作者：姜奉华、陶珍东 编著
出版社：化学工业出版社
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粉体制备原理与技术试读：
前言
粉体材料广泛应用于建筑材料、陶瓷材料、制墨和印染、冶金工业、物理、化学、橡胶工业、造纸、生物制药、军事、电子工业等，给这些行业的发展带来了新的机遇，因此粉体材料的制备技术越来越受到人们的重视，显示了它的重要性。
粉体制备原理与技术作为一门跨学科、跨行业的综合性学科，与材料科学与工程的发展密切相关。随着材料工业的不断发展，对粉体制备技术提出了越来越高的要求。本书以粉体制备方法为基础，全面、详细介绍了机械粉碎法制备粉体原理和技术，气流粉碎法制备超细粉体原理和技术，合成法制备超细粉体原理和技术（包括液相合成法、气相合成法、固相合成法），粉体分散原理和技术（包括分散剂的种类及其作用，粉体的分散方法），粉体表面改性原理和技术（包括粉体的表面改性剂，粉体的表面改性方法、工艺、设备）等内容。本书还重点介绍了其他内容，包括粉体的基本概念；粉体制备技术发展简史；粉体的特性（粉体的几何性能、粉体的物理性能、粉体的机械力化学性能）等。全书力求体现粉体制备新理论与新技术，强调内容的系统性、完整性、实用性。本书可作为广大粉体技术人员和研究人员的参考用书，也可作为粉体材料科学与工程专业的教学参考书或教材。
本书在撰写过程中得到了笔者所在单位的大力支持，他们为本书的编写提出了很多很好的建议，付出了辛勤劳动。本书编写分工如下：第1～5章由姜奉华编写；第6～7章由陶珍东编写。本书由姜奉华负责统稿，由陶珍东和王介强负责审阅。在编写过程中，青岛大学的张军教授，济南大学的曹丙强教授、王介强教授、郑少华教授等提供了一些有益的资料和建议，在此一并表示衷心感谢。
由于水平有限，书中难免存在疏漏和不妥之处，恳请读者批评指正。编著者2018年6月第1章 概述
粉体是指在常态下以较细的粉粒状态存在的物料。具体来说，粉体是由大量的固体颗粒及其相互之间的空隙所构成的集合体，如食品中的面粉、豆浆粉、奶粉、咖啡、大米、小麦、大豆、食盐；自然界的河沙、土壤、尘埃、沙尘暴；工业产品的火药、水泥、颜料、药品、化肥等，这些物质按照该学科的分类都属于粉体。它们的共同特征是：比表面积比较大，由许多大小不同的颗粒状物质所组成，颗粒与颗粒之间存在空隙。1.1 粉体的基本概念1.1.1 粉体的尺寸
根据颗粒尺寸的大小，常区分为一般颗粒（particle）、微米颗粒（microparticle）、亚微米颗粒（sub-microparticle）、超微颗粒（ultramicroparticle）、纳米颗粒（nano-particle）等。这些术语之间有一定区别，目前正在建立相应的标准进行界定。通常作为粉体学研-6-3究的对象，颗粒的尺寸为10～10m；而纳米材料研究的对象，颗-9-7粒的尺寸是10～10m。
随着科学技术不断发展，颗粒的制备技术不断地从毫米走入微米，从微米走入纳米。即使还不知道颗粒微细化的终点到哪里，但确实在不断逼近分子水平。20世纪90年代初，化学家关注的由60个碳原子组成的32面体的原子群等，一方面是分子簇，另一方面可以看到呈现具有粉体颗粒特性的状态。可以说人类的操作能力已进入分子和颗粒连续的时代。
广义上说，颗粒不仅限于固体颗粒，还有液体颗粒、气体颗粒。如空气中分散的水滴（雾、云），液体中分散的液滴（乳状液），液体中分散的气泡（泡沫），固体中分散的气孔等都可视为颗粒，它们都是“颗粒学”的研究对象。
从颗粒存在形式上来区分，颗粒有单颗粒和由单颗粒聚集而成的团聚颗粒，单颗粒的性质取决于构成颗粒的原子和分子种类及其结晶或结合状态，这种结合状态取决于物质生成的反应条件或生成过程。从化学组成来分，颗粒有同一物质组成的单质颗粒和多种物质组成的多质颗粒。多质颗粒又分为由多个多种单质微颗粒组成的非均质复合颗粒和多种物质固溶在一起的均质复合颗粒。从性能的关联度来考虑，原子、分子的相互作用决定了单颗粒与单颗粒之间的相互作用，决定了团聚颗粒或复合颗粒的特性；团聚与复合颗粒的集合决定了粉体的宏观特性，粉体的宏观特性又会影响其加工处理过程和产品的品质。
如上所述的物质既有像面粉那样的粉末，也有像大豆那样的颗粒物。那么，粉体的尺寸有没有一个尺寸界限呢？有人认为：小于1000μm的颗粒物为粉体，也有人以100μm为界，但到目前为止并没有形成共识。按照Allen和Heywood等人的观点：粉体没有确切的上限尺寸，但其尺寸相对于周围的空间而言应足够小。粉体是一个由多尺寸颗粒组成的集合体，只要这个集合体具备了粉体所具有的性质，其尺寸的界限并不重要。所以，尽管没有确切的上限尺寸，但并不影响人们对其性质的研究。1.1.2 粉体的形态
粉体既具有固体的性质，也具有液体的性质，有时也具有气体的性质。对于它的固体性质，因为不管颗粒尺寸多么小，它终究是具有一定体积及一定形状的固体物质；至于其具有的液体性质，需要具备一定的条件，即粉体和某种流体形成一个两相体系，此时的两相流就具有了液体的性质，即这个两相流虽具有一定的体积，但其形状却取决于容器的形状，譬如自然界中的泥石流。如果这个两相流中的流体是气体的话，这个两相流中的粉体体积相对较小、粉体颗粒尺寸也比较小；或者说粉体弥散于气体介质中，此时的粉体就具有了气体性质，即这个两相流既没有一定的体积也没有一定的形状；而粉体随风飘荡，沙尘暴就是非常典型的一例。所以，有人把粉体说成是有别于气、液、固之外的第四态。由于粉体在形态上的特殊性，使之表现出一些与常规认识不同的奇异特性，如粮仓效应、巴西果效应、加压膨胀特性、崩塌现象、振动产生规则斑图现象、小尺寸效应等。
如果构成粉体的所有颗粒的尺寸和形状均相同，则称这种粉体为单分散粉体。在自然界中，单分散粉体尤其是超微单分散粉体极为罕见，目前只有用化学人工合成的方法可以制造出近似的单分散粉体。迄今为止，还没有利用机械的方法制造出单分散粉体的报道。大多数粉体都是由参差不齐的不同大小的颗粒所组成，而且形状也各异，这种粉体称为多分散粉体。1.2 粉体制备技术发展简史
粉体一词最早出现于20世纪50年代初期，而粉体的应用历史则可追溯到新石器时代。史前人类已经懂得将植物的种子制成粉末食用。古代仕女用的化妆品也不乏脂粉一类的粉制品。粉体从古至今一直与人类的生产和生活有着十分紧密的关系，对粉体的认识、制备和应用已有几千年的历史。从食用的面粉到建筑材料、陶瓷原料、油墨、染料、涂料、医药等，粉体已广泛应用于人们的生产和生活中，其制备技术也随着科学技术的发展发生了巨大变化。1.2.1 古代粉体制备工具
甘肃省大地湾遗址出土大量彩陶的同时，出土了沾有颜料的石斧，由此推测，先民们开始用石斧粉碎颜料矿物，还出土了上百件研磨石、研磨盘，可能是用于研磨彩陶颜料的成套工具。研磨石有圆形、圆锥形、椭圆柱形，均有一个光滑的研磨面，研磨盘形状多样，但都有一个凹陷的磨坑。古代逐步发展起来用于粉碎固体的石斧、石榉、石臼、石磨、石碾等石器，原材料易得，材质污染小，制造简单，使用方便，因而得以广泛应用，有些地方石臼、石磨、 石碾等至今仍在使用。但石器不能用于粉碎硬度大的物料。古代铜器和铁器的出现，有助于粉碎硬度较大的物料。但生产效率仍较低，粉体粒度的可控性还较差。1.2.1.1 杵臼《周易·系辞》记载：“断木为杵，掘地为臼”，其原理就是以木、土撞击，对谷物进行加工脱壳，当然这里的“掘地为臼”，不是随便“掘地”挖个坑，而是挑选坚硬的土质，经过加工处理，方能为“臼”。随着农业生产的进一步发展，粮食产量有所提高，生产力也随之不断进步，木杵土臼这种粮食加工工具，已经不适应人类生活发展的需要，因此，一种较为先进的粮食加工工具石杵臼应运而生。
在不断的生活实践和实际探索中，人们对杵臼的认识越来越深刻，在制作杵臼的选材上，已经从“掘地为臼”逐步发展到用石、铁、铜、玉等质料为臼，在加工方法上，已经由手持石杵撞击加工，改进为利用杠杆原理的脚踏石杵臼加工方法。1.2.1.2 碓
碓是以木、石为材料做成的舂米器具。用于去掉稻壳的脚踏驱动的倾斜的锤子，落下时砸在石臼中，去掉稻谷的皮（“因延力借身重以践碓，而利十倍。”——《新论》）。1.2.1.3 石碾
石碾是我国历史悠久的传统农业生产工具，用于使谷物等破碎、去皮或使场地、道路等变平，北方大部分地区麦黍等粮食脱壳、去皮时使用石碾子。碾子由碾台、碾盘、碾辊和碾架等组成。碾盘中心设竖轴，连接碾架，架中装碾辊，多以人推或畜拉、水力使石质碾盘进行圆周运动，依靠碾盘的重力对收获的颗粒状粮食进行破碎去壳等初步加工，通过碾辊在碾盘上的周转达到碾轧脱壳的目的。该生产工具是我国劳动人民在几千年的农业生产过程中逐步发展和完善的一种重要生产工具，至今在许多农村地区仍有使用。1.2.1.4 石磨
石磨最初叫硙，汉代改称为磨。磨有人力的、畜力的和水力的。用水力作为动力的磨，大约发明于晋代。水磨的动力部分是一个卧式水轮，在轮的立轴上安装磨的上扇，流水冲动水轮带动磨转动，这种磨适合于安装在水的冲动力比较大的地方。假如水的冲动力比较小，但是水量比较大，可以安装另外一种形式的水磨。动力机械是一个立轮，在轮轴上安装一个齿轮，与磨轴下部平装的一个齿轮相衔接。水轮的转动是通过齿轮使磨转动的。这两种形式的水磨，构造比较简单，应用很广。
石磨是我国古代谷物加工中最重要的工具之一，它是社会生产力发展到一定阶段的产物。民间传说和文献记载石磨均为战国时期鲁班发明，但据考古发掘证明，早在新石器时代早期磨就已经存在。我们可将石磨的发展分为早、中、晚三个时期。
从战国到西汉为早期。这一时期的磨齿以洼坑为主流，坑的形状有长方形、圆形、三角形、枣核形等且形状多样极不规则。
从东汉到三国为中期。这一时期磨齿多样化，磨齿的形状为辐射分区斜线型，有四区型、六区型、八区型。
从西晋、隋唐至今为晚期。这一时期是石磨发展的成熟阶段，磨齿主流为八区斜线型，也有十区斜线型。石磨磨齿纯手工制作是一项专业性很强的复杂技术，其要具备合理、自然、科学的设计特征。
20世纪70年代，山西省平陆县利用当地的花岗岩资源，巧妙地将古老技术和现代化元素结合起来，创造出了用电动机驱动的石磨，具有固定和转动两部分，呈卧式结构，固定部分是在一长方形石头的一个长侧面上开出一个与转动部分相吻合的二分之一圆柱槽，转动部分制成圆柱体，中间凿孔穿入传动轴，二分之一圆柱石槽和转动圆柱相互接触区表面刻有类似古老石磨的花纹，加上相应的遮挡传动部分形成了古新结合的产物，曾风行一时。1.2.2 古代粉体制备与应用技术1.2.2.1 粉体用作建筑材料
公元前403～前221年的战国时代，出现用草拌黄泥浆筑墙，还用它在土墙上衬砌墙面砖。在我国建筑史上，“白灰面”很早就被淘汰，而黄泥浆和草拌黄泥浆作为胶凝材料则一直沿用到近代社会。
在公元5世纪的南北朝时期，出现了一种名叫“三合土”的建筑材料，它由石灰、黏土和细沙所组成。到明代，出现石灰、陶粉和碎石组成的“三合土”。在清代，除石灰、黏土和细沙组成的“三合土”外，还有石灰、炉渣和沙子组成的“三合土”。清代《宫式石桥做法》一书中对“三合土”的配备进行了说明，灰土即石灰与黄土的混合，所谓“三合土即灰土按四六掺合，石灰四成，黄土六成”。以现代人眼光看，“三合土”就是以石灰与黄土或其他火山灰质材料作为胶凝材料，以细沙、碎石和炉渣作为填料的混凝土。“三合土”与罗马的三组分砂浆，即“罗马砂浆”有许多类似之处。“三合土”自问世后一般用于地面、屋面、房基和地面垫层。“三合土”经夯实后不仅具有较高的强度，还有较好的防水性，在清代还将它用于夯筑水坝。
在欧洲大陆采用“罗马砂浆”的时候，遥远的东方古国——中国也在采用类似 “罗马砂浆”的“三合土”，这是一个很有趣的历史巧合。
我国古代建筑胶凝材料发展中一个鲜明的特点是采用石灰掺有机物的胶凝材料，如“石灰-糯米”、“ 石灰-桐油”、“ 石灰-血料”、“ 石灰-白芨”以及“石灰-糯米-明矾”等。另外，在使用“三合土”时，掺入糯米和血料等有机物。秦代修筑长城中，采用糯米汁砌筑砖石。考古发现，南北朝时期的河南邓县的画像砖墙是用含有淀粉的胶凝材料衬砌的。
中国历史悠久，在人类文明创造过程中取得过辉煌成就，为人类进步做出了重要贡献。英国著名科学家、史学家李约瑟在《中国科学技术史》一书中写道：“在公元3世纪到13世纪之间，中国保持着西方国家所望尘莫及的科学知识水平”；“中国的那些发明和发现远远超过同时代的欧洲，特别是在15世纪之前更是如此”。不难看出，中国古代建筑胶凝材料发展的过程是从“白灰面”和黄泥浆起步，发展到石灰和“三合土”，进而发展到石灰掺有机物的胶凝材料。
然而，近几个世纪以来，中国的发展落后于西方，尤其是到清朝乾隆年间末期，即18世纪末期以后，科学技术与西方差距越来越大。中国古代建筑胶凝材料的发展，到达石灰掺有机物的胶凝材料阶段后就停滞不前。西方古代建筑胶凝材料则在“罗马砂浆”的基础上继续发展，朝着现代水泥的方向不断提高，最终发明了水泥。1.2.2.2 粉体用于制造陶瓷
夹砂陶：新石器时代人们在制造陶器时，用陶土（一种黏土，含铁量一般在3%以上）作为原料，并掺入石英、长石等砂质粉体，以增强陶土的成型性能，降低陶坯在火烧过程中的收缩率，改善所烧出陶器的耐热急变性能，提高成品率和陶器耐用性。这种陶器称为夹砂陶。
彩绘陶：将陶器烧成后再行彩绘的陶器称为彩绘陶。所用的绘彩颜料为矿物粉体，并添加胶质物，使颜料贴附到陶器表面。1978年，在甘肃省天水市秦安县大地湾遗址出土的大地湾文化时期的白色彩绘陶，先用淘洗过的陶土烧制成细泥，再把含有较多方解石的“料姜石”烧熟后研磨成白色颜料粉，绘在陶器表面上。在陕西省西安市的秦始皇陵出土的彩绘陶兵马俑，用朱砂、铅丹、赤铁矿、蓝铜矿、孔雀石、雌黄、白铅等矿物粉体作为颜料进行彩绘。其中，1975年发掘的秦始皇陵兵马俑一号坑中有陶俑、陶马6000余件，形同真人、真马，色彩以大红大绿为主，有朱红、枣红、玫瑰红、橘红、粉红、紫红、粉紫、深绿、粉绿、天蓝、深蓝、珠宝蓝、杏黄、土黄、粉白等10多种颜色。
彩陶：将陶坯先彩绘再行焙烧的陶器称为彩陶。陶坯制成后在上面彩绘，一般以赤铁矿作为红色颜料，以软锰矿作为黑色颜料。将颜料矿物砸碎，研磨成粉，加水调和成颜料浆，使用类似毛笔的工具，在陶坯表面绘制各种图案。坯体绘彩后，有的用卵石等工具反复滚压、打磨，使陶坯表面质地致密、光洁细腻并且颜料嵌入坯表，牢固地附着在坯体上，使之成为坯表的有机组成部分而不致脱落，然后装入窑，用氧化性火焰经900～1100℃焙烧，便在橙红的底色上呈现出红、褐、黑等颜色的图案，并且颜料由于发生化学变化而与陶坯融为一体。
釉陶：施以低温釉的陶器称为釉陶。将长石、石英、大理石、石灰等粉体掺入黏土并加水调配成釉料，涂覆于坯体表面，经一定温度焙烧而熔融，冷却后就形成一薄层玻璃态的釉。按颜色区分，有绿釉、褐釉、黄釉、黑釉等。釉提高了陶器的机械强度和热稳定性，并可防止液体渗透和气体侵蚀，釉还具有使陶器更为美观、便于洗拭、不被尘土黏染等作用。我国商代出现原始釉陶。春秋战国时期出现的铅釉陶器，以铅黄作为基本助熔剂，用Cu和Fe的化合物作为呈色剂，在氧化性气氛中焙烧，呈现出翠绿、黄褐和棕红色，釉层清澈透明，釉面光泽平滑。唐代烧制闻名于世的“唐三彩”以黄、褐、绿三色为主的绚丽多彩的彩色釉陶，先用白色黏土（经挑选、舂捣、淘洗、沉淀、晾干等处理）作坯料，经1000～1100℃素烧，再用含有FeO、CuO、23CoO、MnO等的矿物作为着色剂，用铅黄作为助熔剂配成釉料，涂2覆后，经900℃釉烧而制成。在窑内釉烧时，各种金属氧化物熔融、扩散、任意流动，形成斑驳灿烂的多彩釉，有黄、绿、褐、蓝、紫、黑、白等颜色，造型有动物、器皿、人物。
瓷器：我国早在东汉时期就已成功烧制瓷器，是用高岭土作坯料，施釉后经1300℃高温焙烧而成，此技术比欧洲领先约1700年。所用的高岭土因最早出产于江西景德镇东乡高岭村而得名，又称瓷土、瓷石，其主要矿物为高岭石，含铁量一般在3%以下，粉体粒径小于2μm，是长石类岩石经长期风化和地质作用而形成的。瓷器的釉料品种很多，其中以颜色釉为主，是在釉料中加入金属氧化物粉体颜料而成的。唐代盛行蓝釉，宋代有影青、粉青、定红、紫钧、黑釉等，明代宣德年间尤以青花瓷闻名，是以氧化钴粉作为呈色剂，在坯体上进行纹饰绘制后，再施以透明釉，入窑一次烧制成高温釉下彩瓷器，清代乾隆年间，景德镇已有各种颜色釉60多种。1.2.2.3 粉体用于制墨和印染
出土于河南省安阳市殷墟的距今3300年的约15万片甲骨上，有黑色和红色的字迹4500个，经化验黑色是碳素单质，红色是朱砂。出土于湖北省云梦县睡虎地秦墓（战国末期至秦代的墓葬群）的墨丸，为最早出土的一块墨丸，是用碳素单质（煤、烟炱）与动物胶调和而成的。出土于河北省保定市望都汉墓的松塔形墨丸，黑腻如漆，烟细胶清，手感轻而致密，埋藏1800余年仍不龟裂。
在布料印染方面，我国古代最初用赤铁矿粉染红色，后来用朱砂；用石英和铅黄染黄色；用铜矿石染青色；用白云母和白铅染白色；用炭黑染黑色。1.2.3 现代粉体制备技术与设备
随着科学技术的发展，新设备、新工艺的出现，以及粉体不同的用途，对现代粉体制备技术提出了一系列严格要求：产品粒度细，而且产品的粒度分布范围要窄；产品纯度高，无污染；能耗低，产量高，产出率高，生产成本低；工艺简单连续，自动化程度高；生产安全可靠。
制备方法可为机械粉碎法、物理法和化学法。机械粉碎法是借用各种外力，如机械力、流动力、化学能、声能、热能等使现有的块状物料粉碎成超细粉体，简单地表述为由大至小的制备方法。物理法是通过物质的物理状态变化来生成粉体，简单地表述为由小至大的制备方法。化学法主要包括溶液反应法（沉淀法）、水解法、气相反应法及喷雾法等，其中溶液反应法（沉淀法）、气相反应法及喷雾法目前在工业上已大规模用于制备微米、亚微米及纳米材料。
目前，工业中用得最多的是通过粉碎法来制备粉体材料。对不同的粉体产品生产，每一道工序都必须配置具有相应功能的设备，从而形成了庞杂的粉体加工车间。1.2.3.1 传统的粉碎机械
粉体加工机械是应用机械力对固体物料进行粉碎作业，使之变为小块、细粒或粉末的机械。常见的机械粉碎方法有压碎、劈碎、折碎、磨碎、击碎等，而超细粉碎则要通过对物料的冲击、碰撞、 剪切、 研磨、 分散等手段而实现。传统粉碎中的挤压粉碎方法不能用于超细粉碎，否则会产生造粒效果。由于粉碎方法的不同，也使得传统的粉碎设备和超细粉碎设备有所不同，下面介绍一些典型设备。破碎机械根据结构和工作原理的不同可分为下列几种类型。（1）颚式破碎机 由于活动颚板对固定颚板作周期性的往复运动，物料在两颚板之间被压碎，适用于粗、中碎硬质料或中硬质料。（2）圆锥式破碎机 外锥体固定，内锥体被安装在偏心轴套里的立轴带动进行偏心回转，物料在两锥体之间受到压力与弯曲力而被破碎，适用于粗、中、细碎硬质料或中硬质料。（3）锤式破碎机 物料被快速旋转的锤子所击碎，锤子悬挂在转子上，由转子带动，适用于中、细碎硬质料或中硬质料。（4）反击式破碎机 物料被快速旋转的转子上刚性固定的打击板打碎，并且撞击到反击板上进一步被破碎，适用于中、 细碎硬质料或中硬质料。（5）辊式破碎机 物料在两个作相互旋转的辊筒之间被压碎，适用于中、细碎硬质料及软质料。1.2.3.2 传统的粉磨机械
由于粉碎方法的不同，而且被处理物料的性质也差异很大。为了满足需要，按结构和工作原理的不同，粉磨机械可分为下列类型。（1）笼式破碎机 它利用快速旋转的笼子对物料进行冲击粉碎，适用于细碎和粗磨脆性及软质材料，一般在玻璃工业中应用比较多。（2）球磨机 物料与研磨体在旋转的筒体中，由于研磨体被筒体带起，然后从一定的高度下落，能将物料击碎和磨碎，适用于粗、细磨硬质料和磨蚀性料。（3）立式磨 磨辊受到弹簧的作用紧压在旋转磨盘上，物料即在磨盘及磨辊之间被压、研碎，然后被空气带走。适用于细磨软、 中硬质料。（4） 辊压机 物料在一对相向转动的轧辊中被压碾碎，平滑高压轧辊的直径是长度的3倍。一个轧辊具有固定可调底座，粉碎所需的压力由液压系统施加于另一个轧辊上，轧辊通过万向轴由安装在轴上的行星减速装置驱动，物料从漏斗喂入两个轧辊的缝隙中，被压出来的物料呈片状，压片中含有粗粒和细粒，所以必须通过二次粉磨把压片松散开。适用于粗磨和细磨脆性物料。（5）振动磨机 振动磨是利用圆筒的高频振动，筒中的钢球或钢棒介质依靠惯性力冲击物料，介质冲击物料时的加速度可达10g～15g，因此具有结构紧凑、体积小、重量轻、能耗低、产量高、粉磨粒度集中、流程简化、操作简单、维修方便、衬板介质更换容易等优点，可广泛用于冶金、建材、矿山、耐火、化工、玻璃、陶瓷、石墨等行业制粉。（6）搅拌磨机 搅拌磨是超细粉碎机中最有发展前途而且是能量利用率最高的一种超细粉磨设备，它与普通球磨机在机理上的不同点是：搅拌磨的输入功率直接高速推动研磨介质来达到磨细物料的目的。搅拌磨内置搅拌器，搅拌器的高速回转使研磨介质和物料在整个筒体内不规则地翻滚，产生不规则运动，使研磨介质之间产生相互撞击和研磨的双重作用，致使物料磨得很细并得到均匀分散的良好效果。（7）行星磨机 行星式球磨机是针对粉碎、研磨、分散金属、非金属、有机类、中草药等粉体进行设计的，特别适合实验室研究使用，其工作原理是利用磨料与试料在研磨罐内高速翻滚，对物料产生强力剪切、冲击、碾压达到粉碎、研磨、分散、乳化物料的目的。（8）锤击磨 物料被高速旋转的锤头击碎，锤头自由地悬挂或固定在转盘上，击碎后的物料被下面的空气带走。若使用热空气时，还可以同时进行物料的干燥。适用于细碎和粗磨软、中硬质料。（9）自磨机 又称无介质磨机，它基本上不用研磨体，物料在旋转筒体中被带起，然后从一定高度下落，物料相互间产生连续不断的碰撞而被击碎和磨碎。适用于细碎、 粗、 细磨中硬质料和硬质料。（10）气流磨机 气流磨作为超细粉碎的一种重要设备，广泛应用于非金属矿物及化工原料的超细粉碎，产品粒度上限取决于混合气流中的固体含量，与单位能耗成反比。气流粉碎产品除粒度细以外，还具有粒度分布窄、颗粒表面光滑、颗粒形状规则及纯度高、活性大、分散性好等特点。1.2.3.3 超细粉体制备设备
在物料细微状态下，其物理及化学性质均会有明显的变化并出现许多优良性能。由于超细粉体粒度细、表面积大、分布均匀而且缺陷小，大大加快化学反应的速度，充分释放可燃性固体物料所含的能量，使药品的生化作用更加有效，使涂料、 油墨的色彩更亮泽，使涂料黏合更为牢固等等。为了利用这些特殊的性能，现代化工、电子技术等对其所用物料的细度提出了更高要求，因此，超细粉碎技术应运而生。从20世纪40年代开始国外就开始注重以超细粉碎、分级及改性为基础的粉体深加工技术。目前，国外的超细粉碎设备已经可以加工颗粒粒度为0.5～10μm任意窄级别的粉体。超细粉碎通过对物料的冲击、碰撞、剪切、研磨、分散等手段而实现。超细粉碎设备按不同的粉碎方式可分为：机械冲击式粉碎机、振动磨、搅拌磨、气流粉碎机等。（1）机械超细粉碎机
① 搅拌球磨机。超细粉碎机中最有发展前途，而且能量利用率最高的一种超细粉碎设备。
② 高速冲击式粉碎机。按转子的布置方式和锤头的个数、形式分为多种，其特点是粉碎效率高、粉碎比大、结构简单、运转稳定，适合于中、软硬度物料的粉碎，广泛应用于矿业、化工、建材、食品、药物等行业。（2）气流式超细粉碎机
① 圆盘式气流粉碎机。该气流粉碎机的腔体呈圆盘状而得名，圆周上的多个气流入口与固定的喷射环管成一定角度，使喷射气流所产生的旋转涡流既能使粒子得到良好的冲撞、摩擦，又能在离心力的作用下达到分级的目的。喷嘴喷射出来的空气的膨胀作用能降低粉碎室的温度。
② O形环气流粉碎机。原料由文丘里喷嘴加入粉碎区，气流经一组喷嘴喷入不等径变曲率的O形循环管式粉碎室，并加速颗粒使之相互冲击、碰撞、摩擦而粉碎。同时旋流还带动被粉碎的颗粒沿上行管向上运动进入分级区，在分级区离心力场的作用下，使密集的料流分流，细粒在内层经百叶窗式惯性分级器分级后排出，即为产品；粗粒在外层沿下行管返回继续循环粉碎。
③ 冲击靶式气流粉碎机。压缩空气从下部空气管送入，为了达到强制给料的目的，右上方安装有螺旋加料器，空气和物料在混合室内混合并以超音速与冲击板相冲击，从而将颗粒粉碎。气流连续喷射，颗粒经过一次冲击之后进入上升管，并在湍流作用下相互间撞击摩擦，从而达到超微粉碎的目的。
④ 对撞式气流粉碎机。它利用两股相对运动的高速气流夹带着颗粒对撞在一起，从而达到粉碎的目的。颗粒之间在混合气流作用下无规则的碰撞中向低压区移动，大量的混合粉体经连通管向上移动。细粉从上部排出；粗粉向下落，并在二次空气的夹带下通过料管重新进入粉碎区。（3）气力超细分级典型设备
① 离心转子式分级机。分级设备中的主导产品，现有多家公司生产，其关键部件略有不同。分级机工作部件主要是一高速旋转的转子，当气固两相流通过转子间隙由外向内运动时，颗粒在离心力场作高速旋转。较大的颗粒在强大离心力的作用下，被抛向器壁而失去动能，并在重力作用下，由排料口排出；较小的颗粒则在气体黏滞力的作用下，随气流向转子内部运动，成为产品而由出料口排出。
② 多次分散超微粉分级机。针对微细粉体的精密分级，在传统转子式分级机的基础上发展了带有多次分散风的分级机，这是一种切割粒径小至1μm的精密分级机。原料在一次空气的夹带下切向进入转子分级区域，沿器壁流动的同时被径向三次风吹散，空气与合格的细粉经过叶轮和细颗粒出口作为产品而收集；粗颗粒和团聚颗粒在下落的过程中，通过一个导向叶片环被分级区底部切向导入的二次空气再3次分散。其处理能力为50～1500kg/h，空气耗量为15～150m/min，转子转速为800～2300r/min。
③ 多转子微粉分级机。由上部多个转子构成的分级腔和底部分散装置组成的大处理量分级机，原料在分级机的底部被流化分散，然后被上升气流带入分级区。细粉通过转子叶片后在上部提出，进入收集器。粗粉及团聚颗粒在下落过程中，与切向导入的二次气流相遇再次分散后，通过底部的出口阀卸出。该机专门为高细度、大处理量的3分级过程而设计。其能力为1～6t/h，空气耗量为15～600m/min，转子的转速为300～2300r/min。分级切割粒径为5～15μm。
④ DS型分级机。一种无转子的半自由涡式分级机，含有微细颗粒的两相流，在负压的作用下旋转进入分级机。经沿上部筒体壁旋转分离后，部分空气和微粉通过插入管离开分级机；剩余部分需要进一步分级的物料，通过中心锥体进入到分级区。由于离心力的作用被分成粗粉和细粉。二次空气经过可调整角度的叶片进入分级室，以使颗粒充分分散，提高其分级效率。粗粉经过环形通道进入卸料仓，细粉从中心锥体下部排出机外。还有其他几种形式，如SPC型涡轮分级机等。1.2.3.4 粉体制备技术的发展方向
近20年来，为了满足“节能降耗”与“资源有效利用”的要求，粉体加工设备技术不断进步，主要体现在四个方面：从常规设计向优势设计的进化；粉体设备技术数字化；耐磨材料的多样化；设备功能组合的个性化。（1）粉体加工设备从常规设计向优化设计进化 所谓“常规设计”，就是按照已有的知识和规划，进行一般机器的设计。（2）粉体设备技术数字化 “数字化”是提高粉体加工设备技术水平的有效途径之一，它综合运用信息技术、计算机技术及控制技术的方法与成果，与粉体加工设备的设计、制造、模拟实验、运行相结合，更利于达到优化功能、提高性能和节省制造成本与运行费用的目的。（3）抗磨技术与耐磨材料的多样化 抗磨技术与耐磨材料是摩擦学与材料工程所研究的问题，也是粉体加工设备发展所必须面对的问题。（4）粉体加工设备功能的个性化 粉体加工设备的功能，不同于通常的制造业，其个性化要求高得多。特别是近20年来，功能个性化的趋势日益明显，除了受粉体加工原料与产品的多变性影响之外，还有一个市场争夺的因素。1.2.3.5 存在的问题及需要重视的方面
随着高新技术和新材料产业的发展，对超细粉体产品粒度、 纯度及粒度分布等各项精度要求也相应提高，其技术发展和工业化应用将进一步促进经济发展，同时又面临着节约能源、 保护自然环境等可持续发展战略的严峻挑战， 超细粉碎技术面临的问题也越来越多。为了满足今后社会生产的需要，在今后超细粉碎技术研究中应注重以下方面：
① 加强粉碎与超细粉碎基础理论的研究。
② 在深入研究超细粉碎理论和技术的基础上，注重学科交叉，积极借鉴其他学科知识。
③ 加强超细粉碎过程中的机械化学研究。
④ 改进现有超细粉碎设备，发展新型设备。
⑤ 寻求解决超细粉碎过程中磨损的有效途径。
⑥ 加强专用设备的研究，特别是超细粉碎设备，如有形状 （球形、 片状等）等特殊要求的粉体加工设备等。
⑦ 注重粉碎与分级的有机结合。
⑧ 粉碎是一个概率过程，其产物具有一定的粒度分布。应加强超细粉碎粒子的在线测试、监控及其相应监测仪器设备的研究。
⑨ 超细粒子的分散是制备高性能复合材料的基础， 研究超微细粉的团聚机理、探索消除硬团聚的有效途径，将有助于制备纳米相均匀的纳米复合材料，充分发挥其性能。
⑩ 粉体特别是纳米粉体的表面改性在粉体制备和性能优化方面也具有十分重要的意义。为此，应加强改性机理的研究，针对改性需要研究改性的方法、技术、测试手段及其相应仪器设备。1.2.4 现代粉体用途与应用领域
当今人们的衣、食、住、行生活中，国民经济的各行各业，无不与粉体密切相关，新材料、新能源、新工艺等领域的高新技术无不渗透着粉体的贡献，它的应用遍及材料、冶金、化学工程、矿业、机械、建筑、食品、医药、能源、电子及环境工程等诸多领域。（1）无机非金属材料工业 水泥、陶瓷、玻璃和窑业原料的粉碎、烧成和烧结、水硬性、研磨性，玻璃和陶瓷的特性，电极、反应容器等碳素制品的特性。（2）冶金和金属工艺学 粉末冶金、硬质合金、金属陶瓷、淬火和调质合金，选矿（包括浮选）的各种问题，团矿的各种问题，流动焙烧，自熔冶炼，高炉焦炭的强度和反应性，铸造的型砂、金属的塑性加工和组织结构，金属的表面处理，金属的腐蚀等问题。（3）颜料和感光剂工业 颜料和感光剂是在光、放射线、电场、磁场压力等条件下，表面出现独特性质的材料。其研究和生产领域涉及颜料的色调和涂附层的特性，照相乳剂、电子照相感光层、感压纸材料、感热材料、粉末系荧光体和涂层的特性、磁性录音、录像带等。（4）电化学和部分无机化学工业 主要涉及电池类的活性物质、碳素电极、拜耳法氧化铝的结晶特性、煅烧问题、固体肥料的固结问题等。（5）原子能和能源工业 主要涉及原子炉的陶瓷燃烧及石墨、氧化铍等高密度烧结材料、反射材料、由泥浆燃料的热引起周期性变形、固体燃料的着火性、粉尘的爆炸、固体炸药的特性、烧结、涡轮叶片等。（6）石油化学、高分子化学、有机精密化学工业 主要涉及各种固体催化剂的活性，流动催化剂层，乳剂、悬浮剂的分散聚合，橡胶或塑料的填充材料和配合剂，塑料的球晶化、纤维化，医药、农药的粉末性和造粒。（7）电子学 主要涉及集成电路的制造和分子加工、缺陷控制技术、磁芯、铁素体、烧结电阻体、退磁器、碳晶电极、电视机显像管的微粒子光电面等。
粉体的用途见表1-1。表1-1 粉体的用途1.2.5 纳米粉体用途与应用领域1.2.5.1 在半导体中的应用
当前微处理器已达到550万个晶体管的集成度、600MHz的频率和0.18的线宽，但仍不能满足技术发展的需要。例如， 2011年微处理器已达到10亿个晶体管的集成度、10GHz的频率和0.07的线宽，这使以硅为主要材料的超大规模集成电路（VLSI）的工艺和原理已达到极限，继续发展必须寻求工艺和技术突破，其途径之一为“光电集成”，在硅电路中用光连接取代电连接。然而，大块的硅或锗的发光效率很低，且发光波段在近红外，不适合“光电集成”。寻求一种有效产生光发射的硅基材料已成为材料科学的热点之一。半导体纳米材料在可见光区具有较高的发光效率，发光波段与发光效率可由纳米材料的尺寸加以控制。因此，多孔硅中的量子点结构、二元半导体化合物中的嵌埋结构及半导体超晶格材料，在光纤通信和光探测器方面有广泛应用。1.2.5.2 在磁性材料中的应用
纳米磁性材料包括纳米磁粉材料、纳米磁膜材料和纳米磁性液体。在铁磁质纳米磁性材料中，存在磁单畴结构，具有超顺磁性，即纳米结构的尺寸小于磁单畴的临界尺寸时，纳米结构中的原子磁矩有序化，具有顺磁质的特性；而在无外场时，对任何一个方向都不显磁性。加外磁场后，形成磁矩有序化，形成过程不是瞬时的，而有一个弛豫时间。超顺磁性材料，矫顽力远比普通材料大，对高密度磁记录元件十分重要。1.2.5.3 在催化剂领域应用
纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为催化剂提供了必要条件。目前纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等广泛用于高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂。如用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率提高100倍；以粒度小于100nm的镍和铜-锌合金的纳米材料为主要成分制成加氢催化剂，可使有机物的氢化率达到传统镍催化剂的10倍；用纳米TiO制成光催化剂具有很强的氧化还原能2力，可分解废水中的卤代烃、有机酸、酚、硝基芳烃、取代苯胺及空气中的甲醇、甲醛、丙酮等污染物。1.2.5.4 在医药卫生行业的应用
药品颗粒小容易被人体吸收，使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，在纳米的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品，纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；利用纳米技术制成纳米机器注入人体血管内，可对人体进行全身健康检查和治疗，吞噬病毒、杀死癌细胞、疏通脑血管中的血栓、清除心脏动脉脂肪沉积物、修复损坏器官，进行人体肢体再生、人体整容等；在人工器官表面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应，等等。1.2.5.5 在军事上的应用
能有效吸收入射雷达波并使其散射衰减的一类功能材料称为雷达波吸收材料（简称吸波材料）。吸波材料的研究在国防上具有重大意义，这种“隐身材料”的发展和应用，是提高武器系统生存和空防能力的有效手段。纳米金属氧化物由于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强等优点，成为吸波材料研究的热点。纳米微粉是一种非常有发展前途的新型军用雷达波吸收剂。例如，将纳米涂料涂在飞机上可以制造隐形飞机。1.2.5.6 在电子工业中的应用
在电子领域，可以从阅读硬盘上读取信息的纳米级磁读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米级存储器芯片都已投入生产。可以预见，未来以纳米技术为核心的计算机处理信息的速度将更快、效率将更高。利用纳米技术制造的分子逻辑器件的容量远远大于目前的微处理器和随机存取存储器芯片的容量，可实现通信瞬时化。采用纳米化材料后，计算机可以缩小成“掌上电脑”，体积将比现在的笔记本电脑小得多。1.2.5.7 在化学工业中的应用
在化妆品方面，纳米微粒由于具有良好的黏附力和对紫外线的吸收功能，可制成抗掉色的口红、防灼的高级化妆品。例如，在化妆品中添加纳米ZnO，既能屏蔽紫外线防晒，又能抗菌除臭。涂料方面，运用纳米技术可使涂料的许多指标大幅度提高，外墙涂料的耐洗刷性由1千多次提高到1万多次，老化时间延长两倍。例如，在涂料中添加纳米SiO可使其抗老化性能、光洁度及强度成倍提高；添加纳米2TiO可制成杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，用于房屋内墙2涂饰。陶瓷方面，纳米ZnO可使陶瓷制品烧结温度降低400～600℃，烧成品光亮如镜，加有纳米ZnO的陶瓷制品具有抗菌除臭和分解有机物的自洁作用。利用纳米碳管独特的孔状结构、大的比表面积、较高的机械强度做成纳米反应器，使化学反应在一个很小的范围内进行。第2章 粉体的特性
颗粒的性质决定了粉体的性质，粉体学涉及的基本理论主要研究颗粒的体相性质（大小与分布、形状、比表面积、堆积特性、磁电热光等性质）。2.1 粉体的几何性能
粉体颗粒是构成粉体的基本单位。粉体的诸多性质都由颗粒的大小、形状及分布状态所决定。颗粒的粒径（或粒度）是表征粉体所占空间范围的代表性尺寸。单个颗粒，常用粒径来表示几何尺寸的大小；对颗粒群，可用平均粒径、比表面积等表示。绝大多数颗粒群不可能是由同一粒径的粒子所组成的单分散系统，而是由不同粒度的颗粒组成的多分散系统。为此，对于颗粒群最重要的粒度特征是平均粒度和粒度分布。2.1.1 单颗粒粒径大小的表示方法
球形颗粒的大小可用直径表示，立方体颗粒可用其棱长来表示，其他形状规则的颗粒可用适当的尺寸来表示。有些形状规则的颗粒可能需要一个以上的尺寸来表示其大小，如锥体需要用直径和高度表示，长方体需用长、宽、高来表示。
真正由规则球形颗粒构成的粉体颗粒并不多。对于不规则的非球形颗粒，是利用测定某些与颗粒大小有关的性质推导而来，并使之与线性量纲有关。常用如下方式来定义它们的大小和粒径。2.1.1.1 三轴径
设一个颗粒以最大稳定度置于一个水平面上，此时颗粒的投影如图2-1所示。以颗粒的长度l、宽度b、高度h定义的粒度平均值称为三轴径。下面是几种不同意义的三轴径的计算式。图2-1 颗粒的投影图
算术三轴径： d= （2-1）3a1
调和三轴径： d= （2-2）a32
几何三轴径： d= （2-3）a33
表面几何三轴径： d= 3a4（2-4）2.1.1.2 统计平均径
统计平均径是显微镜测定的一个术语。显微镜的线性目镜测微标尺如游丝测微标尺，将颗粒的投影面积分成面积大致相等的两部分。这个分界线在颗粒投影轮廓上截取的长度，称为“马丁直径”d。m沿一定方向测量颗粒投影轮廓的两端相切的切线间的垂直距离，在一个固定方向上的投影长度，称为“弗雷特直径”d。如图2-2所示。f图2-2 马丁直径和弗雷特直径
显然，在显微镜下，一个不规则的颗粒的粒径d和d的大小均与mf颗粒取向有关。然而，当测量的颗粒数目很多时，因取向所引起的偏差大部分可以互相抵消，故所得到的统计平均粒径的平均值，还是能够比较准确地反映出了颗粒的真实大小。
还有一种表示颗粒统计平均粒径的方式，是用一个与颗粒投影面积大致相等的圆的直径来表示的，一般称为投影直径d。为了测定颗p粒直径，在显微镜目镜下的聚焦平面上，放置一块用玻璃板制成的量板，以取代线性目镜测微标尺。这种量板称为“帕特森量板”，如图2-3所示。量板上刻有直径由小到大排列的10个暗的和10个明的圆圈，其上的数字表示各圆圈的相对直径。利用显微镜物镜测微标尺，可以确定最小的那个圆圈所代表的直径大小，从而可以计算出其余各圆圈所代表的颗粒尺寸。量板上的长方形廓出了一部分待测的颗粒，将各个颗粒的投影面积与相应的圆圈相比较，就得出各个颗粒的投影直径d。这种方式简单、快速，但准确性较差。p图2-3 帕特森量板示意2.1.1.3 当量直径“当量直径”是利用测定某些与颗粒大小有关的性质推导而来，并使之与线性量纲有关。用得最多的是“球当量径”，如图2-4所示。假如某棱长为1的立方体，其体积等于直径为1.24的圆球体积，则1.24就是该颗粒的等体积球当量直径。类似地，还有等表面积球当量径。图2-4 球当量径的示意
从几何角度来看，球是最容易处理的，以球为基础，将不规则的颗粒看作相当的球，与颗粒具有相同体积的球直径称为等体积球当量径，计算公式：d= （2-5）V
与颗粒具有相同表面积的球直径称为等表面积球当量径，计算公式：d= （2-6）S
与颗粒具有相同比表面积的球直径称为等比表面积球当量径，计算公式： （2-7）
对于薄片状的二维颗粒，常用与圆形颗粒相类比的方法，所得到的粒径称为投影圆当量径，常用的有等投影面积圆当量径和等周长圆当量径。与颗粒具有相同投影面积的圆直径称为等面积圆当量径，计算公式：d= （2-8）S
与颗粒具有相同投影周长的圆直径称为等周长圆当量径，计算公式：d= （2-9）S2.1.2 颗粒形状
绝大多数粉体颗粒都不是球形对称的，颗粒的形状影响粉体的流动性、包装性能、颗粒与流体相互作用以及涂料的覆盖能力等性能。所以严格地说，所测得的粒径，只是一种定性的表示。如果除了粒径大小外，还能给出颗粒形状的某一指标，那么就能较全面地反映出颗粒的真实形象。常用各种形状因数来表示颗粒的形状特征。2.1.2.1 颗粒的扁平度和伸长度
一个不规则的颗粒放在一平面上（例如，放在显微镜的载玻片上），一般的情形是颗粒的最大投影面与支承平面相黏合。此时，颗粒具有最大的稳定度。如图2-1所示，扁平度为短径b与厚度h之比，伸长度为长径l与短径b之比，计算公式：m= （2-10）n= （2-11）2.1.2.2 表面积形状因数和体积形状因数
不管颗粒形状如何，只要它是没有孔隙的，它的表面积就一定正比于颗粒的某一特征尺寸的平方，其体积正比于这一尺寸的立方。如果用d代表这一特征尺寸，那么有：
表面积形状因数： φ== （2-12）S
体积形状因数： φ== （2-13）V
φ和φ分别称为颗粒的表面积形状因数和体积形状因数。显然，SV对于球形对称颗粒φ=π、φ=。各种不规则形状的颗粒，其φ和SVSφ值如表2-1所示。V表2-1 各种形状颗粒的φ和φ值SV2.1.2.3 球形度ϕc
球形度ϕ是一个应用较广泛的形状因数，其定义是：一个与待测c颗粒体积相等的球形颗粒的表面积与该颗粒的表面积之比。
表2-2为理论计算的一部分形状规则的颗粒的球形度值和少数几种物料的实测球形度值。表2-2 各种颗粒的球形度2.1.3 颗粒群的平均粒径
在粉体粒度的测定中，采用各式各样的平均粒径，来定量地表达颗粒群的粒度大小。本节简单介绍一些在工程技术上经常采用的平均粒径。设：
颗粒群粒径分别为d、 d、d、d、…、d、…、d；1234in
相对应的颗粒个数为n、n、n、n、…、n、…、n；总个数1234inN=∑n；i
相对应的颗粒质量为w、w、w、w、…、w、…、w，总质量1234inW=∑w。i
以颗粒个数为基准和质量为基准的平均粒径计算公式如下。
个数长度平均径：D= （2-14）nLD= （2-15）nL
长度表面积平均径：D= （2-16）LSD= （2-17）LS
表面积体积平均径D= （2-18）SVD= （2-19）SV
体积四次矩平均径D= （2-20）VmD= （2-21）Vm
个数表面积平均径D= （2-22）nSD= （2-23）nS
个数体积平均径D= （2-24）nVD= （2-25）nV
长度体积平均径
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]