濕法制備納米級負離子粉體研究及應用

李書,葛曉陵,蔣士忠

（華東理工大學,上海37）

摘要:具體敘述了超細濕法加工制備納米級功效負離子原理和方法,且介紹了納米級功效負離子性質、功效及其在工程中應用。

關鍵字:納米;電氣石;制備

0引言

納米顆粒制備是納米技術研究中關鍵組成部分。現在,納米顆粒制備大多采取化學法,經過控制化學反應生成速率來達成控制顆粒生核、長大及其粒徑分布。對單一元素納米顆粒制備也有經過高溫加熱使之從回轉變為液相、氣相,然后控制快速冷卻、霧化等方法制備納米顆粒。這些工作,為納米材料從試驗室走向市場打下了基礎。然而,中國真正走向市場納米材料現在仍不多。除了材料制備工藝本身不完善外,還受材料性能、儲存、使用中分散,以及它市場價位等很多原因影響。另外,在工業放大時還存在著放大難、成本高、產率低、副產品多,甚至還有污染等。在超細材料制備工藝中,除了化學法外,還有物理法,即高速粉碎方法。它是經過高速粉碎使礦物由大變小,直至超細。這種方法,價格低廉、工藝簡單、無污染、易工業放大,是現在中國非金屬礦產資源加工關鍵方法,也是中國多年來發展最為快速超細加工工藝。然而,這種加工方法僅能將顆粒粉碎到微米級或亞微米級,達成納米級是世界超細加工領域一直追求目標。本文選擇被超細加工對象為電氣石。電氣石是中國云南、新疆等地域特有寶石級礦藏。它有一個特殊功效,即熱電效應。在接收周圍能量時,它能夠和周圍環境能量交換,電離周圍空氣,激發空氣中電子放出,從而產生負離子,即空氣負離子。空氣負離子被喻為空氣維生素,或生長素,是人類提神醒腦保健空氣,負離子對人體健康含有極大作用。1納米級負離子制備采取濕法超細加工方法。濕法超細加工與干法超細加工相比,含有加工成本低、工藝參數易控制等優點。濕法分級可取得粒度很細產品,而且產品粒度分布范圍可控制比較窄。關鍵利用離心力分級原理,采取離心機作為關鍵分級設備,經過控制合適工藝條件及分離粒徑實現固體懸浮液中固體顆粒分級。該機結構原理如圖1所表示。離心機內單個顆粒運動軌跡受力如圖2所表示。

分級時,含固體顆粒懸浮液從離心機頂部進料口沿中心管向下運動,進入下腔,在旋轉離心力作用下,均勻地以穩定速度進入以角速度為W高速旋轉轉鼓內,當大顆粒進入轉鼓時,大顆粒因質量大,離心力大,較易克服和擺脫拽滯阻力,且受布朗運動影響小,可在較短時間內取得較大離心加速度而率先達轉鼓內壁邊緣沉降。而小顆粒即使在離心力場中徑向運動能力也等到了加強,但加速慢,受滯阻力和布朗運動影響較大,抵達轉鼓內壁邊緣所需時間長,這么當同一物質顆粒群沿軸向運動到轉鼓上出料口時,粒子在轉鼓內運動最終止果是:抵達轉鼓壁邊緣大顆粒因附壁而發生沉降,在分離腔內液體中其它顆粒,則按粒徑大小從轉鼓到軸心依次分布。

為研究方便,提出以下假設進行簡化:超細粒子是單一球體;在離心力場中,顆粒在軌跡上任意一點對應半徑R處力與離心力處于改變過程,并忽略慣性力影響;液體軸向運動為活塞流,并忽略端效應,同時顆粒與液體間沒有滑動,流體與轉鼓間無相對運動;則離心分級機內粒子P受到離心力Fc為

上式表明,對于一定顆粒及一定介質,其受到離心力隨旋轉半徑R和旋轉角速度W增大而增大,W增大效果最顯著。在離心沉降過程中,同一顆粒所受到介質阻力F9為:式中:m—粒子質量（kg）;

R—粒子徑向位置（m）;

d—顆粒直徑(m);

Ps—粒子濃度(kg/m3);

Po—介質密度(kg/m3);

W—分級腔旋轉角速度(rad/s);

K—阻力系數;

Vx—顆粒徑向運動速度(m/s);

當介質阻力與離心達抵達成平衡時,顆粒在離心力場沉降速度最大值且為恒速Vox,Vor可由下式導出:Fc=Fp

固體顆粒離心沉降速度Vox可用下式表示:

層流區

式中:Vox—顆粒離心沉降速度(m/s);

Vt—顆粒重力沉降速度(m/s);

Fx—分離因數;

R—顆粒相對于轉軸中心徑向位置（m）;

W—轉鼓旋轉角速度(rad/s);

D—顆粒直徑(m);

N—液體介質粘度(Pas);

g—重力加速度(m/s2);

Ps—固相密度(kg/m3);

Po—流體密度;

離心分級機內流場可為過渡區和湍流區,在這兩個區內顆粒沉降速度各不相同。

因為在液體中運動細微顆粒含有很低沉降雷諾數,假如進料浮流中固相質量分數很低,顆粒之間作用能夠忽略,則可認為顆粒處于層流區。據此假設,可推出顆粒從分級轉鼓進料口沉降到轉鼓內壁時間t為:

式中:R2——轉鼓旋轉半徑（m）;

R1—轉鼓內液體進料處旋轉半徑（自由液面半徑）（m）;

顆粒在轉鼓內停留時間t0為

To=V/Q

式中:Q—液體流量(m3/h);

V—轉鼓有效容積（m3）;

要使粒徑小于d粒子能從轉鼓流出,就必需使直徑為d顆粒從進料點經分離區抵達轉鼓內壁而沉降時間,恰好等于顆粒在轉鼓內停留時間,即因為通常分級時采取水為液體介質,且分級機是固定,所以上述式中V、R2、R1、n、P0都是定值。對上式進行處理可得出顆粒直徑為:從上述諸式均可得出:對于確定物料,能夠經過改變分級機轉速和流量來控制流出顆粒直徑,從而實現超細物料分級。

離心分級機用于超細粉體分級時,必需以水作為介質,而且必需將超細粉體均勻地分散于水中制成懸浮液才可進行分級處理。其分級時工藝步驟見圖3。本文經過濕法加工中各個操作參數改變以及助磨劑選擇,將320目負離子電氣石顆粒加工到2um以下,其中會產生一定量0。1um以下納米超細顆粒。先將電氣石與磨球按一定百分比放入球磨機磨一定時間后,取出將其置入離心機中,采取高速離心固/液分級技術,將1um以下固/液混合物分級出來,然后再經過二次分級,將0.1um以下納米顆粒分級出來。采取特種固/液分離技術,將經過二次分級后納米超細顆粒和液相分離。因為很細,懸浮在液相中極難再分離,再加上經過二次分級后,固/液含量比很小,通常壓濾、離心方法極難得到高質量分數納米顆粒濾餅。采取特殊分離方法,可將固/液比提升到0.4~0.7以上,然后直接進行干燥處理。

用LS激光粒度分析儀測出電氣石樣品平均粒度約為0.117um左右,納米級顆粒（≤100nm）何種百分比約占總何種30%左右。

2負離子工程應用

納米負離子粉體含有很大市場前景:它能夠添加在化纖中,織成纖織物,做成人體衣飾,在人體能量作用下,不停地產生負離子。對促進人體皮膚新陳代謝、提神醒腦、消除人體異味,含有一定作用。它是中國功效性保健衣飾發展方向。比如將負離子超細粉體制成母粒在紡絲時加到纖維中即可制成多種規格負離子功效纖維,與棉紡制成襪子、內衣等,紡成無紡布制成保健保暖內衣,作為枕頭、被子、床墊填充料,交織后制成室內裝飾材料等。比如因為負離子纖維含有清除異味、良好遠紅外輻射及保暖率,當制成七孔負離子纖維時纖維蓬松度大大提升,在羽絨制品上能夠替換部分羽絨。將七孔負離子制成一定厚度無紡布作為羽絨制品內襯,外部填充羽絨,覆上內外面料即制成了含有七孔負離子高蓬松羽絨制品。另外,它還能夠做成多種纖維裝飾面料,對保持室內清新,消除室內煙、油味含有一定作用。能夠添加到油漆、涂料、木板粘劑中,對促進甲醛釋放,保持室內裝修后空氣清新,不停釋放負離子等含有一定作用。所以,經過添加納米負離子處理油漆、涂料等新產品是中國室內裝修業發慌綠色環境保護產品關鍵方向之一。

若將該工藝推廣到非金屬礦行業,尤其是納米高嶺土、納米碳酸鈣等行業,就可在非金屬礦深加工領域翻開新一頁。直接經過粉碎分級工藝來達成納米級技術現在在世界上還未見報道。3結語納米級功效負離子制備技術難點是在二次超細分級技術中,將超細加工負離子電氣石粉體分級到0.1um以下。以及在固/液分離技術中,將經過分級后含納米顆粒低質量分數固/液提升到0.4~0.7之間,進行烘干（或噴霧干燥）。影響離心分離機分級效果原