功能粉体材料制备—5

1、学习要求学习要求: :1 1 参加课堂教学参加课堂教学2 撰写读书报告撰写读书报告1 1篇篇, 5000, 5000字，下列二方面内容选其一。字，下列二方面内容选其一。1 1）粉体材料和工程的某一专题。）粉体材料和工程的某一专题。2 2）制备某一粉体材料的技术研究开发方案。）制备某一粉体材料的技术研究开发方案。第五章 分级与表面修饰 参考书目参考书目1 1 卢寿慈主编，粉体技术手册，化学工业出版社，北卢寿慈主编，粉体技术手册，化学工业出版社，北京，京，20032003。2 2 李凤生等编著，超细粉体技术，国防工业出版社，李凤生等编著，超细粉体技术，国防工业出版社，北京，北京，20002000。

2、3 3 毋伟等编著，超细粉体表面修饰，化学工业出版社，毋伟等编著，超细粉体表面修饰，化学工业出版社，北京，北京，20032003。4 4 卢寿慈主编，工业悬浮液卢寿慈主编，工业悬浮液性能，调制与加工，性能，调制与加工，化学工业出版社，北京，化学工业出版社，北京，20032003。5 5 曾凡等编著，矿物加工颗粒学（修定版），中国矿曾凡等编著，矿物加工颗粒学（修定版），中国矿业大学出版社，江苏徐州，业大学出版社，江苏徐州，20012001粉体材料的分级粉体材料的分级粉体材料的表面修饰粉体材料的表面修饰内容提要内容提要第五章 粉体后处理分级与表面修饰第一部分 粉体材料的分级 粉体材料的分级粉体材料

3、的分级第五章 粉体后处理分级与表面修饰材材 料料 名名粒粒 度度 范范 围围粉末冶金粉末冶金精密陶瓷精密陶瓷电子复制调色剂电子复制调色剂电阻器，电介体，保护膜材料电阻器，电介体，保护膜材料IC底板底板(ZrSiO2,Al2O3,AlN,SiC,BeO等等)电容器电容器烧结瓷体烧结瓷体膜材料膜材料(电阻，导体，电介体等电阻，导体，电介体等)充填碳黑电子材料充填碳黑电子材料(防静电，导体防静电，导体)电子复制载体电子复制载体CVD、喷镀、网板印刷、喷镀、网板印刷(化学敏感器化学敏感器)金属超微粒触媒金属超微粒触媒磁性流体磁性流体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 新型材料所要求粉体颗粒直径粉体材料的分级粉体材料的分级第五章 粉体后处理分级与表面修饰 对超细粉体产品的分级比普通产品的分级要困难,原因是超细粉体比表面积大、表面能及表面活性高、易团聚结块及附着于固体表面不易分散。对超细粉体的分级须综合考虑以下三方面: 超细粉体的分级工艺条件; 超细粉体的分级设备; 超细粉体的分散性。粉

5、体材料的分级粉体材料的分级第五章 粉体后处理分级与表面修饰 分级技术是一门涉及机械、材料、化工以及流体力学等多学科的技术。根据生产工艺的要求，把粉碎产品按某种粒度大小或不同类型颗粒进行分选的操作称为分级。分级的方式筛分分级流体分级第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉体材料的分级筛分粉体材料的分级筛分 把固体颗粒置于具有一定大小孔径或缝隙的筛面上，使通过筛孔的成为筛下料，被截留在筛面上的成为筛上料，这种分级方法称为筛分。 第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉体材料的分级筛分粉体材料的分级筛分机种机种筛筛 面面 运运 动动 振幅振幅mmmm 频率频率次次/min/min 适用粒度适用粒度mmmm 固定

6、式固定式栅筛栅筛 25200 弧形筛弧形筛 0.30.6 运运动动式式回转筛回转筛 1520160 摇动筛摇动筛 10100 603001050 旋转筛旋转筛 50 156001260 振动振动 筛筛0.81290015000.1525第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉体材料的分级筛分粉体材料的分级筛分HYS300实验室用筛粉机1、 操作简单，保养容易操作简单，保养容易2、 可快速更换网层，不需任何可快速更换网层，不需任何工具，使用网层数可至工具，使用网层数可至8层层3、 任何粉体、液体、粒体均可任何粉体、液体、粒体均可4、 筛网粉末不飞扬，液体不乱筛网粉末不飞扬，液体不乱喷，粒体不跳喷，粒体

7、不跳5、 使用目数使用目数3.5目至目至400目。目。 为了说明筛分质量，引入了筛分效率的概念，即筛下料与总入筛料质量的百分比。筛分效率与颗粒与筛面的相对运动，料层的厚薄,筛孔形状和有效面积比，物料颗粒的大小分布规律和颗粒形状，过细颗粒的含量以及物料含水率等有关。工业上实际操作的平均筛分效率约为70%80%。第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉体材料的分级筛分粉体材料的分级筛分第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉体材料的分级流体分级粉体材料的分级流体分级 筛分作业要受筛网制作的限制，其筛分粒径下限为37m。即使是37m以上100m以下的筛分作业，其处理量少时准确程度也不可靠，因此，对于100m以下

8、的物料，则要根据不同粒径颗粒在流体（通常是气体）中受到离心力、重力、惯性力等的作用而产生不同的运动轨迹，从而实现不同粒径颗粒的分级。如果利用的流体是空气时如果利用的流体是空气时称干式分级，利用水时则称为湿式分级。称干式分级，利用水时则称为湿式分级。 机种机种分级原理分级原理静静态态重力分级重力分级 重力场中不同重力场中不同沉降速度沉降速度 适于粗粒分级适于粗粒分级（20020002002000mm）惯性分级惯性分级 不同粒径颗粒的不同粒径颗粒的惯性不同，形成惯性不同，形成不同的运动轨迹不同的运动轨迹 不需动力，适于较大的颗粒不需动力，适于较大的颗粒(10250(10250m)m)，较大的处理，

9、较大的处理能力，不适于精密分级能力，不适于精密分级 离心分级离心分级 旋风式、旋风式、 DS式式 比较细的分级（比较细的分级（550m），），不适于高浓度，精密分级不适于高浓度，精密分级其它其它 射流式射流式 喷射射流可以使粉体得到良好喷射射流可以使粉体得到良好的预分散，分级效率及分级精的预分散，分级效率及分级精度高，可获得多级产品度高，可获得多级产品 动动态态分级室回转型分级室回转型 需要动力，微粒分级需要动力，微粒分级（1100m）适于高浓度，精密分级适于高浓度，精密分级 叶片回转型叶片回转型 带颗粒分散型带颗粒分散型 第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉体材料的分级粉体材料的分级干式超细分

10、级 现在主要的干式超细分级设备大多采用离心或惯性力场的空气分级机，其原理在于根据颗粒的比重、粒度和和形状在空气中所受重力和介质阻力的不同，因而具有不同的沉降末速来进行的。超细颗粒分级的关键一环是颗粒的分散，在干式分级中，利用气流的急剧加速，使大小颗粒所受到的作用力不同而使得团聚的颗粒分散，或者利用剪切流场的速度差使粉料分散，也有采用障碍物的冲击而达到分散的目的。 第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉体材料的分级粉体材料的分级干式超细分级 干式精细分级机大多是伴随高速机械冲击式超细磨和气流磨，尤其是对喷式流化床气流磨的引进和开发而发展起来的。因此，目前占主导地位的几种干式精细分级机是日本的MS、M

11、SS和德国的ATP单轮或多轮涡轮式分级机。国内的干式精细分级机也大多是在上述分级机的基础上仿制或发展的。其中MS的分级产品细度可达d1010-6 m 左右，MSS和ATP型的分级产品可达d510-6 m左右。干式气流分级机示意图分级器切割粒径可由下式确定：其中：p 原料密度空气密度 K常数导向叶片角度 流体粘度Vi 二次空气入口速度r 半径R分级板半径S二次空气入口断面积h 分级空高度分级系统图气旋分级工作原理第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉体材料的分级粉体材料的分级干式超细分级BFBF空气分级机空气分级机 通用型空气分级机。采用通用型空气分级机。采用国际上先进的涡轮分筛理国际上先进的涡轮分

12、筛理论：旋转涡轮转子造成的论：旋转涡轮转子造成的离心力与空气所形成的向离心力与空气所形成的向心力之间的平衡，改变涡心力之间的平衡，改变涡轮转速（或串联的风机风轮转速（或串联的风机风量）即可达到细度的调节。量）即可达到细度的调节。第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉体材料的分级粉体材料的分级干式超细分级干式物料空气级机采用国际上先进的涡轮采用国际上先进的涡轮分级原理和结构。分级分级原理和结构。分级轮可靠，产品粒度分布轮可靠，产品粒度分布范围窄，而且整机结构范围窄，而且整机结构先进、分级可靠，经久先进、分级可靠，经久耐用。耐用。 第五章 粉体后处理分级与表面修饰应用举例垂直流型重力分级器垂直流型重力

13、分级器垂直型重力分级器垂直型重力分级器第五章 粉体后处理分级与表面修饰有效惯性分级机有效惯性分级机(Virtual Impactor)(Virtual Impactor)Virtual ImpactorVirtual Impactor分级机分级机第五章 粉体后处理分级与表面修饰应用举例射流分级机射流分级机射流分级机原理图射流分级机原理图第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉体材料的分级粉体材料的分级湿式超细分级 常用的湿式超细分级设备，主要是基于离心力沉降原理的螺旋式离心分级机和水力旋流器。水力旋流器的优点是：构造简单、价廉、无运动部件，生产量大，占地面积小，筒体内料浆停留时间短，工作很快达到稳定

14、的状态，分级效率高。其缺点是：磨损较严重，给料的浓度、粒度、压力要稳定，否则对工作指标的影响较大。水力旋流器广泛应用于分级粒度为0.0030.25mm的分级作业或分级粒度小于15m的浓缩或澄清作业。 第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉体材料的分级粉体材料的分级湿式超细分级 湿式分级机主要有两种类型：一是基于重力沉降原理的水力分级机；二是基于离心力沉降原理的旋流式分级机。这类分级机包括沉降离心机，如卧式螺旋离心分离机、小直径水力旋流器、LS离旋器、GSDF型超细水力旋分机等机型，这是目前湿式精细分级主要采用的设备。各主要精细分级机的性能及应用设备名称分级方式产品细度（m ）处理量应用范围MS型微

15、细分级机干式81505012000金属、化工原料、材料等MSS型超细分级机干式430308000金属、化工原料、材料等APT型超细分级机干式41805035000金属、化工原料、材料等射流式分级机干式3150100500金属、化工原料、材料等卧式螺旋离心分级机湿式110120M3 浆料矿物、金属粉、填料等GSDF超细水力分级机湿式210125M3 浆料矿物、金属粉、填料等小直径水力旋流器湿式345150M3 浆料矿物、金属粉、填料等应用举例错流式分级机图1 错流离心分级设备示意图 错流式分级机原理错流式分级机原理是介质运动方向与分级是介质运动方向与分级物料的给入方向呈夹角物料的给入方向呈夹角(

16、大多为大多为9090),),粘滞阻粘滞阻力与重力方向相反力与重力方向相反, ,此两此两种力确定颗粒下落的速种力确定颗粒下落的速度和时间度和时间, ,水平方向颗粒水平方向颗粒的运动速度确定颗粒的的运动速度确定颗粒的水平运动距离水平运动距离, ,粒径不同粒径不同, ,抛物线的轨迹不同。从抛物线的轨迹不同。从理论上分析理论上分析, ,错流式分级错流式分级机可以一次实现多粒级机可以一次实现多粒级的分级。的分级。第五章 粉体后处理分级与表面修饰应用举例水力旋流器各种形式的水力旋流器结构示意图应用举例叶轮式水力分级机叶轮式水力分级机叶轮分级机示意图叶轮分级机示意图1、给料口；、给料口；2、粗粒排出口；、粗

17、粒排出口；3、细粒排出口；、细粒排出口；4、二次介质进、二次介质进口；口；5、介质流动方向；、介质流动方向；6、离心力方向；、离心力方向；7、转子；、转子；第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉体分级评价定性评价定性评价 定性评价通常所采用的仪器是显微镜和定性评价通常所采用的仪器是显微镜和电镜。通过显微镜和电镜照片可以看出分级电镜。通过显微镜和电镜照片可以看出分级后的颗粒形貌后的颗粒形貌, ,粗略地估计颗粒的粒度分布粗略地估计颗粒的粒度分布, ,以及要得到粒度范围的颗粒是否混有其他粒以及要得到粒度范围的颗粒是否混有其他粒度范围的颗粒。度范围的颗粒。粉体分级评价定性评价定性评价 在粉体领域中通常用分

18、级精度和分级效率来在粉体领域中通常用分级精度和分级效率来定量地评价分级效果。分级精度和分级效率的高定量地评价分级效果。分级精度和分级效率的高低直接决定该项分级技术是否能够转化为生产力。低直接决定该项分级技术是否能够转化为生产力。因此分级技术必须对分级效率和分级精度进行考因此分级技术必须对分级效率和分级精度进行考察。分级效率常用牛顿分级效率和部分分级效率察。分级效率常用牛顿分级效率和部分分级效率来衡量来衡量, ,而衡量分级精度的方法为产品的粒径而衡量分级精度的方法为产品的粒径(d(d5050) )、分级精度指数、分级精度指数( () )、台拉、台拉(Terra)(Terra)指数指数(ET)(E

19、T)、不完全度、不完全度(Imperfection,)(Imperfection,)与分级锐度与分级锐度指数指数(Si)(Si)等。分级效率的概念有牛顿分级效率、等。分级效率的概念有牛顿分级效率、理查德分级效率和部分分级效率等但以部分分理查德分级效率和部分分级效率等但以部分分级效率较为常用。级效率较为常用。第二部分 粉体材料的表面修饰 第五章 粉体后处理分级与表面修饰 粉体材料的表面修饰是粉体材料制备、加工和应用过程中具有决定意义的关键技术，它又是建立在表面与胶体化学、固体物理、高分子化学与物理、有机化学、颗粒学等多种学科的科学基础之上的综合技术。按其修饰原理可分为表面物理修饰和表面化学修饰两

20、大类。粉体材料的表面修饰粉体材料的表面修饰第五章 粉体后处理分级与表面修饰 对粉体材料表面修饰的研究主要包括以下三个方面的内容：研究粉体的表面特性对粉体表面特性进行分析和评估。确定表面修饰的类型和工艺。粉体材料的表面修饰粉体材料的表面修饰比表面积大，表面能高表面存在活性高的化学键表面台阶和粗糙度大，出现非化学平衡第五章 粉体后处理分级与表面修饰改善或改变粉体粒子的分散性提高微粒表面活性使微粒表面产生新的物理、化学性能改善微粒与其它物质之间的相容性表面修饰的目的表面修饰的目的第五章 粉体后处理分级与表面修饰 粉体微粒表面修饰的方法按其原理可分为表面物理修饰和表面化学修饰两大类，按工艺则分为以下6

21、类：表面覆盖修饰、局部化学修饰、机械化学修饰、外膜层修饰、高能量表面修饰和沉淀反应表面修饰粉体材料表面修饰的方法粉体材料表面修饰的方法第五章 粉体后处理分级与表面修饰 表面物理修饰总的来说就是通过吸附、涂敷、包覆等物理作用对微粒进行表面改性，利用紫外线等离子射线等对粒子进行表面改性也属于物理修饰，表面物理修饰主要有以下2种方法：范德华力法和表面沉积法。表面物理修饰表面物理修饰第五章 粉体后处理分级与表面修饰粉末的团聚一般分为两种：软团聚和硬团聚 粉末的软团聚主要由于颗粒之间的范德华力和库仑力所致，该团聚可以通过一些化学作用或施加机械能的方法消除；粉末的硬团聚体内除了范德华力和库仑力外，还存在化

22、学键作用，目前人们对粉末硬团聚机理看法不一，其最具代表性的有：晶体理论、毛细管吸附理论、氢键作用理论和化学键作用理论。范德华力法防止微粒团聚范德华力法防止微粒团聚第五章 粉体后处理分级与表面修饰 反团聚应分两步进行:第一步,在成胶过程中,即由一次颗粒形成二次颗粒的团聚,目前在该方面研究较少。第二步,在干燥过程前,采用一些方法控制凝胶的二次团聚,人们在这方面做了大量工作。采用表面活性剂对纳米粉体表面进行修饰来消除硬团聚是目前最经济、应用较广泛的方法。反团聚过程反团聚过程第五章 粉体后处理分级与表面修饰 此法是将一种物质沉积到微粒表面，形成与颗粒表面无化学结合的异质包敷层，利用溶胶可以实现对无机粒

23、子的包敷，例如：将ZnFeO3纳米粒子放入TiO2溶液中，TiO2溶胶沉积到ZnFeO3纳米粒子表面，这种带有TiO2包敷层的ZnFeO3纳米粒子的光催化效率被大大提高了。 表面沉积法表面沉积法第五章 粉体后处理分级与表面修饰 通过粉体微粒表面与改性剂之间进行化学反应，改变粉体微粒的表面结构和状态，以达到表面改性的目的称为粉体微粒的表面化学修饰。该修饰法是粉体微粒获得有效应用的重要措施，是粉体材料研究与开发中的基础性研究课题。 表面化学修饰表面化学修饰第五章 粉体后处理分级与表面修饰 由于纳米微粒比表面积很大，表面键态、电子态不同于颗粒内部，表面原子配位不全导致悬挂键大量存在，使这些表面原子具

24、有很高的反应活性，极不稳定，很容易与其它原子结合，这就为人们利用化学反应方法对纳米微粒表面修饰改性提供了有利条件。表面化学修饰主要包括下述3种方法： 表面化学修饰表面化学修饰酯化反应法偶联剂法表面接枝法 利用酯化反应对纳米微粒表面修饰改性最重要的是使原来亲水疏油的表面变成亲油疏水的表面，这种表面功能的改性在实际应用中十分重要。例如:为了得到表面亲油疏水的纳米氧化铁，可用铁黄FeO（OH）与高沸点的醇进行反应，经200左右脱水后得到Fe2O3，在275脱水后成为Fe3O4，这时氧化铁表面产生了亲油疏水性，Al（OH）3用高沸点醇处理后，同样可以获得表面亲油疏水性的AlO（OH）3及中间氧化铝。 酯化反应法 酯化反应用的醇类最有效的是伯醇，其次是仲醇，叔醇是无效的。实验证明：用醇类与钛白粉反应时，要使钛白具有较好的亲油性，必须使用4以上的直链醇处理。当用醇类处理白炭黑时，白炭黑表面的酯化度越高，其憎水性越强。酯基易水解，且热稳定性差，这是主要缺点，但醇价格较便宜。 酯化反应法第五章 粉体后处理分级与表面修饰 当无机纳米粒子与有机物进行复合时，表面修饰变得十分重要。一般无机纳米粒子，如Al2O3，SiO2等,表面能比较高，与表面能比较低的有机体的亲和性差，两者在相互混合时不能相容，导致界面上出现空隙。解决上述问题可采用偶联技术，