（矿物加工工程专业论文）超细粉体颗粒静电分散机理及途径研究.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 摘要 为了解决超细粉体加工和利用过程中聚团这一关键问题，提高超细粉体 的附加值和功能化利用。本文研究了静电分散的作用原理、电晕荷电原理及 静电分散的可行性，在此基础上利用自行设计组装的静电分散装置对超细煤 粉、超细高蛉土、铜粉、滑石粉、超细刺五加进行了静电分散研究。用正交 试验的方法考查了电压、粒度、湿度对考查指标分散度、荷质比、放置时间 的影响，探索出超细煤粉、超细高岭土等超细粉体静电分散的最佳方案；同 时对颗粒的带电性质和规律进行了研究，找出了颗粒在电晕电场中的荷电规 律，为以后的研究和应用提供了理论依据和参考。利用高精度粒度分析仪、 扫描电镜等先进设备并结合分散度法对静电分散效果迸行了综合的分析评 价，结果表明，静电分散后样品粒度发生明显变化，粒度变细、粒级变窄， 能显著提高样品的分散性，从而提高超细粉体材料的性能。实验结果证明， 自行设计的静电分散器起晕电压低，放电效果好，达到了实验要求，取得了 良好分散效果。静电分散方法是空气中比较有效的分散方法，可有效的分散 超细粉体制各过程中形成的聚团，而且适用于各种粉体在空气中分散，提高 分散性。在此基础上探讨了表面改性和静电分散相结合的复合分散方法。最 后对静电分散的优缺点进行了分析，对静电分散方法的应用前景进行了展望。 本研究在已取得的研究基础上进行融合、扩展并深化，旨在探求支配微粒分 散理论及有效途径。为解决微细粉体在空气中聚团这一难题，促进新兴粉体 学科的进一步发展，以及推进粉体材料的工业应用提供有益参考。 关键词：超细粉体；静电分散；分散性；复合分散；团聚； 黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t f o rr e s o l v i n gt h i sk e yp r o b l e mo ft h es u p e r f i n ep o w d e ra g g l o m e r a t i o ni nt h e p r o c e s s i n ga n du s i n g , e n h a n c i n gt h ea d d i t i o n a lv a l u ea n dt h em u l t i p l ef u n c t i o n so f t h es u p e r f i n ep o w d e r i ts t u d i e st h ef u n c t i o n p r i n c i p l eo ft h ee l e c t r o s t a t i c d i s p e r s i o n ，g a v et h ee l e c t r i c a lp r i n c i p l eo fc o r o n ae l e c t r i f i c a t i o na n dt h e np o i n t e d o u tt h ep r a c t i c a lp o s s i b i l i t yo fe l e c t r o s t a t i cd i s p e r s i o n o nt h eb a s i s ，t h eu l t r a f i n e c o a lp o w d e r , r e f i n e dk a o l i n , c o p p e rp o w d e r , t a l c u mp o w d e r ，s u p e r f i n ec i w u j i aa i c c a r d e d0 1 1t h ee l e c t r o s t a t i cd i s p e r s i o nr e s e a r c ht h r o u g hs e l f - b u i l te l e c t r o s t a t i c e q u i p m e n t u s eo r t h o g o n a la p p r o a c ht oe x a m i n et h ee l e c t r i cv o l t a g e ，p a r t i c l es i z e a n dh u m i d i t y0 1 1t h ei n f l u e n c eo ft h et e s ti n d i c a t o rd i s p e r s i o nd e g r e e ，a n dc h a r g e m a s sr a t i oa n dl a yt i m ea r ei n v e s t i g a t e d ，f i n a l l yt h eo p t i m i z e dp r o j e c to fs u p e r f i n e p o w d e r ss u c ha ss u p e r f i n ec o a lp o w d e r ，t h es u p e r f i n ek a o f i ni sp r o p o s e d ；a tt h e s a m et i m e t of i n do u tt h el a w so f c h a r g e dp a r t i c l e ，t h ep r o p e r t ya n dr e g u l a t i o n so f c h a r g e di sc a r r i e do ut h er e s e a r c hi nt h ec o r o n ae l e c t r i cf i e l do fp a r t i c l e s ，p r o v i d e at h e o r e t i c a lb a s i sa n dr e f e r e n c et ot h ef l l l l l r er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n s m a k eu s e o ft h e h i g hp r e c i s i o np a r t i c l e s i z ea n a l y z e ra n de l e c t r i cm i l t o rs c a l l u e ra n d c o m b i n e dd e c e n t r a l i z a t i o nm e t h o d ，t h ee f f e c to fe l e c t r o s t a t i cd i s p e r s i o ni sc a r r i e d o n c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s a n de v a l u a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h e e l e c t r o s t a t i cd i s p e r s i o ns a m p l es i z et h e r eh a sb e e nam a r k e dc h a n g e ，r a n g eo f p a r t i c l en a r r o wd o w n t h ee l e c t r o s t a t i cd i s p e r s i o nc a ni m p r o v et h ed i s p e r s i o no f t h es a m p l e ，t h e r e b ye n h a n c i n gp o w d e r sm a t e r i a lp r o p e r t i e s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a te l e c t r o s t a t i cd i s p e r s i o nd e v i c ed e s i g n e dr i s et h ec o r o n av o l t a g el o w , t u mo ne l e c t r i c i t ye f f e c t i v e ，c o m et oat h ee x p e r i m e n tr e q u e s ta n do b t a i ng o o d d i s p e r s i o nr e s u l t w h a t sm o r e , t h ee l e c t r o s t a t i cd i s p e r s i o nm e t h o di sa l o f ev a l i d d i s p e r s i o nm e t h o di n t h ea i rf o ro t h e rm e t h o d s w h i c hc a nd i s p e r s ea g g l o m e r a t e f o r m e di nt h ep r o c e s so fs u p c r f m ep o w d e re f f e c t i v e l y i ta p p l i e st oa l lk i n d so f p o w d e ri n t h ea i ra n ds c a t t e r e d , a n d i m p r o v e s t h e d i s p e r s i b i l i t y o n t h i s f o u n d a t i o ni te x p l o r e st h ec o m p o s i t ed i s p e r s i n gm e t h o dt h a ts u r f a c em o d i f i c a t i o n a n de l e c t r o s t a t i cd i s p e r s i o na r ec o m b i n e dt o g e t h e r i tc a l v e so nt h ea n a l y s i st ot h e 黑龙江科技学院硕士学位论文 m e r i ta n ds h o r t c o m i n go ft h ee l e 斌t o s t a t i cd i s p e r s i o n , t h e no u t l o o kt h ea p p l i c a t i o n o fe l e c t r o s t a t i c d i s p e r s i o nm e t h o d i nt h ea c q u i r e dr e s e a r c hf o u n d a t i o n ，t h i s r e s e a r c hg o e sf o r w a r dt oc a r r i yo nt h ef u s i o n , t h ee x p a n s i o na n dt h ed e e p e n i n g , t h ea i mi ss e e k i n gt h ec o n t r o lp a r t i c l ed i s p e r s e rt h e o r ya n dt h ev a l i dw a y t os o l v e t h ep r a c t i c ep r o b l e m so ft h ef i n ep o w d e ra g g l o m e r a t ei nt h ea i r , a n dp r o m o t et h e f u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h en e w l ya r i s e np o w d e rc o u r s ea n dp u s hf o r w a r dt h e i n d u s t r ya p p l i c a t i o no ft h ep o w d e rb o d ym a t e r i a lt op r o v i d et h e b e n e f i c i a l r e f e r e n c e k e y w o r d s ：s u p e r f i n ep o w d e rj e l e c t r o s t a t i c d i s p e r s i o n ；d i s p e r s i b i l i t y ； c o m p o s i t ed i s p e r s i n gm e t h o d ；a g g l o m e r a t i o n ； m 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学 院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：乏己窒酶日期：越 0 ， 即f 吐h 卜| ，y i ( 2 8 ) 式中：f k 为粒间的静电斥力；f 为粒间范德华力；f y 为粒间液桥力。 将2 8 变形为两于毛弭1 0 只有当瓦每商大于1 时，静电分散作用是 有效的。并且e 于昂珂比值越大，分散性越好。将粒间的不同作用力代入f & 阮i + 峙i 中可得到粉体静电分散极限粒径表达式： d ( 南+ 刳k 怯 ， 式中：a 为粉体在空气中的h a m a k e r 常数；s 为水的表面张力：h 为粉 体接触最小距离4 x 1 0 0 m ，e o 为场强；为粉体的介电常数； 为疏才 5 8 5 时，才有可能产 生电晕放电。否则，随着极间直接产生火花放电而不会产生电晕放叫6 2 l 。电 晕放电可通过两种方式使电场中颗粒荷电，一种是场致荷电、另一种是扩散 荷电。分别介绍如下： ( a ) 场致荷电 通过电晕放电形成离子，这些离子被电场加速而与颗粒碰撞，从而使不 带电的颗粒在进入外电场的空间后被荷电是场致荷电。场致荷电带电量与离 子空间电荷密度、颗粒半径、颗粒的介电常数及颗粒所在处电场等有关，可 近似为i 叫： f 口口。_ j 号式中：t 为时间常数，f _ 4 e d r ；q 。为最大荷电量 1 + 二 q , e 4 嬲0 4 礓；i 为离子电流密度；a 为颗粒半径；为颗粒的介电 e 十二f 0 “ 常数：s 。为真空介电常数：e 为颗粒所在处电场。 r b ) 扩散荷电l 叫 通过电晕放电形成离子，由于热运动而扩散时附着于颗粒表面而使粒子 荷电的过程为扩散荷电。扩散荷电是离子作不规则运动与颗粒相碰撞的结果， 它不依赖于外加电场，只与由气体热运动决定的离子运动的速度以及颗粒附 近的离子密度有关。其最大荷电量为【耐l ：g 。，。兰堡i ! 竺式中，e 为电子电 量；a 为粒子半径；k 为玻尔兹曼常数：t 为热力学温度。 在颗粒的电晕荷电过程中，场致荷电和扩散荷电两种方式同时存在，并 在不同条件下各起着不同程度的作用。颗粒的荷电量随其粒径增大而增大。 实验表明，粒径大于o 劾m ，场致荷电起支配作用：粒径小于0 1 胂，扩散 荷电开始起主导作用。对较大颗粒可以只考虑场致荷电的作用；对细颗粒 来说，场致荷电和扩散荷电必须同时给予考虑，荷电量应是两者荷电量之和。 本实验中所用的颗粒平均粒径为大于0 劾m ，应该以场致荷电为主。 黑龙江科技学院硕士学位论文 f 把公式f 坐乎代入口鼋。j 专中得： 。 1 + 三p 玄罐酚： f p 去潞舯虾勰i 2 锨“密一碱中 e - ! ( t 2 为静电极半径；r l 电晕电极半径) 。就是说当外部电压v e 一定时 ，l n 生 r 1 场中此处的电场强度是不变的。由于式中4 s o e 可看作常数，4 e ：。o e + 1 取最 小值时，q 有最大值q 。所以，当变量i - * 时l i i n 竺乒= 0 0 因此，i 一。 时，竽砘此时竽硝卧值，芦，舢毗帆甄1 有最大值，q k 一鼋。4 雕扛：。可见离子电流密度i 越大，颗粒 一5 十e o 半径a 越大，越有利于颗粒的最大荷电。由于f 。兰笪中t 为时间常数，4 e 。 为定值，所以要想离子电流密度i 越大，必须提高电场强度。又因为从公式 三上可知，电场强度与电压成正比，并且与电场的结构参数有关即l n 互 ，l n 垒 ，| ，1 越小越好。所以，要想提高电场中颗粒的荷电量，必须选择介电常数大的物 质，并且颗粒具有足够大的粒径，同时提高极电压，优化电场结构参数以便 使电场强度增大是最有效的途径。 ( 2 ) 减小范德华力、液桥力 从公式f = 一券上看，a 为颗粒在真空中的h a m a k c r 常数，固定 不变。所以，范德华力与颗粒问间距h 的平方成反比，与颗粒直径d 成正比。 由于颗粒间间距不能人为控制，所以。只能调解颗粒直径来控制范德力的大 黑龙江科技学院硕士学位论文 小。而液桥力很容易通过干燥的方法来消除。 通过上述分析，我们清楚的认识到静电分散成功的关键是让颗粒群最大 限度的充分均匀荷电。因为，粒径越小，颗粒间的范德华力越小，对静电分 散越容易，但粒径越小，颗粒很难充分荷电，这对静电分散来说是不利的。 所以，只有提高电极电压以便使场强增大，可使颗粒群最大限度的荷电，也 可减小静电分散的颗粒极限半径。因此，必须设计特殊的静电分散装置来提 高电场强度。 综上分析可知，影响静电分散的主要因素有电压、颗粒的粒径、颗粒的 湿度。通过对主要因素的调解也可以使粉体颗粒群荷电量增大，从而增大静 电排斥力有利于粉体的分散。在实际操作中，可采用加温挥发除去粉体表面 的表面水，并使环境保持干燥可消除粒间的液桥力作用。 2 s 实验设备、样品与方法 2 5 1 实验系统、装置 实验系统与装置包括实验样品的制备、颗粒荷电分散系统、实验效果的 检测与评价。实验系统与装置见图2 - 1 。 实验样品的制备设备有：j c f - 5 型射流超细粉碎机、振动筛、气流磨、 x z m 1 0 0 振动磨样机、远红外恒温干燥箱等。 荷电系统的主要设备有：x d f 型电选机的高压电源、电压调解器、自行 设计组装的静电分散器。其中自行设计组装的静电分散器是本实验最重要的 设备，在2 5 3 中将详细介绍。 实验的检测设备有：e s t l l 2 型数字电荷仪、扫描电镜、c i l a s l 0 6 4 型高 精度激光粒度分析仪、自制的分散度测量仪等。 2 5 2 实验样品 本实验采用的实验样品是取自中国双鸭山选煤厂的浮选精煤，鸡西的煤 系高岭土和购买的滑石粉、铜粉、刺五加等。 为了满足实验要求通过气流磨粉碎、振动磨样机研磨、筛分等工序对样 品进行了加工与制备，它们的主要性质在各个实验中分别被列出。 黑龙江科技学院硕士学位论文 图2 1 静电分散实验系统示意图 2 5 3 静电分散装置原理与结构 ， 颗粒荷电方式有接触荷电、感应荷电、电子束照射荷电和电晕荷电等， 其中，电晕荷电是目前最有效的荷电方式。根据放电尖端的极性不同，电晕 放电被分为正电晕和负电晕两种，并且一般来说负电晕的起晕电压要比正电 晕的起晕电压低，而且放电强度大。所以，本研究所用静电分散器的设计采 用负电晕荷电方式。在高压电源的作用下，长芒刺负电极产生电晕放电，其 放电机制为汤生( t o w n s e n d ) 机制，即产生二次电子崩的次极电子是由正离子 碰撞阴极表面引起阴极的电子发射而产生的。因此，负电晕放电可电离分散 器中的空气，使空气带负电，当超细粉体颗粒通过这一分散装置时，被充分 的电晕荷电，带上同种电荷，从而在粉体颗粒间产生静电排斥力，利用静电 排斥力克服超细颗粒的团聚，并且使其处于分散状态。本实验的关键是使颗 粒群充分均匀荷电。为了使实验放电效果更好，使粉体颗粒充分均匀荷电， 本实验采用了线一筒型，长芒刺负电极电晕放电，并且它的起晕电压为3 千伏 左右，最大负载电压可达3 3 千伏。 静电分散器由给料器，可调解的高压电源、荷电装置、分散室、收集室 等组成。它的结构示意图见图2 2 。荷电装置由放电电极和静电极组成，静电 极采用不锈钢圆筒，放电电极由电极绝缘支架和长芒刺电极组成。长芒刺电 极包括6 0 个长约2 0 r a m ，直径为1 5 r a m 镍铬丝制成的针。静电分散器的荷电装 置的结构参数在表2 1 中被列出。 黑龙江科技学院硕士学位论文 由静电分散原理可知，通过提高荷电电压的方式不仅可以提高电场强度， 使颗粒群充分荷电，而且可减小静电分散颗粒的极限粒径。因此，本实验主 要的静电分散装置是参考静电除尘器和电选机的原理与结构自行设计组装 的，目的就是提高电场强度，使超细粉体颗粒能够充分均匀荷电。 表2 1 静电分散器结构参数 2 5 4 实验方法、内容及实验步骤 2 5 4 1 静电分散实验方法 称量一定重量的样品使其通过静电分散器，样品在静电分散器内被充分 荷电带上同种电荷，产生排斥力并且在排斥力的作用下聚团被分散，然后对 从分散器中收集的粉体进行分散度测量、粒度分析及扫描电镜观察来综合评 价它的分散效果。分散度的测量主要采用分散度法。自制分散度测量仪如图 2 - 3 所示：圆筒高3 6 0 m m ，直径为1 5 0 r a m ，表面皿直径为l o o m m 。 线 馨 图2 - 2 静电分散装置示意图 图2 - 3 分散度测量仪 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 5 4 2 实验内容 由于静电分散方法的主要影响因素有电压、粒径、湿度等。静电分散主 要的衡量指标有分散度、荷质比以及放置时间。根据物理学原理，荷电物体 随着放置时间的增长，其荷电量将逐渐减小。因此，对于静电分散来说，物 体带电量越多，分散效果越好，且放置时间将越长。又因为分散度和萄质比 都是随时间减小的【删，所以荷质比的大小决定了静电分散方法时效性的长 短，即放置时间可用荷质比随时间变化来表示。所以将通过超细煤粉、高岭 土磨料等样品的静电分散实验研究来考查主要因素对分散度和荷质比考查指 标的影响。由于用实验的方法对这几个因素和考查 旨标逐个的进行考察，十 分复杂且实验量大，因此，本实验将采用正交实验的方法对它们进行考察。 从而找出影响颗粒在静电分散器中分散效果的各主要因素关系和各样品的最 佳方案。并在此基础上，研究经过表面改性处理的超细颗粒在静电分散器中 的分散效果。 2 5 4 3 实验的具体步骤 1 制样。将采集的样品通过破碎、研磨、筛分等工序进行制备，使其粒 度满足实验要求。在实验前按实验要求用电子天平将样品分成若干等份。 2 取制备好的样品进行检测。( 1 ) 用激光粒度仪分析样品的粒度。( 2 ) 用扫 描电镜测其表面状况、主要成分、纯度、密度等。( 3 ) 测量样品的分散度。 3 取制备好的另一份样品，将其通过静电分散器进行荷电和分散实验。 具体步骤为：将待测粉体放入进料漏斗。接通荷电区电源( 荷电电压可调) ， 将给料器打开，粉体通过荷电区，用置于正下方的烧杯收集荷电粉体，然后 测量粉体的荷电量。其中粉体的荷电量的测量十分重要，是实验是否成功的 关键，必须测量准确，现将测量的具体步骤详细介绍如下： ( 1 ) 将空烧杯放置到荷电区正下方。打开荷电区电源，并且振动给料。 ( 2 ) 用电子天平测量静电分散器下方烧杯中收集粉体的质量记为m 。 ( 3 ) 用e s t l l 2 型数字电荷仪测量烧杯中收集粉体的电量，记录电量q 。 ( 4 ) 计算荷质比：ib | - iqi m 。 ( 5 ) 按照正交试验设计表改变实验条件，实验方法同上，测出不同实验条 件下粉体样品的荷质比。 ( 6 ) 更换粉体样品，实验方法同上，分别对它们进行静电分散研究。 4 将静电分散器分散的样品进行检测。( 1 ) 用激光粒度仪分析样品的链度 变化。( 3 ) 用扫描电镜测其表面状况的变化。( 3 ) 用分散度测量仪测量静电分散 后粉体的分散度。 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 6 静电分散效果的评价 超细颗粒在空气中分散性的表征与评价方法很多，但尚未制定统一的标 准。并且这些方法都有一定的局限性，因此在实际研究工作中一般要采用多 种方法进行综合评价。 颗粒在空气中的主要评价方法有分散率法、粘着力法、图像分析法、分 散度、分散指数法。 2 6 1 分散率；丢 y a m a a o l oh 等把分散度定义为分散颗粒的中位径与一次颗粒的中位径 之比。增田弘昭则用一次颗粒的粒度分布与从分散机排出的分散颗粒的粒度 分布函数表示分散度，即 r l e， 口。匕扣p + 正：k 扣。 式中，y o 一一次颗粒的频率分布；y r 分散颗粒的频率分布；d p 颗粒直 径。显然当颗粒完全分散时，频率分布y o 和y d 重合，分散度为1 0 0 。分散 度越高分散性越好。但是这种分散度表示方法要知道粒度分布，实际运用很 不方便。为了测量的方便，研究人员又提出了许多分散度的间接定量表示方 法，并得到一定程度的应用。任俊等提出了用滑动摩擦锥角表征粉体分散性 能的分散指数。 2 6 2 粘着力法 粘着力评价法是根据颗粒的分散性与颗粒间的粘着力和分散力的关系提 出的，粘着力小，颗粒的分散性好。反之，分散性差。它通常用悬吊式抗张 强度破断装置测量。 2 6 3 图像分析法 。图相分析法是将样品用显微镜放大后，用电视照相机或数码相机摄影， 电视信号或影像通过接口输入数字化微机处理得出分散指标。图像法可以定 黑龙江科技学院硕士学位论文 量的分析和评价粉体的分散性。 2 6 4 分散度法 分散方法可用颗粒的分散度来表示。其测定方法为：把一定质量、的颗 粒置于分散度测量仪中，使颗粒体自由下落，测定落在正下方表面皿上的颗 粒质量w ，则分散度b 表示为：卢w o = - - w。当粉体的分散性越好时，彼 此之间的吸引越小，流动性也越好，表面皿外的粉体比例也越多，即分散度 越大，抗团聚分散性越好。分散度测量仅见图2 - 3 ( 圆筒高3 6 0 m m ，直径为 1 5 0 r a m ：表面皿直径为l o o m m ) 。 2 6 5 分散指数法 粉体分散的评价方法虽然有多种，但这些方法都有一定局限性。由于滑 动摩擦角测量方法简单、便捷，具有重要的实用价值。滑动摩擦角反映了作 用在粉体的某一单元层面由一对压应力和切应力组成的摩擦力作用。当切应 力达到一定值时，粉体沿斜面滑落，在斜面与垂直方向形成的夹角称为滑动 摩擦角a 。将分散后的粉体放入滑动摩擦角测量盒内，对于每个试验来说此 时的压实度和高度被保持一定，将测量盒一侧的插板打开，粉体自动滑动后， 以一定强度和频率振动测定盒基座，粉体出现振动磨擦面。然后测量磨擦斜 面的高度h ，和上台面水平长度c ，则滑动摩擦角可用下面公式表示： l 口a r c t g 兰兰。公式中b 是一个常数测量误差通常是在2 5 内。 h 粉体从运动状态变为静止状态所形成的这一滑动摩擦锥角与粉体流动性 有直接关系，它是研究粉体机理和流动性以及粉体的储存、运输、混合等实 际工艺操作和设计中必须掌握的重要参数。 把在一定条件下处理后的粉体滑动摩擦角a 与其自然状态的滑动摩擦角 a o 的比值定义为粉体的分散指数f 则分散指数f 为：f = a a o 。 在一定条件下，某种粉体的a o 有其确定数值。滑动摩擦角a 越大，粉体 的流动性越好，分散性越好，其分散指数f 也越大；反之，分散性差，分散 指数小。所以，分散指数是衡量粉体分散性好坏的一个重要标志。 3 1 黑龙扛科技学院硕士学位论文 除以上的几种方法可以表征空气中超细粉体颗粒的分散性外，还可以用 扫描和透射电镜法、粒度分析法等相对的表征空气中超细粉体颗粒的分散性。 2 6 6 扫描和透射电镜法 采用扫描电镜( s e m ) 和透射电镜( t e m ) 可以通过观察定性地评价粉 体的分散程度。由于它们的放大倍数高于普通的显微镜，所以特别适用于超 细粉体和纳米粉体的分散性的评价 2 6 7 粒度分析法 采用相同的测试仪器和测试条件，通过测定粉体在分散或表面处理前后 的粒度大小和粒度分布( 对比粒度曲线) ，可以相对的评价分散或表面处理前 后超细粉体的分散和团聚程度。一般来说，分散性越好，颗粒的粒度分布越 接近完全分散的粒度分布，相反，分散性越差，颗粒的粒度分布越远离完全 分散的粒度分布，向粗粒度方向移动。常用的设备有激光粒度分析仪、动态 激光散射仪。其基本原理是散射角与颗粒尺寸成反比。利用的基本假定包括： 颗粒尺寸大于入射光的波长，不同粒子对光的反射效率是相同的，颗粒是不 透明的，无法让光通过。具有以下优点：无需标准样品进行校正、宽的动态 范围、灵活性高、测定结果重现性好、测定速度快、分辨率高、样品可回收 再利用。 本实验将采用分散度法、粒度分析法、扫描电镜观察等方法来综合评价 静电分散效果。 2 7 本章小结 本章在前人研究的基础上，进一步总结了静电分散的机理，并且对影响 静电分散的主要因素进行了分析。同时，本章具体阐述了试验过程中用到的 设备以及进行本次研究的主要研究方法、内容、具体步骤等。得出以下结论： 静电分散对于超细粉体来说在理论上是可行性，是能够对超细粉体颗粒的团 聚现象起到抑制作用。而且对某一粉体颗粒来说，静电分散极限粒径只是场 强的函数，与场强的平方成反比，即场强越大，分散的极限半径越小i 椰】。影 黑龙江科技学院硕士学位论文 响静电分散的主要因素有：电压、粒径、空气湿度。提出通过设计特殊的静 电分散装置，来提高电场强度，从而使粉体颗粒群充分均匀荷电，增大静电 排斥力有利于粉体的分散。 在以下几章我们将通过制作特殊的静电分散装置，采用正交试验方法来 考查电压、粒径、空气湿度等因素对静电分散的影响程度，验证静电分散方 法是有效的。并用高精度粒度分析仪和扫描电镜等先进仪器结合分散度法综 合评价静电分散实验的分散效果，从而获得超细粉体颗粒抗聚团静电分散的 最佳效果的实验参数及方案。并且找出使超细颗粒最大限度的荷电的方式、 方法及荷电规律。 黑龙江科技学院硕士学位论文 第三章静电分散试验研究 3 1 超细煤粉静电分散试验研究 3 1 1 样品性质 本实验样品是取自双鸭山选煤厂的浮选精煤，粒度小于0 5r e n 1 ，灰分为 9 2 3 。通过x z i v t 一1 0 0 振动磨样机研磨、筛分等工序将此煤样制成d 5 0 分别为 1 1 4 5 9 m 、2 7 1 9 # m 、1 5 1 2 8 # m = 个粒度级的样品。用分散度测量仪测得三样 品的分散度分别为0 0 6 2 8 、0 0 8 1 8 、o 0 2 2 5 。 利用高精度激光粒度分析仪对各样品的粒度进行测量分析如下表所示： 表3 1 1 高精度激光粒度分析仪测量的样品粒度 3 1 2 正交试验的设计 以分散度和荷质比为考查指标，外加电压、粒度、湿度为因素设计试验。 由于考查指标为两个，属多指标问题，所以用综合平衡法对正交实验结果进 行分析。因素水平见表3 1 2 ，选用l 9 ( 3 3 1 正交表3 1 3 进行试验。 表3 12 因素与水平选择 黑龙江科技学院硕士学位论文 表3 1 3 样品煤正交试验表k ( 3 3 ) 3 1 3 静电分散过程 将煤的各样品按照设计的正交试验表依次通过静电分散器进行实验，并 将收集的样品进行荷电量的检测和分散度的测量，同时取部分分散后的样品 进行粒度分析和扫描电镜观察。本实验的主要考察指标是荷质比和分散度， 荷质比和分散度的计算公式如下： 荷质比( 蚓) = 粉体的电量粉体的质量；分散度户= w o 。- ，v ； 0 算出荷质比和分散度后，对其进行方差分析，分别得出各因素影响的显 著性顺序，确定煤粉的最佳静电分散方案。 3 1 4 正交实验结果及讨论分析 3 1 4 1 颗粒荷电量的测量及分散度的计算 用e s t l l 2 数字电荷仪对静电分散的样品的荷电量进行测量，用电子天 平称量样品的质量，根据公式：荷质比= 粉体的电量粉体的质量，计算荷质 比。每隔3 天测量一次，其荷质比随时间变化见表3 1 4 。 用自行设计制作的分散度测量仪对静电分散后样品的分散度进行测量， 用电子天平对样品的总质量和表面皿中的质量进行测量。按分散度计算公式 黑龙江科技学院硕士学位论文 芦一堡二w o 里进行计算。测得的分散度计算结果见表3 1 5 表3 1 4 荷质比随时问变化表 表3 l5 分散度计算表 3 1 4 3 , 正交实验结果 黑龙江科技学院硕士学位论文 表3 1 6 分散度的正交试验结果 优方案a i b 2c 2 表3 i 7 荷质比的正交试验结果 试验号电压a粒度b湿度c 虚拟列荷质比( 1 0 1 优方案 a 3b c 2 黑龙江科技学院硬士学位论文 为了便于综合分析，将考查指标随因素水平变化的情况用图形表示出 来，画在图3 1 1 中，为了看得清楚，我们将各点用直线连起来，实际上并 不一定是直线。 图3 卜l 考查指标随因素水平变化情况图 结合图3 1 - 1 和表3 1 6 、3 1 7 来分析每一个因素对各指标的影响，从而 找出最佳方案。 ( 1 ) 电压对各指标的影响。从表3 1 6 、3 1 7 可以看出，对于分散度和荷 质比来讲，考查指标越大越好，电压的极差在表3 1 7 中最大，对荷质比是最 大影响因素，而在表3 1 6 中处于第二位，对分散度是第二影响因素。从图 3 1 - 1 看，当电压取2 4 k v 时荷质比和分散度都较好；取2 7 k v 时，荷质比达 最大，分散度最小，但由于三次电压间分散度相差不大，所以综合考虑，电 压值取2 7 k v 时为最好。 ( 2 ) 粒度对各指标的影响。从表3 1 6 、3 1 7 看出，粒度的极差在表3 1 6 中最大，是影响分散度指标的最大因素，但不是影响荷质比指标的最大因素。 从图3 1 1 上看，当粒度d 5 0 = 2 7 1 m 时，分散度最好，而荷质比指标最差。 当粒度d s o = 1 1 4 5 , u r n 时，荷质比指标最好，而分散度指标处在第二，且与分 散度最大值相差不多，所以综合考虑，取粒度1 较好。 ( 3 ) 湿度对分散指标的影响。从表3 1 6 、3 1 7 可以看出，湿度的极差是 最小的，是对各指标影响最小的因素，但从图3 1 1 上看，空气湿度为5 1 的各指标明显好于干燥过的，因此，取空气相对湿度5 1 为最好。 黑龙江科技学院硕士学位论文 通过各因素的对各指标影响的综合分析，得出较好的试验方案是： ：电压，第3 水平，2 7 k v ； b l ：粒度，第1 水平，d m = 1 1 4 5 u m ； c 2 ：湿度，第2 水平，空气相对湿度5 1 ； 从表3 1 6 、3 1 7 中可以看出，此时分析出来的最好方案在已做过的9 次试验中没有出现，与它比较接近的是第7 号试验。在第7 号试验中只有湿 度c 不是处在最好水平，而湿度对各指标的影响是3 个因素中最小的。从实 际试验的结果看，第7 号试验的各指标虽不是最好，但都是较好的，与最好 的情况比较接近。因此，说明上面找出的最好方案是符合实际的。 为了最终确定上面找出的试验方案a 3b 1q 是不是最佳方案，按照这个 方案进行试验。试验结果如下： 分散度为0 1 0 0 7 、荷质比为6 2 7 0 2 x l o 3 , u c g - 1 ；而从表3 1 1 可知，7 号试 验的分散度0 0 9 0 6 、荷质比为2 4 5 6 5 x 1 0 c g 一，明显好于7 号试验的。并且 从图3 1 2 荷质比随时间变化曲线的对比来看，静电分散的放置时间会更长。 因此，试验方案a 3b lc 2 是最好的，放置时间可达6 天左右。 表3 1 8 最佳方案荷质比随时间变化情况表 时间d0369 图3 卜2 最佳方案与7 号试验荷质比随时间变化图 3 , 1 4 , 3 实验结果讨论与分析 本实验第三因素只有二水平，因此使用了拟水平法。由于一般认为，对 样品干燥是有利于分散的，所以第一次正交试验时第三水平拟用了第一水平， 7 6 5 4 3 2 l 0 3舌_【x，丑鼍稼 黑龙江科技学院硕士学位论文 但实际试验结果表明其分散效果不如空气干燥状态的，因此，又将第三水平 拟用了第二水平，设计了第二次正交试验，为了减少试验量第二次正交试验 中不包括与第一次正交试验中重复的。现将两次正交试验结果总结如下表： 表3 1 9 两次正交试验结果总结表 从表3 1 9 中并结合图3 1 3 、3 1 4 可以看出，在超细煤粉的静电分散中， 对煤样恒温1 2 0 、干燥1 小时，再进行静电分散，其分散度和荷质比都不 如空气干燥状态的，且时效性也较差。这与通常认为的干燥能消除液桥力从 而会强化静电分散效果是不符的。结合实验过程中观察的现象，认为可能是 以下的原因： 样品制备后，由于使用样品袋密封保存，这样就与空气隔绝不会吸附空 气中的水分，因此而产生的液桥力作用很小。当恒温干燥时，由于吸附水分 少所以失去的是内在水分这样就导致了毛细管吸附形成了聚团，从而严重影 响了静电分散效果。此外，干燥过的煤由于失去了水分，燃点低于空气干燥 状态的，并且比空气干燥状态的易燃，因此，当煤的细小颗粒在静电分散器 中下落过程中，有些细小颗粒被吸附在放电针的尖端，随着时间增长，电流 会发生增大现象，此时尖端会放出热量使颗粒炭化，甚至使个别针产生了电 火花放电，严重影响放电效果，因此导致了空气干燥状态的分散指标和荷质 比好于干燥状态的。 从表3 1 9 中各横行对比可看出，粒度、湿度一定的条件下，荷质比随电 压的升高而增大，这是符合以前的研究结果的。但分散度却不是严格的随电 压升高而增大，其中前三行是增大的而后三行是减小的，这是与以前的研究 成果粒度、湿度一定的条件下，分散度随电压的升高而增大不完全相符的。 从表中的竖行看，当电压与湿度一定的情况时，分散度与荷质比随粒度增大 的变化情况并没有完全符合理论上随之增大的现象。导致以上现象的原因可 黑龙江科技学院硕士学位论文 能是，粒3 的粒度太大、样品的团聚现象不明显、甚至不存在；测量操作误 差导致的；样品粒级范围太宽、颗粒粒度相对太大，当经过静电分散器时， 由于下落速度太快，荷电不充分、不均匀等导致的。 图3 1 3 、3 1 - 4 为湿度不同、其它条件相同时的荷质比随时间变化曲线。 图上清晰的反映出样品在空气干燥状态下的荷电效果要好于在干燥状态下的 荷电效果。 3 5 。3 ：2 5 b2 兰1 5 藿 - 枢0 5 0 时间d0 369 图3 卜3 粒2 湿度不同、2 4 k v 时荷质比随时间变化图 2 5 2 1 5 0 5 0 时间d 0369 图3 i - 4 粒3 湿度不同、2 1 k v 时荷质比随时间变化图 从图3 1 5 、3 1 6 、3 1 7 荷质比随时间变化曲线看，静电分散时效性的 保持时间取决于荷质比随时间的变化及荷质比的大小，样品的荷质比在o 3 天内里下降趋势，且下降较快，处于静电斥力起作用阶段；在3 6 天内荷质 比缓慢下降，处于分散稳定状态；6 9 天内下降平缓处于失效状态且逐渐开 始团聚。从图上也可看出，电压对荷质比随时间的变化影响较大，电压越高， 4 1 t 8 u tt，01【丑崾棺 黑龙江科技学院硕士学位论文 荷质比越高，放置时间保持越长。从图3 1 - 5 看最佳方案的荷电效果最好。 时间do36 9 图3 卜5 粒i 的荷质比随时问变化图 时间do369 图3 1 - 6 粒2 荷质比随时间变化图 时间do 369 图3 i - 7 粒3 荷质比随时间变化图 7 6 5 4 3 2 l o i - 3 j70【丑峰稼 3 5 2 5 1 5 0 2 1 0 1 1 8 6 ti-。【丑峰棺 5 3 5 2 5 1 5 o 3 2 l o k 6 ti-。_【丑峰撂 黑龙江科技学院硕士学位论文 3 1 5 静电分散前后粒度对比分析 为了进一步确定最佳方案，评价静电分散效果，使用高精度激光粒度分 析仪对静电分散后的煤样品粒度进行测量。测量粒度结果与原样粒度对比如 下表： 。 表3 1 1 1 分散前后粒度对比表 注：r5 23 2 为湿度第三水平虚拟为未干燥时的试验号。 为了更好的对比分析静电分散效果，绘制了静电分散前后各粒度变化的 曲线。这些曲线清晰的显示了静电分散前后粒度的变化情况，间接反映了静 电分散各因素的影响关系，各因素水平的好坏。各样品粒度变化曲线见图 3 1 8 、3 1 9 、3 1 1 0 。 从表3 1 1 1 和图3 1 8 、3 1 9 、3 1 1 0 可清晰的看出，静电分散方法使分 散前后粒度发生了明显变化，即分散后的粒度明显小于分散前的粒度，粒1 样品粒度变小程度最大，静电分散效果是最好的。表中效果最好是试验4 ， 比试验7 的粒度测试结果好的多，但这仍与正交试验的分析结果相符合，因 为最佳方案的粒度测试结果比试验4 还好，说明试验结果是符合实际的。静 电分散对超细煤粉聚团的分散作用效果十分明显，尤其是对粒度分布在 d 1 0 = 1 7 2 4 7 2 4 * m d 9 0 - - - 4 7 7 7 6 4 # m 之间最好。最佳方案的粒度测量结果与试验 黑龙江科技学院硕士学位论文 4 的粒度结果对比见表3 1 1 2 ，图3 1 - 1 1 。 粒径d i odso d 9 0 图3 卜8 粒1 静电分散前后粒度变化对比图 粒径i ) 1 0d 5 0d 9 0 图3 1 - 9 粒2 静电分散前后粒度变化对比图 粒径d i od 5 0d 9 0 图3 ，卜1 0 粒3 静电分散前后粒度变化对比圉 舳蚰加m 0 目墨趟巢 加册们加加0 目毒避鞣 o o o o o o o 龉惦m 0 目毯翼 黑龙江科技学院硕