功能粉體材料制備

1、功能粉體材料制備第1頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 分級與表面修飾 參考書目1 盧壽慈主編，粉體技術(shù)手冊，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2003。2 李鳳生等編著，超細(xì)粉體技術(shù)，國防工業(yè)出版社，北京，2000。3 毋偉等編著，超細(xì)粉體表面修飾，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2003。4 盧壽慈主編，工業(yè)懸浮液性能，調(diào)制與加工，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2003。5 曾凡等編著，礦物加工顆粒學(xué)（修定版），中國礦業(yè)大學(xué)出版社，江蘇徐州，2001第2頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一粉體材料的分級粉體材料的表面修飾內(nèi)容提要第五章 粉體后處理分級與表面修飾第3頁，

2、共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第一部分 粉體材料的分級 第4頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一粉體材料的分級第五章 粉體后處理分級與表面修飾 超細(xì)粉體在化工、建材、冶金、電子、醫(yī)藥、生物工程、陶瓷、農(nóng)藥、涂料、國防及尖端技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前制備超細(xì)粉體的技術(shù)及設(shè)備已趨于多元化，日漸成熟?，F(xiàn)代科技的發(fā)展迫切需要超細(xì)而且粒度分布范圍窄、甚至單一粒徑的粉體。而目前的技術(shù)和設(shè)備難以制造出單一粒度的粉體，粉體粒度分布較寬(往往在0.1微米到數(shù)十微米之間)，從而嚴(yán)重影響了其性質(zhì)和功能。因此需要對其進(jìn)行分級，以滿足對應(yīng)用日益增加的超細(xì)粉體的高標(biāo)準(zhǔn)要

3、求。第5頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一材 料 名粒 度 范 圍粉末冶金精密陶瓷電子復(fù)制調(diào)色劑電阻器，電介體，保護(hù)膜材料IC底板(ZrSiO2,Al2O3,AlN,SiC,BeO等)電容器燒結(jié)瓷體膜材料(電阻，導(dǎo)體，電介體等)充填碳黑電子材料(防靜電，導(dǎo)體)電子復(fù)制載體CVD、噴鍍、網(wǎng)板印刷(化學(xué)敏感器)金屬超微粒觸媒磁性流體5001010.115550.5100.150.05(500)10.01(100)0.10.01(100)0.10.01(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第6頁，

4、共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一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(xì)粉體產(chǎn)品的分級比普通產(chǎn)品的分級要困難,原因是超細(xì)粉體比表面積大、表面能及表面活性高、易團(tuán)聚結(jié)塊及附著于固體表面不易分散。對超細(xì)粉體的分級須綜合考慮以下三方面: 超細(xì)粉體的分級工藝條件; 超細(xì)粉體的分級設(shè)備; 超細(xì)粉體的分散性。第7頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一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(shù)是一門涉及機(jī)械、材料、化工以及流體力學(xué)等多學(xué)科的技術(shù)。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，把粉碎產(chǎn)品按某種粒度大小或不同類型顆粒進(jìn)行分選的操作稱為分級。分級的方式篩

5、分分級流體分級第8頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾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9頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級篩分機(jī)種篩 面 運(yùn) 動 振幅mm 頻率次/min 適用粒度mm 固定式柵篩 25200 弧形篩 0.30.6 運(yùn)動式回轉(zhuǎn)篩 1520160 搖動篩 10100 603001050 旋轉(zhuǎn)篩 50 156001260 振動 篩0.81290015

6、000.1525第10頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級篩分HYS300實驗室用篩粉機(jī)1、 操作簡單，保養(yǎng)容易2、 可快速更換網(wǎng)層，不需任何工具，使用網(wǎng)層數(shù)可至8層3、 任何粉體、液體、粒體均可4、 篩網(wǎng)粉末不飛揚(yáng)，液體不亂噴，粒體不跳5、 使用目數(shù)3.5目至400目。 第11頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一 為了說明篩分質(zhì)量，引入了篩分效率的概念，即篩下料與總?cè)牒Y料質(zhì)量的百分比。篩分效率與顆粒與篩面的相對運(yùn)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(xì)顆粒的含量以及物

7、料含水率等有關(guān)。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第12頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級流體分級 篩分作業(yè)要受篩網(wǎng)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(zhǔn)確程度也不可靠，因此，對于100m以下的物料，則要根據(jù)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(chǎn)生不同的運(yùn)動軌跡，從而實現(xiàn)不同粒徑顆粒的分級。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。 第13頁，共54頁，2022年，

8、5月20日，14點48分，星期一機(jī)種分級原理靜態(tài)重力分級 重力場中不同沉降速度 適于粗粒分級（2002000m）慣性分級 不同粒徑顆粒的慣性不同，形成不同的運(yùn)動軌跡 不需動力，適于較大的顆粒(10250m)，較大的處理能力，不適于精密分級 離心分級 旋風(fēng)式、 DS式 比較細(xì)的分級（550m），不適于高濃度，精密分級其它 射流式 噴射射流可以使粉體得到良好的預(yù)分散，分級效率及分級精度高，可獲得多級產(chǎn)品 動態(tài)分級室回轉(zhuǎn)型 需要動力，微粒分級（1100m）適于高濃度，精密分級 葉片回轉(zhuǎn)型 帶顆粒分散型 第14頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉

9、體材料的分級干式超細(xì)分級 現(xiàn)在主要的干式超細(xì)分級設(shè)備大多采用離心或慣性力場的空氣分級機(jī)，其原理在于根據(jù)顆粒的比重、粒度和和形狀在空氣中所受重力和介質(zhì)阻力的不同，因而具有不同的沉降末速來進(jìn)行的。超細(xì)顆粒分級的關(guān)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(tuán)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(dá)到分散的目的。 第15頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級干式超細(xì)分級 干式精細(xì)分級機(jī)大多是伴隨高速機(jī)械沖擊式超細(xì)磨和氣流磨，尤其是對噴式流化床氣流磨的引進(jìn)和開

10、發(fā)而發(fā)展起來的。因此，目前占主導(dǎo)地位的幾種干式精細(xì)分級機(jī)是日本的MS、MSS和德國的ATP單輪或多輪渦輪式分級機(jī)。國內(nèi)的干式精細(xì)分級機(jī)也大多是在上述分級機(jī)的基礎(chǔ)上仿制或發(fā)展的。其中MS的分級產(chǎn)品細(xì)度可達(dá)d1010-6 m 左右，MSS和ATP型的分級產(chǎn)品可達(dá)d510-6 m左右。第16頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一干式氣流分級機(jī)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(shù)導(dǎo)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 分級空高度第17頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一分級系統(tǒng)圖第

11、18頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一氣旋分級工作原理第19頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級干式超細(xì)分級BF空氣分級機(jī) 通用型空氣分級機(jī)。采用國際上先進(jìn)的渦輪分篩理論：旋轉(zhuǎn)渦輪轉(zhuǎn)子造成的離心力與空氣所形成的向心力之間的平衡，改變渦輪轉(zhuǎn)速（或串聯(lián)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量）即可達(dá)到細(xì)度的調(diào)節(jié)。第20頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級干式超細(xì)分級干式物料空氣級機(jī)采用國際上先進(jìn)的渦輪分級原理和結(jié)構(gòu)。分級輪可靠，產(chǎn)品粒度分布范圍窄，而且整機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)、分級

12、可靠，經(jīng)久耐用。 第21頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾應(yīng)用舉例垂直流型重力分級器垂直型重力分級器第22頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾有效慣性分級機(jī)(Virtual Impactor)Virtual Impactor分級機(jī)第23頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾應(yīng)用舉例射流分級機(jī)射流分級機(jī)原理圖第24頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級濕式超細(xì)分級 常用的

13、濕式超細(xì)分級設(shè)備，主要是基于離心力沉降原理的螺旋式離心分級機(jī)和水力旋流器。水力旋流器的優(yōu)點是：構(gòu)造簡單、價廉、無運(yùn)動部件，生產(chǎn)量大，占地面積小，筒體內(nèi)料漿停留時間短，工作很快達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，分級效率高。其缺點是：磨損較嚴(yán)重，給料的濃度、粒度、壓力要穩(wěn)定，否則對工作指標(biāo)的影響較大。水力旋流器廣泛應(yīng)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25頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉體材料的分級濕式超細(xì)分級 濕式分級機(jī)主要有兩種類型：一是基于重力沉降原理的水力分級機(jī)；二是基于離心力沉降原理的旋流式分級

14、機(jī)。這類分級機(jī)包括沉降離心機(jī)，如臥式螺旋離心分離機(jī)、小直徑水力旋流器、LS離旋器、GSDF型超細(xì)水力旋分機(jī)等機(jī)型，這是目前濕式精細(xì)分級主要采用的設(shè)備。第26頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一各主要精細(xì)分級機(jī)的性能及應(yīng)用設(shè)備名稱分級方式產(chǎn)品細(xì)度（m ）處理量應(yīng)用范圍MS型微細(xì)分級機(jī)干式81505012000金屬、化工原料、材料等MSS型超細(xì)分級機(jī)干式430308000金屬、化工原料、材料等APT型超細(xì)分級機(jī)干式41805035000金屬、化工原料、材料等射流式分級機(jī)干式3150100500金屬、化工原料、材料等臥式螺旋離心分級機(jī)濕式110120M3 漿料礦物、金屬粉、填料

15、等GSDF超細(xì)水力分級機(jī)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、填料等第27頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一應(yīng)用舉例錯流式分級機(jī)圖1 錯流離心分級設(shè)備示意圖 錯流式分級機(jī)原理是介質(zhì)運(yùn)動方向與分級物料的給入方向呈夾角(大多為90),粘滯阻力與重力方向相反,此兩種力確定顆粒下落的速度和時間,水平方向顆粒的運(yùn)動速度確定顆粒的水平運(yùn)動距離,粒徑不同,拋物線的軌跡不同。從理論上分析,錯流式分級機(jī)可以一次實現(xiàn)多粒級的分級。第28頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾應(yīng)

16、用舉例水力旋流器各種形式的水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖第29頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一應(yīng)用舉例葉輪式水力分級機(jī)葉輪分級機(jī)示意圖1、給料口；2、粗粒排出口；3、細(xì)粒排出口；4、二次介質(zhì)進(jìn)口；5、介質(zhì)流動方向；6、離心力方向；7、轉(zhuǎn)子；第30頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 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后的顆粒形貌,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度范圍的顆粒。第31頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期

17、一粉體分級評價定性評價 在粉體領(lǐng)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低直接決定該項分級技術(shù)是否能夠轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。因此分級技術(shù)必須對分級效率和分級精度進(jìn)行考察。分級效率常用牛頓分級效率和部分分級效率來衡量,而衡量分級精度的方法為產(chǎn)品的粒徑(d50)、分級精度指數(shù)()、臺拉(Terra)指數(shù)(ET)、不完全度(Imperfection,)與分級銳度指數(shù)(Si)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級效率較為常用。第32頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第二部分 粉體材料的表面修飾 第33頁，共54頁，2

18、022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 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(yīng)用過程中具有決定意義的關(guān)鍵技術(shù)，它又是建立在表面與膠體化學(xué)、固體物理、高分子化學(xué)與物理、有機(jī)化學(xué)、顆粒學(xué)等多種學(xué)科的科學(xué)基礎(chǔ)之上的綜合技術(shù)。按其修飾原理可分為表面物理修飾和表面化學(xué)修飾兩大類。粉體材料的表面修飾第34頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 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(nèi)容：研究粉體的表面特性對粉體表面特性進(jìn)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第35頁，共54頁，2022年

19、，5月20日，14點48分，星期一比表面積大，表面能高表面存在活性高的化學(xué)鍵表面臺階和粗糙度大，出現(xiàn)非化學(xué)平衡粉體材料的表面特性第36頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 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(chǎn)生新的物理、化學(xué)性能改善微粒與其它物質(zhì)之間的相容性表面修飾的目的第37頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 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(xué)修飾兩大類，按工藝則分為以下6類：表面覆蓋修飾、局部化學(xué)修飾、機(jī)械化學(xué)修飾、外膜層修飾、高能量表面修飾

20、和沉淀反應(yīng)表面修飾粉體材料表面修飾的方法第38頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 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(jìn)行表面改性，利用紫外線等離子射線等對粒子進(jìn)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。表面物理修飾第39頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾粉末的團(tuán)聚一般分為兩種：軟團(tuán)聚和硬團(tuán)聚 粉末的軟團(tuán)聚主要由于顆粒之間的范德華力和庫侖力所致，該團(tuán)聚可以通過一些化學(xué)作用或施加機(jī)械能的方法消除；粉末的硬團(tuán)聚體內(nèi)除了范德華

21、力和庫侖力外，還存在化學(xué)鍵作用，目前人們對粉末硬團(tuán)聚機(jī)理看法不一，其最具代表性的有：晶體理論、毛細(xì)管吸附理論、氫鍵作用理論和化學(xué)鍵作用理論。范德華力法防止微粒團(tuán)聚第40頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉體后處理分級與表面修飾 反團(tuán)聚應(yīng)分兩步進(jìn)行:第一步,在成膠過程中,即由一次顆粒形成二次顆粒的團(tuán)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(tuán)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(jìn)行修飾來消除硬團(tuán)聚是目前最經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用較廣泛的方法。反團(tuán)聚過程第41頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 粉

22、體后處理分級與表面修飾 此法是將一種物質(zhì)沉積到微粒表面，形成與顆粒表面無化學(xué)結(jié)合的異質(zhì)包敷層，利用溶膠可以實現(xiàn)對無機(jī)粒子的包敷，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。 表面沉積法第42頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，改變粉體微粒的表面結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，以達(dá)到表面改性的目的稱為粉體微粒的表面化學(xué)修飾。該修飾法是粉體微粒獲得有效應(yīng)用的重要措施，是粉體材料研究與開發(fā)中的基礎(chǔ)性研究課題

23、。 表面化學(xué)修飾第43頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一第五章 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(nèi)部，表面原子配位不全導(dǎo)致懸掛鍵大量存在，使這些表面原子具有很高的反應(yīng)活性，極不穩(wěn)定，很容易與其它原子結(jié)合，這就為人們利用化學(xué)反應(yīng)方法對納米微粒表面修飾改性提供了有利條件。表面化學(xué)修飾主要包括下述3種方法： 表面化學(xué)修飾酯化反應(yīng)法偶聯(lián)劑法表面接枝法第44頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一 利用酯化反應(yīng)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(yīng)用中十分重

24、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(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)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(chǎn)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(yīng)法第45頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一 酯化反應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(qiáng)。酯基易水解，且熱穩(wěn)定性差，這是主要缺點，但醇

25、價格較便宜。 酯化反應(yīng)法第五章 粉體后處理分級與表面修飾第46頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一 當(dāng)無機(jī)納米粒子與有機(jī)物進(jìn)行復(fù)合時，表面修飾變得十分重要。一般無機(jī)納米粒子，如Al2O3，SiO2等,表面能比較高，與表面能比較低的有機(jī)體的親和性差，兩者在相互混合時不能相容，導(dǎo)致界面上出現(xiàn)空隙。解決上述問題可采用偶聯(lián)技術(shù)，納米粒子表面經(jīng)偶聯(lián)劑處理后用與有機(jī)物產(chǎn)生很好的相容性。硅烷偶聯(lián)劑是研究最早、應(yīng)用最廣的偶聯(lián)劑之一。 偶聯(lián)劑法第五章 粉體后處理分級與表面修飾第47頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一偶聯(lián)劑法第五章 粉體后處理分級與表面修飾第48頁，共54頁，2022年，5月20日，14點48分，星期一 除了硅烷偶聯(lián)劑外，美國Kenrich石油化學(xué)公司于70年代中期開發(fā)出一類新型偶聯(lián)劑鈦酸酯偶聯(lián)劑，它對許多干燥粉體有良好的偶聯(lián)效果。鈦酸酯偶聯(lián)劑的親有機(jī)部分通常為長鏈烴基(