超微粉加工机械发展综述

孙振起，陈 蓉，吴安如

(湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411101)



超微粉加工机械发展综述

孙振起，陈 蓉，吴安如

(湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411101)

介绍粉末作为一种原料形式在工程中的应用；阐述了制备微粉的常用方法，并重点介绍了机械法制备超微粉的方法及典型设备、特点及应用领域；就国内外近年来机械法制备微粉技术进展做了详细的研究，并对超微粉未来的发展方向及趋势做出了预测.

机械法；超微粉；制备技术；设备

粉末是一种重要的基础工业原料形式，粉末的制备技术在冶金、化工、医药、食品、建筑、电子、农业等许多领域中被广泛应用[1-7]，被粉碎的材料种类也多种多样.自20世纪60年代提出超细粉末的概念，粉末粒度小于0.1 μm(即在1～100 nm之间)的称之为超细粉末，又称作纳米粉末[6].由于纳米粉末具有常规粒子所不具的光学、磁学、力学、电学、化学活性等特性，其应用领域不断扩大，其中机械领域占40.3%，热能领域占34. 6%，电磁领域占12.9%，生物医学领域占8.9%，光学领域占2.4%，其它方面占0.9%[8].许多国家将粒度微细化、粒度分布均匀化或颗粒形状特定化、品质高纯化、表面处理功能化的超细粉末称之为超微粉，并将其作为发展的重点.目前，世界各国对超微粉的研究主要集中在制备、微观结构、宏观物性及应用四个领域.其中超微粉的制备技术是关键，因为制备工艺对超微粉的微观结构和宏观性能具有重要的影响.

1 超微粉的制备方法

制备超微粉的途径大致有两种：一是机械法，即通过机械作用将粗颗粒物质逐步粉碎；另一种造粉法，即利用原子、离子或分子形核和长大两个阶段合成，包括物理和化学两种方式.本文重点介绍超微粉的机械制备方法及典型设备.

1.1 机械法特点

尽管利用机械法制备超微粉的设备类型繁多，但其开发的出发点主要围绕发下几点：

(1)原理上考虑提高有效粉碎能，大多是利用冲击、剪切、摩擦等力的综合作用进行超细粉碎.

(2)结构上采用超细粉碎-分级组合型式，利用高效气流分级装置不但可提高微细化粒度，而且藉以实现粒度分布均匀化或特定化.

(3)材质上采用高耐磨材料作衬材，不仅可减少衬材磨损对粉体成分或色泽的污染，而且可以提高设备的使用寿命.

(4)超细粉碎与颗粒表面改性一体化的实施.

(5)特殊需求的粉碎，例如低温粉碎等.

1.2 主要制备超微粉的设备

按照机械力的不同将其分为机械冲击式粉碎机、气流磨粉碎机、球磨机和射流粉碎机等.

1.2.1 高速机械冲击式粉碎机

它是利用高速回转转子上的锤、叶片、棒体等对物料进行撞击，并使其在转子与定子间、物料颗粒与颗粒间产生高频度的相互强力冲击、剪切作用而粉碎的设备.冲击式粉碎机可为涡轮式、气流涡旋式、内分级式粉碎机等.图1为较为典型的、由日本细川公司生产的ACM立式高速机械冲击微粉碎机.此类设备有如下特点[6]：

(1)可以通过不同转子锤与定子衬的组合,能获得最佳的冲击速度和冲击能量，并利用内设的高效分级装置及时分离出合格产品，避免过度粉碎.

(2)特别适用于方解石、滑石、云母、大理石、石墨等硬度较低矿物的超细颗粒的制备.

(3)机盖为可掀式，便于清扫，粉碎对象变更时不致于被污染.

(4)机内气流的流动可起到降温的作用，适用于涂料、合成树脂食品、医药等弱热型物质(软化点较低的)的粉碎加工.亦可采用惰性气体进行循环粉碎.

(5)可用于具有潜在粉尘爆炸危险的防爆粉碎系统.

图1 ACM型机械冲击磨

1.2.2 气流粉碎机

气流粉碎机又称流能磨机或喷射磨机，利用高速气流或过热蒸气的能量，使颗粒相互碰撞、剪切、摩擦而实现超细粉碎的设备.其产品纯度高、分散性好，粒度细且分布较窄，颗粒表面光滑，广泛用于化工、材料、电子、冶金、农药、食品、生物、医药、军工和航天等领域[6].目前工业上应用的气流粉碎机可以分为[9]：扁平式气流磨；循环管式气流磨；靶式气流磨；流化床对喷式气流磨等几种.使用最早、应用最广泛的扁平式气流粉碎机如图2所示，它主要由扁平圆盘空腔工作室、喷嘴、进料器、成品出口、气室和工作室内衬组成.其特点[6]：

(1)结构简单，没有动部件，拆卸、维修、清洗简便，操作方便；

(2)主机体积小，能连续生产并有自动分级功能；

(3)产量较大.

其主要缺点为产品易受到衬壁磨损材料的污染，尤其是在粉碎高硬度物料时，磨损严重.

图2 扁平式气流粉碎机

图3为另一种典型的气流粉碎机-流化床对喷式气流粉碎机的结构原理图.它也被称为流化床对撞式气流粉碎机，由德图Alpine公司于1981年研发成功，由料仓、螺杆、或重力加料装置、粉碎室、高压进气喷嘴、分级机和出料口等组成.其特点[6]为：

(1)结构紧凑.

(2)磨损小，对产品的污染小.

(3)能耗低.

(4)产品粒度均匀，粒径分布较窄.

(5)拆洗、清理较方便，生产过程自动化程度高，工作噪声小.

图3 流化床对喷式气流粉碎机结构

1.2.3 球磨机

球磨机是无机非金属材料加工中广泛使用的一种粉碎机械，主要工作部件为圆形筒体，内装载粉碎介质(球状、棒状等)，筒体回转时在介质的冲击和磨剥作用下使物料粉碎.

随着材料科学与技术的发展，在传统球磨机的基础上研发出了离心式球磨机、振动球磨机、行星轮球磨机、搅拌式球磨机等超微粉加工设备.

图4为离心式球磨机结构图.主要依靠筒体高速旋转的离心力与空气的扰动，使粉碎介质及物料间产生强烈的冲击与磨剥，达到粉碎物料的目的.

图4 离心式流动球磨机结构

该球磨机粉碎效率高、能耗低，而且兼具表面改性与表面处理的功能，同时对由多种成分构成的物料具有良好的均质作用.目前这种机型已用于矿物质、金属、非金属材料、化学制品、纤维类物质的超细粉碎.

搅拌磨机是另外一种高效的球磨机，是现代超细粉碎设备重要装备之一[6]， 在各种超微磨方法中能量利用率较高，产品粒度较细，设备成本较低[5].其特点：

(1)产品粒度分布均匀且容易调节，容易获得所需产品细度；

(2)机械振动小，噪声低；

(3)结构简单，操作容易；

(4)能量利用率高，较普通球磨机节能50%以上；

(5)比普通球磨机，节约钢球耗20%～30%.

德国Gustav eirich 机械公司发明的Maxx球磨机是一种可以进行干式或湿式连续作业的立式搅拌球磨机，基本结构由桶体、盘式搅拌器、带进料管的固定导向器、电动机和皮带传动装置等组成，其结构如图5所示[5].

图5 Maxx立式搅拌球磨机

1.2.4 射流粉碎机

射流粉碎机是利用高压液体通过喷射器加速，形成高速射流，带动其中的固体颗粒作高速运动，然后与靶板(超硬材料，如金刚石或宝石)或相反方向的另一股射流形成高速碰撞.由于强烈撞击及金刚石产生的超声振动，使其中的固体物料被粉碎.射流粉碎机有两种类型，即靶板式和对撞式.

射流粉碎机的特点：可以制备各种超细有机物的浆液及乳化液，经过多次次循环粉碎后，某些材料可达亚微米或纳米级，并可制得悬浮性、分散性及均匀性极好的乳液.

图6 对撞式射流粉碎机

1.2.5 其他粉碎设备

(1)超声粉碎机

利用超声波振荡的动能，使固体物料粉碎的一种设备.此设备多用于对分散系进行分散和乳化处理.应用领域涉及医药、食品、化工和生物制品等.

(2)高压膨胀粉碎机

利用高压技术将物料加压后再突然泄压而使物料超细粉碎的设备.此设备应用于大分子蛋白质与高分子纤维混合物的超细粉碎，且不破坏活性有效效成分.在食品、农副产品深加工行业有广泛的应用.

(3)低温粉碎机

将物料预冷至低温(或是设备内部温度为低温)进行粉碎的设备.一般采用液氮为冷却介质.该装置主要适用于在常温下无法粉碎的物料以及对中药、西药、农药、化工塑料、橡胶等的低温超微粉碎.

(4)电能破碎机[10]

利用高压脉冲，使浸于液态电介质中物料爆裂而粉碎的设备.主要用于冶金行业.能获得高精矿和高回收率，同时还能减少矿物颗粒过度粉碎.

2 超细粉碎技术研究进展

虽然超微粉的制备方法有很多种，但大多数机械法都有一定的局限性，存在许多需要解决和完善的问题.有的方法超微粉的收得率不高，能耗相对较大；有的方法适合大批量工业化生产，但对原料选择性较强；在制取超微粉后分级困难等等.针对现有设备存在的问题，研究人员及工程师采用新技术、新工艺来设计新型设备、或对现有设备进行改造，以适应科研及生产的需要.

王晓博等人[11]以转子的固有频率为目标函数对锤片式粉碎机进行动态优化设计，为解决设备的振动、噪声等问题提供了有效的途径.田海清等人[12]设计了锤片式粉碎机的分段圆弧筛片，提高了生产率，物料粒度均匀性好.王战胜[13]发明了一种击磨组合的粉碎设备，可实现体积小、功能强大的粉碎效果，并且结构简单易于维修和更换易损零部件.刘伟峰等人[14]提出采用梯形筛片构成异型粉碎室的方法来提高锤片式粉碎机的性能，实验证明，异型粉碎室能有效地改善粉碎性能.祝战科等人[15]将冲击式超细粉碎机与气流磨的工作原理进行合理集成与创新，设计了新型对撞式超细粉磨分级设备，以满足工业化生产的需要.

江帆等人[16]将电场引入到高能球磨机中，对传统球磨机进行改进设计，以提高高能球磨效率.1988年日本研制的高效加压球磨机制备出粒度小于10 nm的Al-Fe合金[17-18].PLOCHBERGER D-I等人[19]对搅拌球磨机的搅拌器进行了改进，使设备生产率大大提高，并节约了成本.李元元等人[20]开发了一种等离子体辅助高能滚筒球磨装置.戴乐阳等人[21]将低温、处理剂以及能量场引入高能球磨机中，分析了其对制品细化的影响程度，结果表明，三者不同程度地促进了产品细化，其中，等离子体对产品细化作用最大.马秀林[22]介绍了一种节能球磨机的应用和发展情况以及带来的巨大的经济效益.李坤山等人[23]依据现代设计方法，基于绿色设计思想提出了无球磨机的开发模式.从不同阶段对无球磨机的绿色设计思想进行了深入探讨.

付胜[24]利用高压水射流的方法对矿物进行了粉碎试验研究，并用热力辅助高压水射流的方法进行了实验研究对比.后者将矿物加工的更细.牛助农等人[25]对传统射流粉碎机进行了改进，设计了一种新型复合式水力超细粉碎装置，并取得了良好的效果.吴贞贞[26]将超高压水射流技术应用于中药朱砂的粉碎，研究结果表明，此技术与传统的水飞法相比，具有效率高、无污染、成品率高等优点.

ZHANG X[27]利用超微粉碎法，加入了助磨剂，大大减小了产品尺寸，产品的稳定性得到了提高，小于微米的成分增加了9.3%.刘全军、BEARMAN R[28]在各自的研究中介绍了热辅助粉碎与微波辐射法辅助粉碎原理及应用状况.

3 超细粉碎技术的展望

随着技术的进步，超微粉的应用领域会不断扩展，市场需求急剧增加，产品出现出向高纯、超微方向发展的趋势.生产装备大型化越来越明显，分级粒度细、精度高、处理能力大、效率高的精细分级设备将被不断开发出来；发展粉碎极限粒度小、粉碎比和处理能力大、单位产品能耗和磨耗小、粉碎效率高、应用范围宽或可用于具有低熔点、低韧性强、高硬度等特殊性质的物料加工的方法与设备.

开发粒度大小、粒度分布的自动控制及测试技术，减少生产过程对环境的污染及节能技术具有重大意义.

运用新技术、新工艺对现有的工艺及设备进行改造，用更经济和更科学的方式制造出高附加值的产品，也是粉体加工技术发展的一个重要方向.

超微粉制备方法的研究，必须引起广大科技工作者的足够重视：首先加强对机械法制备超微粉的理论研究，尽早实现突破，对应用研究提供理论支持；其次，生产领域的科技人员在进行微粉制备生产的时候，可以对不同的方法加以综合利用，取长补短，以达到理想的制粉效果[17].相信随着制备技术的不断研究和发展，在不远的将来会有更多的、性能更优异的粉体材料问世，并能产生巨大的社会、经济效益.

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Review on Development of Ultra-micro Powder Processing Machinery

SUN Zhen-qi，CHEN Rong，WU An-ru

(College of Mech. Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China)

This paper introduces application of powder in engineering as an important raw material. First some common methods of preparing powder are presented. The methods of preparation of ultrafine powders by using machinery are also introduced. Typical equipment, characteristics and application fields are expatiated. Next, research progress at home and abroad in field of mechanical preparation technology is described. Finally, future development direction of ultra-powder is pointed out.

mechanical method; ultra-fine powder; equipment; preparation technology

2014-11-05

孙振起(1975-)，男，博士，讲师,研究方向：结构设计与优化.

TB48

B

1671-119X(2015)02-0034-05