超微粉加工機械發展綜述

       粉末是一種重要的基礎工業原料形式，粉末的制備技術在冶金、化工、醫藥、食品、建筑、電子、農業等許多領域中被廣泛應用，被粉碎的材料種類也多種多樣。自20世紀60年代提出超細粉末的概念,粉末粒度小于0.1μm(即在1~100nm之間)的稱之為超細粉末，又稱作納米粉末。
       許多國家將粒度微細化?粒度分布均勻化或顆粒形狀特定化?品質高純化?表面處理功能化的超細粉末稱之為超微粉,并將其作為發展的重點。目前，世界各國對超微粉的研究主要集中在制備?微觀結構?宏觀物性及應用四個領域，其中超微粉的制備技術是關鍵,因為制備工藝對超微粉的微觀結構和宏觀性能具有重要的影響。
1.超微粉的制備方法
制備超微粉的途徑大致有兩種:一是機械法,即通過機械作用將粗顆粒物質逐步粉碎;另一種造粉法,即利用原子?離子或分子形核和長大兩個階段合成,包括物理和化學兩種方式.本文重點介紹超微粉的機械制備方法及典型設備。
1.1 機械法特點
盡管利用機械法制備超微粉的設備類型繁多,但其開發的出發點主要圍繞發下幾點:
    (1)原理上考慮提高有效粉碎能,大多是利用沖擊?剪切?摩擦等力的綜合作用進行超細粉碎
    (2)結構上采用超細粉碎-分級組合型式,利用高效氣流分級裝置不但可提高微細化粒度,而且藉以實現粒度分布均勻化或特定化
    (3)材質上采用高耐磨材料作襯材,不僅可減少襯材磨損對粉體成分或色澤的污染,而且可以提高設備的使用壽命
    (4)超細粉碎與顆粒表面改性一體化的實施
    (5)特殊需求的粉碎,例如低溫粉碎等
1.2 主要制備超微粉的設備
    按照機械力的不同將其分為機械沖擊式粉碎機?氣流磨粉碎機?球磨機和射流粉碎機等
1.2.1 高速機械沖擊式粉碎機
    它是利用高速回轉轉子上的錘?葉片?棒體等對物料進行撞擊,并使其在轉子與定子間?物料顆粒與顆粒間產生高頻度的相互強力沖擊?剪切作用而粉碎的設備.沖擊式粉碎機可為渦輪式?氣流渦旋式?內分級式粉碎機等.圖1為較為典型的?由日本細川公司生產的ACM 立式高速機械沖擊微粉碎機，此類設備有如下特點:

   （1）可以通過不同轉子錘與定子襯的組合,能獲得最佳的沖擊速度和沖擊能量,并利用內設的高效分級裝置及時分離出合格產品,避免過度粉碎
   （2）特別適用于方解石?滑石?云母?大理石?石墨等硬度較低礦物的超細顆粒的制備
   （3）機蓋為可掀式，便于清掃，粉碎對象變更時不致于被污染
   （4）機內氣流的流動可起到降溫的作用，適用于涂料、合成樹脂食品、醫藥等弱熱型物質（軟化點較低的）的粉碎加工．亦可采用惰性氣體進行循環粉碎
   （5）可用于具有潛在粉塵爆炸危險的防爆粉碎系統。真空吸料機|真空上料機
1.2.2 氣流粉碎機
    氣流粉碎機又稱流能磨機或噴射磨機,利用高速氣流或過熱蒸氣的能量,使顆粒相互碰撞?剪切?摩擦而實現超細粉碎的設備.其產品純度高?分散性好,粒度細且分布較窄,顆粒表面光滑,廣泛用于化工?材料?電子?冶金?農藥?食品?生物?醫藥?軍工和航天等領域.目前工業上應用的氣流粉碎機可以分為:扁平式氣流磨;循環管式氣流磨;靶式氣流磨;流化床對噴式氣流磨等幾種.使用最早?應用最廣泛的扁平式氣流粉碎機如圖2所示,它主要由扁平圓盤空腔工作室?噴嘴?進料器?成品出口?氣室和工作室內襯組成，其特點:
    (1)結構簡單,沒有動部件,拆卸?維修?清洗簡便,操作方便
    (2)主機體積小,能連續生產并有自動分級功能
    (3)產量較大
    其主要缺點為產品易受到襯壁磨損材料的污染,尤其是在粉碎高硬度物料時,磨損嚴重
     圖3為另一種典型的氣流粉碎機-流化床對噴式氣流粉碎機的結構原理圖.它也被稱為流化床對撞式氣流粉碎機,由德圖Alpine公司于1981年研發成功,由料倉?螺桿?或重力加料裝置?粉碎室?高壓進氣噴嘴?分級機和出料口等組成.其特點為:
      (1)結構緊湊
      (2)磨損小,對產品的污染小
      (3)能耗低
      (4)產品粒度均勻,粒徑分布較窄
      (5)拆洗?清理較方便,生產過程自動化程度高,工作噪聲小
1.2.3 球磨機
       球磨機是無機非金屬材料加工中廣泛使用的一種粉碎機械,主要工作部件為圓形筒體,內裝載粉碎介質(球狀?棒狀等),筒體回轉時在介質的沖擊和磨剝作用下使物料粉碎。
       隨著材料科學與技術的發展,在傳統球磨機的基礎上研發出了離心式球磨機?振動球磨機?行星輪球磨機?攪拌式球磨機等超微粉加工設備.圖4為離心式球磨機結構圖。主要依靠筒體高速旋轉的離心力與空氣的擾動,使粉碎介質及物料間產生強烈的沖擊與磨剝,達到粉碎物料的目的。
       該球磨機粉碎效率高、能耗低，而且兼具表面改性與表面處理的功能，同時對由多種成分構成的物料具有良好的均質作用．目前這種機型已用于礦物質、金屬、非金屬材料、化學制品、纖維類物質的超細粉碎。
       攪拌磨機是另外一種高效的球磨機，是現代超細粉碎設備重要裝備之一，在各種超微磨方法中能量利用率較高，產品粒度較細，設備成本較低．其特點：
      （１）產品粒度分布均勻且容易調節，容易獲得所需產品細度
      （２）機械振動小，噪聲低
      （３）結構簡單，操作容易
      （４）能量利用率高，較普通球磨機節能５０％以上
      （５）比普通球磨機，節約鋼球耗20%~30%
       德國Gustav eirich機械公司發明的MAXX球磨機是一種可以進行干式或濕式連續作業的立式攪拌球磨機，基本結構由桶體、盤式攪拌器、帶進料管的固定導向器、電動機和皮帶傳動裝置等組成，其結構如圖５所示。
1.2.4 射流粉碎機
       射流粉碎機是利用高壓液體通過噴射器加速,形成高速射流,帶動其中的固體顆粒作高速運動,然后與靶板(超硬材料,如金剛石或寶石)或相反方向的另一股射流形成高速碰撞.由于強烈撞擊及金剛石產生的超聲振動,使其中的固體物料被粉碎.射流粉碎機有兩種類型,即靶板式和對撞式.射流粉碎機的特點:可以制備各種超細有機物的漿液及乳化液,經過多次次循環粉碎后,某些材料可達亞微米或納米級,并可制得懸浮性?分散性及均勻性極好的乳液。
1.2.5 其他粉碎設備
(1)超聲粉碎機
        利用超聲波振蕩的動能,使固體物料粉碎的一種設備.此設備多用于對分散系進行分散和乳化處理.應用領域涉及醫藥?食品?化工和生物制品等
(2)高壓膨脹粉碎機
       利用高壓技術將物料加壓后再突然泄壓而使物料超細粉碎的設備.此設備應用于大分子蛋白質與高分子纖維混合物的超細粉碎,且不破壞活性有效效成分.在食品?農副產品深加工行業有廣泛的應用
(3)低溫粉碎機
       將物料預冷至低溫(或是設備內部溫度為低溫)進行粉碎的設備.一般采用液氮為冷卻介質.該裝置主要適用于在常溫下無法粉碎的物料以及對中藥?西藥?農藥?化工塑料?橡膠等的低溫超微粉碎
       利用高壓脈沖,使浸于液態電介質中物料爆裂而粉碎的設備.主要用于冶金行業.能獲得高精礦和高回收率,同時還能減少礦物顆粒過度粉碎
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