基礎之上的綜合技術。按其修飾原理可分為表面物理修飾和表面化學修飾兩

20、大類。粉體材料的表面修飾粉體材料的表面修飾第五章 粉體后處理分級與表面修飾 對粉體材料表面修飾的研究主要包括以下三個方面的內容：研究粉體的表面特性對粉體表面特性進行分析和評估。確定表面修飾的類型和工藝。粉體材料的表面修飾粉體材料的表面修飾比表面積大，表面能高表面存在活性高的化學鍵表面臺階和粗糙度大，出現非化學平衡第五章 粉體后處理分級與表面修飾改善或改變粉體粒子的分散性提高微粒表面活性使微粒表面產生新的物理、化學性能改善微粒與其它物質之間的相容性表面修飾的目的表面修飾的目的第五章 粉體后處理分級與表面修飾 粉體微粒表面修飾的方法按其原理可分為表面物理修飾和表面化學修飾兩大類，按工藝則分為以下6

21、類：表面覆蓋修飾、局部化學修飾、機械化學修飾、外膜層修飾、高能量表面修飾和沉淀反應表面修飾粉體材料表面修飾的方法粉體材料表面修飾的方法第五章 粉體后處理分級與表面修飾 表面物理修飾總的來說就是通過吸附、涂敷、包覆等物理作用對微粒進行表面改性，利用紫外線等離子射線等對粒子進行表面改性也屬于物理修飾，表面物理修飾主要有以下2種方法：范德華力法和表面沉積法。表面物理修飾表面物理修飾第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉末的團聚一般分為兩種：軟團聚和硬團聚 粉末的軟團聚主要由于顆粒之間的范德華力和庫侖力所致，該團聚可以通過一些化學作用或施加機械能的方法消除；粉末的硬團聚體內除了范德華力和庫侖力外，還存在化

22、學鍵作用，目前人們對粉末硬團聚機理看法不一，其最具代表性的有：晶體理論、毛細管吸附理論、氫鍵作用理論和化學鍵作用理論。范德華力法防止微粒團聚范德華力法防止微粒團聚第五章 粉體后處理分級與表面修飾 反團聚應分兩步進行:第一步,在成膠過程中,即由一次顆粒形成二次顆粒的團聚,目前在該方面研究較少。第二步,在干燥過程前,采用一些方法控制凝膠的二次團聚,人們在這方面做了大量工作。采用表面活性劑對納米粉體表面進行修飾來消除硬團聚是目前最經濟、應用較廣泛的方法。反團聚過程反團聚過程第五章 粉體后處理分級與表面修飾 此法是將一種物質沉積到微粒表面，形成與顆粒表面無化學結合的異質包敷層，利用溶膠可以實現對無機粒

23、子的包敷，例如：將ZnFeO3納米粒子放入TiO2溶液中，TiO2溶膠沉積到ZnFeO3納米粒子表面，這種帶有TiO2包敷層的ZnFeO3納米粒子的光催化效率被大大提高了。 表面沉積法表面沉積法第五章 粉體后處理分級與表面修飾 通過粉體微粒表面與改性劑之間進行化學反應，改變粉體微粒的表面結構和狀態(tài)，以達到表面改性的目的稱為粉體微粒的表面化學修飾。該修飾法是粉體微粒獲得有效應用的重要措施，是粉體材料研究與開發(fā)中的基礎性研究課題。 表面化學修飾表面化學修飾第五章 粉體后處理分級與表面修飾 由于納米微粒比表面積很大，表面鍵態(tài)、電子態(tài)不同于顆粒內部，表面原子配位不全導致懸掛鍵大量存在，使這些表面原子具

24、有很高的反應活性，極不穩(wěn)定，很容易與其它原子結合，這就為人們利用化學反應方法對納米微粒表面修飾改性提供了有利條件。表面化學修飾主要包括下述3種方法： 表面化學修飾表面化學修飾酯化反應法偶聯劑法表面接枝法 利用酯化反應對納米微粒表面修飾改性最重要的是使原來親水疏油的表面變成親油疏水的表面，這種表面功能的改性在實際應用中十分重要。例如:為了得到表面親油疏水的納米氧化鐵，可用鐵黃FeO（OH）與高沸點的醇進行反應，經200左右脫水后得到Fe2O3，在275脫水后成為Fe3O4，這時氧化鐵表面產生了親油疏水性，Al（OH）3用高沸點醇處理后，同樣可以獲得表面親油疏水性的AlO（OH）3及中間氧化鋁。 酯化反應法 酯化反應用的醇類最有效的是伯醇，其次是仲醇，叔醇是無效的。實驗證明：用醇類與鈦白粉反應時，要使鈦白具有較好的親油性，必須使用4以上的直鏈醇處理。當用醇類處理白炭黑時，白炭黑表面的酯化度越高，其憎水性越強。酯基易水解，且熱穩(wěn)定性差，這是主要缺點，但醇價格較便宜。 酯化反應法第五章 粉體后處理分級與表面修飾 當無機納米粒子與有機物進行復合時，表面修飾變得十分重要。一般無機納米粒子，如Al2O3，SiO2等,表面能比較高，與表面能比較低的有機體的親和性差，兩者在相互混合時不能相容，導致界面上出現空隙。解決上述問題可采用偶聯技術，