粉體工程課件 1 顆粒學 粉體工程 及其進展 1 1顆粒 粉體 Particles 無所不在 空氣 海洋 湖泊 水 土壤 太空 多種來源 Chapter1粉體工程概論 a 自然界 巖石風化 火山活動 河流沖擊等等 b 人工 工業 幾乎每一固體材料在制備開始 末尾或中間至少經歷一個粉體階段 日常生活 空氣中塵埃 廢氣污染物 食物 可以說我們是生活在顆粒的世界 粉體是物質形態的一種特殊存在形式 在外觀表現上介于固體和流體之間 隨著細度的增加常常表現出千變萬化的性質 2 WorldCongressParticleTechnology日本人認為Particle嚴格來說是粒子或粒體而不是粉體 因為顆?？偸且苑垠w這種集合體的形式出現 集合產生了個體不具有的特殊性 粉體 粉體工程另一詞Kona更為傳統和更易于表達Particleandpowder 粉體 Powder 由細小固體顆粒組成的集合體 G Jimbo Funtai Powder ParticleandBeyond粉體與展望 2020 4 21 5 粉體與顆粒的關系 指出 KonaorFuntai ParticleorPowder顆粒 顆粒學 粉體是處于特定聚集狀態的物質 是一種分布于某一范圍內的大小顆粒之間相互作用的存在狀態 它與氣體 液體 固體相同嗎 第四相粉體 具有固體屬性 但粉體的表面積很大 使得自由能變得不可忽略 S surfacearea 大 吸引力 輸送 呈流體狀態 集合產生了個體所不具有的特殊性 粉體 散體粉體力學散體力學粉體力學與工程 專著 謝洪勇編著 粉體的特性 材料的機械 物理和化學性質描述了組成材料的物質組態的基本特性 當物質被 分割 成為粉體之后 上述三類性質則不能全面描述材料的性質 必須對粉體材料的組成單元 顆粒及其集合 進行詳細描述 2020 4 21 9 粉體工程的應用范圍 顆粒大小決定 影響 e g 水泥的凝結時間 強度 結構陶瓷的強度 韌度 功能材料的功能 催化劑的活性 食品的味道 藥物的藥力 顏料的著色力 顆粒大小 粉體系統各種性質影響很大顆粒集合 吸引力 輸送顆粒制備 粉碎 2020 4 21 10 e g 陶瓷材料性能由 a 材料組分 b 顯微結構 粉體特性 顆粒度 形狀 團聚狀態 相組分 亞微米 納米級超細粉 加速燒結過程中動力學過程 降低燒結時間 改善燒結體性能 e g 水泥工藝是兩磨一燒 水泥性能由a 材料組成 煅燒 b 顆粒度 顆粒大小及分布 水泥 溶膠 凝膠法 DSP DSP水泥 densifiedsystemscontaininghomogeneousarrangedultrafineparticle DSPcement 2020 4 21 11 非金屬礦行業對國民經濟和社會就業的貢獻和影響不斷提高 2000年非金屬礦工業總產值已達548 82億元 超過金屬礦工業總產值 435 34億元 非金屬礦產品與金銀銅鐵一樣 是社會發展不可缺少的重要物質資料 在出口方面 非金屬礦產品是我國改革開放以來出口創匯增長最快的產品 其巨大貢獻是不爭的事實 非金屬礦產品在 六五 期間出口12 5億美元 七五 期間達到25 7億美元 八五 期間超過53 7億美元 九五 期間超過100億美元 2000年出口創匯24 29億美元 2001年達到28億美元 2002年繼續保持增長勢頭 估計 十五 期間將超過180億美元以上 重要的戰略資源石墨 我們國家占世界儲量的90 以上 是世界上的最大出口國 纖維狀硅灰石也是重要的礦物資源 我們的出口量占世界貿易量的30 以上 粉體技術所涉及到的行業和產品應用 2020 4 21 13 粉體技術所涉及到的行業和產品應用 2020 4 21 14 粉體技術所涉及到的行業和產品應用 2020 4 21 15 粉體技術所涉及到的行業和產品應用 1 2顆粒學 粉體工程 Powdertechnology Particuology 1943年 美國Micromeritics 微晶學 微塵學 顆粒學最早著作 今天已發展為一門新興的綜合性技術學科 一門交叉學科 邊緣學科 超微顆粒是其中最為活躍的分支 Particuology 拉丁語Particula 希臘語Logia 顆粒的 學科 2020 4 21 17 Fineparticle顆粒從個體顆粒出發 稱為顆粒學 Powder粉體從集合粉體出發 稱為粉體工程學 研究范圍 粉體材料制備 加工和處理過程以及出現的現象 以顆粒性質 特征 內部結構為基礎 粉體技術是一門跨行業 跨學科的新興技術 包括粉碎 分級 分離 均化 混合 輸送 儲存 改性 造粒 粉塵爆炸以及粉體特性的研究和測試等 作為一個生產環節 粉體技術早已應用于各工業部門 但作為一項專門技術進行系統地研究 開發則是隨著現代工業技術的發展而形成的 2020 4 21 19 美國FineParticle協會 歐洲粉體技術研討會InternationalCongressonParticleTechnologyInternationalMineralProcessingCongress歐洲粉碎協會 EuropeanSymposiumonComminution 國際粉碎研究學會 InternationalComminutionResearchAssociation 國際礦物工程粉碎協會 MineralsEngineeringInternational ComminutionAssociation 2020 4 21 20 日本是比較重視粉體技術研究開發的國家1956年日本粉體工學研究會 粉體工學會志 他們于1971年成立日本粉體工業技術協會 APPIE 的標準委員會 并在1982年開始與日本工業技術標準調查會和ISO國際標準化組織聯合 制定系列粉體技術標準 亞洲顆粒技術粉碎工作組 ComminutionGroupofAsianParticleTechnology 等國際研究組織 著名研究機構與學者 國外美國國家標準實驗室賓夕法尼亞大學 Austin教授猶他大學 King教授德國Karlsruhe大學的Rumpf教授從固體物理學角度建立的粉碎規律德國Clausthal大學 Sch nert Leschonski教授日本東京大學井上教授名古屋大學 神保元二教授東北大學 Yashima教授 2020 4 21 22 著名研究機構與學者 國外美國杜邦公司美國P M 公司美國斯特蒂文特公司美國More Bouse Cowles公司 化工原料及非金屬礦的細磨及分散 日本細川 Hosokawa 集團 德國Alpine公司德國Bosch集團德國耐馳 Netzsch 公司法國烏爾特拉芬公司 2020 4 21 23 著名研究機構與學者 科研院所中國科學院過程所清華浙大武漢理工大學同濟大學北京科技大學華南理工 2 UFP 超微粉體概述 ultrafineparticles superfineparticles veryfineparticles 超細粉 超微粉 超微細粉 沒有統一的稱謂 微顆粒 fineparticles 超細粉體在廣義上指從微米級到納米級的一系列超細材料 狹義上是指從微米級 100納米的一系列超細材料 粗顆粒 coarseparticle 亞微顆粒 submicronparticles0 1 1 m 顆粒原子數109 1010個 超微顆粒 ultrafineParticelsnanometer毫微米10 9 微米級 1 m 亞微米級 0 1 1 m 納米級 0 1 m 部分學者的顆粒的單元尺度概念 可開發出多種新功能材料 物質新狀態 不能忽視表面的影響 2020 4 21 27 將物體逐步微細化就得到所謂的微細顆粒 這些顆粒單位質量的表面積比原來的塊狀固體要大得多 它與原塊狀固體的根本差別就在于此 當這一單純的差別超過一定程度時 這種顆粒在性能上就與原固體完全不同 成為 物質的新狀態 具有這種狀態的顆粒就叫 超微顆粒 UFP 它與通常的顆粒是有差別的 2020 4 21 28 超微顆粒的粒徑 即超微顆粒在性能上出現與原固體完全不同行為時的粒徑 根據性能的不同 有很大的差別 e g 磁性以及電阻等性能分別與磁疇的磁化過程以及載流子的平均自由程這種顆粒本身的內部有結構有著深刻的聯系 所以 超微顆粒的內部結構決定了它作為 超微顆粒 的臨界粒徑 2020 4 21 29 部有結構有著深刻的聯系 所以 超微顆粒的內部結構決定了它作為 超微顆粒 的臨界粒徑 超微顆粒作為物質存在的新狀態的概念正在逐漸為人們所接受 超微顆粒制備及其相關物性的理論與應用研究 正在形成與發展之中 2020 4 21 30 超微顆粒以其 體積效應 和 表面效應 顯著區別于一般顆粒 正因如此 引起了許多學者濃厚的研究興趣 并擴展到很多領域 如 光學 電子學 磁學 工業化學 結構及功能材料等 有的已進入實用階段 2020 4 21 31 因此 對UFP的進一步了解和研究 在現代科學技術中 顯得越來越重要 也是這門課程開設的目的 本課程主要介紹UFP的基本概念 特性 制備方法 測試和表征與有關應用 2020 4 21 32 顆粒學是一門新興的邊緣學科 交叉學科 多學科交叉領域 納米材料是其中一個分支 是材料制備科學的一次飛躍 日本 21世紀的重大科技 美國 國家基金會把納米科學列為優先支持領域 英國 作為重振英國制造業的突破口 德國 最大科研項目 關于UFP的尺寸界限 e g 磁性以及電阻等性質分別與磁疇的磁化過程以及載流子的平均自由程 顆粒本身的內部結構有密切聯系 UFP為何具有獨特的性能 首先 聯想到非常發達的表面 因為物質內部與表面原子所處環境是不同的 所以 UFP的內部結構決定了它作為 UFP 的臨界粒徑 UFP粒徑 大約1 100nm范圍也學者認為 5nm 1 m范圍納米 亞微米 e g 配位數為6的晶體本體原子 6個配位鍵完整表面原子 1個配位鍵折斷邊棱原子 2個配位鍵折斷隅角原子 3個配位鍵折斷 處在表面 邊棱 特別是隅角上的原子能級比起本體中的原子都要高 活性大 比較容易蒸發 溶解和起化學反應 顆粒越小 處于表面 邊棱 特別是隅角上的原子就越多 對于球形顆粒 S 1 d當d S 表面原子數 整體原子數 這時為數眾多的較高能級的表面原子便不能不對顆粒的性質產生影響 銅顆粒的粒徑和表面能邊長1mol中的1個顆粒中的全表面積表面能表面能與顆粒數原子數體積能10nm7 12 10188 46 1044 27 1079 4 10102 751 m7 12 10128 46 10104 27 1059 4 1080 0275e g 原子直徑0 2nm顆粒尺寸0 4nm 若每邊只能容納2個原子 整體原子數是8個原子 處于表面原子數目 mm2 erg 8個 表面原子占全部原子的百分數是100 若顆粒尺寸1nm時 表面原子 全部原子78 4 若顆粒尺寸20nm 表面原子 全部原子5 9 若顆粒尺寸1 m 表面原子 全部原子0 12 當顆粒尺寸 1 m時 表面原子份數 0 1 這種程度的表面原子的出現對物質性質影響不大 所以 1 m的顆粒不是UFP 定為上限 下限與上限一樣沒有明確范圍 返回首頁 進下一章 放松一下 若顆粒中只含有幾個原子 是原子團 這種微粒是物理學家或化學家研究的對象 不屬UFP范圍 工業上無應用 若d50 無熔點 分不清氣體 液體或固體 若d 5nm 原子數達數千以上 有穩定熔點 所以 有學者定1 m 5nm為UFP 納米 亞微米 也有學者定UFP粒徑 大約1 100nm范圍 2020 4 21 40 超細粉碎技術因高技術和新材料產業的進步而快速發展 全球自80年代以來各種超細粉體原料的需求量呈快速增長 據統計 中國在90年代之前 非金屬礦物超細粉產品還不足5萬t 96年已超過30萬t 2000年超過50萬t 2005年國內需求量將達140萬t 預計2010年將達200萬t 超微粉體 工業應用 2020 4 21 41 對超細粉的需求量將越多 越高 越廣 e g SiC超細粉 5 m1 9萬 3 5 m3 4萬 1 m10 15萬 SiC原料 5400元 深加工與普通加工的差價 可見超細粉碎和UFP制備的意義 目標 高純 超細 多功能和復合化 2020 4 21 42 在制備高性能陶瓷材料時 非金屬礦物原料越純 粒度越細 材料的致密性越好 強度和韌性越高 一般要求原料的粒度小于1 m甚至0 1 m 如果原料細度能到納米級 則制備的陶瓷稱為納米陶瓷 性能更加優異 是當今陶瓷材料發展的最高境界 非金屬礦加工技術是高技術陶瓷發展的關鍵 只有發展了非金屬礦物的高純加工技術和超細粉體加工制備技術才有高技術陶瓷材料的迅速發展 2020 4 21 43 顯像管是現代微電子 信息產業的重要器件 顯像管用的氧化鋁微粉平均粒徑一般為1 5 m 5 5 m 黑底石墨乳粒徑要小于1 m 管頸石墨乳小于4 m 銷釘及錐體石墨乳小于10 m 現代重要信息材料的復印粉及打印墨粉要求粒徑達到微米級 光纖及壓電材料的石英粉要求純度達到99 999 雜質含量要求為PPM級 現代高檔紙張用的高嶺土和碳酸鈣涂料要求白度達到90以上 細度 2 m含量超過90 沒有非金屬礦超細深加工技術的發展 現代微電子及信息技術的發展將被延緩 2020 4 21 44 復合材料的重要組分之一是無機非金屬礦物填料 包括碳酸鈣 高嶺土 滑石 云母 硅灰石 石英 氧化鋁 氧化鎂 碳黑等 這些非金屬礦物填料的粒度越細 與有機基質的相容性越好 復合材料的綜合性能就越好 解決超細問題要依靠超細粉碎技術 而解決與有機基質的相容性問題要依賴一種新的非金屬礦深加工技術 礦物表面改性 其它如特種涂料 高級磨料 催化劑載體 吸附材料等要求非金屬礦物原料純度高 粒度細或粒度分布較窄且表面活性好 因此 必須要對其進行提純 粉碎和分級以及表面改性等加工 2020 4 21 45 造紙工業從普通紙張到涂布紙及其它高級紙品的技術進步需要高純 超細和高白度的高嶺土 碳酸鈣 滑石等非金屬礦物涂料 冶金工業的技術進步要求高品位及一定粒度級配的高鋁非金屬礦物 硅線石 紅柱石 蘭晶石等 耐火材料及鎂 菱鎂礦 碳 石墨 復合材料 高分子材料的技術進步需要相容性好而且具有增強作用的非金屬礦物填料 如碳酸鈣 高嶺土 滑石 硅灰石 云母 石英 長石等 2020 4 21 46 還有非金屬礦超細深加工技術還與當代環保技術及其產業相關 許多非金屬礦物 凹凸棒石 海泡石 沸石 硅藻土 膨潤土 蛋白土 珍珠巖等經過除雜提純 活化處理 粉碎分級 成型造粒等加工后具有較高的活性和選擇性吸附的特性 可廣泛應用于處理廢水 廢氣 廢物及有毒物質 成為獨特的綠色環保產品 由于現代產業發展到對非金屬礦物原 材 料要求的提高是非金屬超細深加工利用技術發展的原動力 同時 現代科技革命和產業發展提高了非金屬礦超細深加工業自動控制 質量檢測的技術水平 2020 4 21 47 90年代以后 超微粉體技術在我國得到了長足的發展 許多專門從事超微粉體技術研究 開發的單位迅速成立 一個粉體技術熱點正在許多行業和研究領域形成 我國與超微粉體工程相關聯的企業也已超過一千家 全國各類超細粉碎和分級設備生產廠家已發展到近100家 2020 4 21 48 根據非金屬礦行業協會的報告介紹 到2010年超細非礦產品的年產量為713萬噸 需要超細粉碎設備980套 超細分級機1300臺 改性設備485套 后處理設備550套 按照現在的價格計算 設備總價值約32億元人民幣 除了在非金屬礦加工領域自身應用外 粉體加工技術和設備在化工 建材等行業也有較大的市場 其需求量與非金屬礦行業相當 2020 4 21 49 我國超微粉體技術總狀況是 能夠生產出目前在工業上應用的超細設備