超細(xì)粉體的分散技術(shù)及其應(yīng)用綜述

1、專家Expert任俊 匸學(xué)博I:.研究員。第汕屆“中國青年顆粒學(xué)獎(jiǎng)”獲得者, 1983年畢業(yè)于東北大學(xué)礦物加匸工程專業(yè);1983- 1994年在冶金工業(yè)部 包頭稀土研究院工作：1994一 199曲匚任北京科技人學(xué)資源工程學(xué)院攻讀碩 士、博士學(xué)位,獲工學(xué)博士學(xué)位:1999一 2001年在南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué) 院高分子化學(xué)與物理流動(dòng)站做博L詬研究匸作：2001年到現(xiàn)在心中國科學(xué) 院理化技術(shù)研究所工作。主耍從事微細(xì)顆粒在液相及空氣中分散和賴粒農(nóng)I" 改性抗團(tuán)聚分散技術(shù)研究，I詢，主要從事智能材料、納米顆?？煽丶夹g(shù) 研究，納米顆?？箞F(tuán)聚分散及納米熱同性涂料的開發(fā)研究丁作。近年來, 研究成果獲得

2、省部級科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，申請國家發(fā)明專利頤,在J. Col loid and Interface SciencXMateria 1 s Chemistry and Physicd、 < Powder Techonog 莎、（Ch i nese Sc i ence Bulletin 等國內(nèi)外刊物 I： 發(fā)表研究論文90余篇，出版專著2部，參編號著3部。聯(lián)系方式 e-ma i 1： rjna i I. i pc. aa cir戈 racj ohu com超細(xì)粉體的分散技術(shù)及其應(yīng)用綜述任俊 研究員/中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所中國粉體工業(yè)g 1 2007專家中國粉體工業(yè)g 1 2007專家超細(xì)粉

3、體的分散是展礎(chǔ)研究領(lǐng) 域和業(yè)技術(shù)部門普遍遇到的課 題。其應(yīng)用口益廣泛。如化工、醫(yī) 藥、涂料、造紙、建筑、材料及冶 金、仃品等。分散技術(shù)不僅是提爲(wèi) 產(chǎn)品（材料）質(zhì)杲和性能及提爲(wèi)工 藝效率不可缺少，而且是十分重要 的技術(shù)手段。超細(xì)粉體材料合成與制備是當(dāng) 今科技界引人注H的研究領(lǐng)域Z 一。性能不同形狀各異的超細(xì)粉體 材料都可通過物理或化學(xué)等人工合 成的方法制備。但足，山于超細(xì)粉 體粒度小，極易產(chǎn)生Fl發(fā)凝并，表 現(xiàn)出強(qiáng)烈的聚團(tuán)特性，不論在空氣 中還是在液相中均易生成粒徑較大 的二次粉體，聚團(tuán)的結(jié)果導(dǎo)致超細(xì) 粉體材料性能的嚴(yán)重劣化。另方 面,在貝合材料的制備過程中,由 于趙細(xì)粉體的這種強(qiáng)烈團(tuán)聚持件和

4、它9復(fù)合基體材料的極性差異，超 細(xì)粉體很難均勻地分敬在基體材料 中形成均質(zhì)復(fù)合材料,使貝合材料 的件能難以達(dá)到人們偵期的效果。 趙細(xì)粉體強(qiáng)烈的團(tuán)聚特性嚴(yán)眞制約 著超細(xì)粉體材料廣泛而仃效的N 用，成為超微技術(shù)進(jìn)步發(fā)展的瓶中國粉體工業(yè)g 1 2007專家中國粉體工業(yè)g 1 2007專家Expert中國粉體匸業(yè)g 1 2007專家頸。如何保證超細(xì)粉體在制備、貯 存及蘆后的應(yīng)用加工過程中保持分 散而不聚團(tuán)大”，以及超細(xì)粉體 在復(fù)合材料中能允分分散成為超微 粉體，待別是納米復(fù)合技術(shù)未來發(fā) 展和應(yīng)用的關(guān)健.因此,超細(xì)粉體 的抗團(tuán)聚分散技術(shù)對拓寬趙細(xì)粉 體材料的應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)高性能的 員合材料是至關(guān)賈要的.

5、超細(xì)粉體的分散體系分散體系足指-種或一種以上 物相以粉體形式離散分布在某種連 續(xù)相中所構(gòu)成的多相體系.在分散 體系中連續(xù)相稱為分敬介質(zhì)，而離 散分布的粉體稱為分散相或分散 體。分敬相及分散介質(zhì)可以是固 體、液體或氣體.因此，分散體系 共冇：氣一氣，氣一液，氣一固，液 一氣，液一液，液一固，固一氣，固 一液，同一周九種形式。晨1是典 型的分散介質(zhì)和分散相及常見的分 散體系組合舉例。分散應(yīng)用領(lǐng)域粉體碰掩是否引起團(tuán)聚，取決 于體系的綜合物理化學(xué)條件，歸根 到底取決于粉體間的綜合表面力, 而這些表面力受體系中粉體與分敬 介質(zhì)的作用、粉體間的相互作用和 介質(zhì)分子間的相互作用三種阜本作 用的支配。因此，研

6、究體系屮粉體 與分散介質(zhì)的作用、粉體間的相互 作用和介質(zhì)分子間的和互作用三種 廉木作用.研究支配粉體團(tuán)聚的物 理的及化學(xué)的機(jī)制，研究防止粉體 團(tuán)聚的各種有效途徑及方法，研究 趙細(xì)粉體的分敬技術(shù),尸發(fā)有針對 性的各種分散工藝，設(shè)備及藥方， 便顯得格外重耍.粉體分®的科學(xué) 技術(shù)便由此發(fā)展起來。隨著粉體分散在科學(xué)研究及生 產(chǎn)實(shí)踐中的重要性逐漸被人們所認(rèn) 識和揭示,粉體分敬技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn) 已兒乎遍及化學(xué)化工、材料、冶金、 建筑、能源、代品、醫(yī)藥、建材、農(nóng) 業(yè)等所冇工業(yè)領(lǐng)域（圖1）。2005年在化學(xué)工業(yè)出版枕出版 的冇關(guān)粉體分散技術(shù)的顆粒分散 科學(xué)與技術(shù)專著從膠體化學(xué)、表 而（界而）化學(xué)理論、材

7、料學(xué)及顆 粒技術(shù)出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了顆粒的 性質(zhì)、顆粒間的相互作用、顆粒表 面改性、顆粒在不同介質(zhì)中的分散 理論、分散持征、分散方法和技術(shù)， 同時(shí)述介紹了顆粒分散的分散劑、 分散設(shè)備、評價(jià)方法以及分散技術(shù) 在諸多工業(yè)中的應(yīng)用.它不僅反映 了著者的最新科研成果和觀點(diǎn)，同 時(shí)也反映了國內(nèi)外顆粒分散技術(shù)的 新進(jìn)展和科學(xué)前沿。分散設(shè)備粉體的分散、混合與均化在粉 體技術(shù)中有三個(gè)目的。其一是便團(tuán) 聚粉體的碎解和分散，盡力使團(tuán)聚中國粉體匸業(yè)g 1 2007專家中國粉體匸業(yè)g 1 2007專家表1典些的分散介質(zhì)與分散相分散介質(zhì)分散相ffr 注水大芬數(shù)無機(jī)扯.筑化物、硅酸4無機(jī)粉體鋅.金屬粉體尊二氣化伏.um.氧

8、化鋅（鋅口九鋅狽白. 石舉.泱黑.篠黑.苯胺黑.跌黃.法紅，鐵冇機(jī)極性液體乙二醇、乙醉.環(huán)己醇.甘汕. 丙鮒等無機(jī)粉體等、金園粉體等煞.鋸員、輅綠.鐵藍(lán)：聯(lián)苯胺黃耐光黃. 厲偶銃黃.u筲盎.臥誇綠，大紅粉.W!d.冇機(jī)非極性液體環(huán)己烷、二甲苯、苯、阿氯化 磯、煤油、烷竝類汕等大多數(shù)疎水粉體等碳酸鈣硅酸鈣.瓷土.云母.戟軟化鋁. 滑石粉.碇石.鋅粉.鋁粉.黃銅粉.二氧氣體存種氣體人姜數(shù)無機(jī)鹽.筑化物、硅酸 鹽、無機(jī)粉體等、金啊粉體 （大多數(shù)甌水粉體竽化認(rèn)包覆的鱗片狀云母.位鱗，喊式牘酸劭. 氧氯化祕.摻朵冇活性劑的硫化鋅或硫化 俯.iai ZnS/Cu. ZnS/Ag：摻仃佬或蝕等放液體水、何機(jī)

9、極性或右機(jī)非極性有機(jī)極性物質(zhì)、有機(jī)非極性射性元素的硫化物等.紅丹.云母片.玻璃溶劑物質(zhì)或水綃片等液體水、有機(jī)極性或有機(jī)非極性 溶劑各種氣體髙聚物貝介材料圧體聚丙烯、聚苯乙烯、環(huán)氣樹 脂.聚乙烯.聚怖、址龍、聚 緘乙怖、聚貝fth J圣橡膠、 二元乙丙椽膠、環(huán)氣堿丙橡 膠、氯J橡膠等二氧化硅、三氧化鋁、H碳 屎、吐酸鹽、碳化硅、氫氣化 鉗、淆石.堿酸臂、氧執(zhí)化樸. 二氣化鐵、碳黑、石黑、硅灰 石、玻璃纖維、族種金屬粉體 等中國粉體匸業(yè)g 1 2007專家Expert粉體達(dá)到單粉體分散：其：是在粉 體制備過程中由F各部分或前后生 產(chǎn)的產(chǎn)品的成分或粒度不均勻，而 在使用時(shí)需要性能均一的粉體材 料，為

10、了消除各部分性能上的差 異，需要對粉體材料進(jìn)行分散、混 介與均化處理：其三金，仃些粉體 材料需要進(jìn)行改性處理，為了保證改性處理的均一性，也需要進(jìn)行分 散、混合與均化處理。< 1）超聲波分散機(jī)超聲空化閾值和趙聲波的頻率 右密切關(guān)系。頻率越島，空化閾越 高。日前超聲波分散機(jī)的工作頻率 根據(jù)分散對彖，大致分為三個(gè)頻 段：低頻超聲分散（20 50KHz）,w /固分敬復(fù)介材料同杰芟合材料高聚物貝介材料粉 體 分 敗 技 術(shù)M /液分散貝介材料建筑能源冶僉固俶）/液分散化學(xué)化工液態(tài)復(fù)介材料 水泥、混凝土奇 水煤漿、油煤茹 礦物加工、冶金等無機(jī)非金堿復(fù)合材料金屬復(fù)合材料 涂料、油漆、礁流體等礦漿、囂

11、就分選等|農(nóng)業(yè)|1泥漿分散及驅(qū)油、乳化怙冼）井派潤滑汕等1農(nóng)揚(yáng)的乳化分散等乳劑、膠忿劑等IA1 /液.液/液等懸浮液|伏乩加工等牛奶、果汁、菜汁等|液態(tài)貝合材料制藥等口服液體劑型藥物1并種粉體材料粉塵、備種粉體等噴霧殺蟲劑、發(fā)膠尊|網(wǎng)/液/氣務(wù)郴體系 泡沐浮選等圖1粉體分散的分類及應(yīng)用高頻超聲分敬（50 200KHZ）和兆 赫趙聲分散（70 0KHz 1MHz以 上）.典型超聲分散機(jī)見表2.（2）機(jī)械攪拌分散機(jī)匸業(yè)應(yīng)用的機(jī)械攪掙分散設(shè)備 有高轉(zhuǎn)速定子旋盤式分散器和攪拌 型分散機(jī)。機(jī)械分做是指用機(jī)械力 把粉體聚團(tuán)打散。這是一種應(yīng)用最 廣泛的分散方法。機(jī)械分散的必要 條件是機(jī)械力（指流體的剪切力及

12、 壓應(yīng)力）應(yīng)人f粉體間的粘著力。通 常機(jī)械力晶由高速族轉(zhuǎn)的葉輪及沖 擊作用引起的強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)而造成的. 常見的機(jī)械攪拌分散設(shè)備見表3。（3）混合分散機(jī)萬能式混合分敬機(jī)是用于多組 分粉體混介改性以及高粘度粉體漿 料混介分散的一種冇效設(shè)備。該裝 置由混合容器及待殊形狀的攪拌漿 組成，攪拌漿由電機(jī)帯動(dòng)，可作旋 轉(zhuǎn)、上升、卜降以及位移等多種運(yùn) 動(dòng)，因此混介分散效果好無死角 和積料等.Mega t ron混合分散機(jī)也是用于 粉體漿料混合分散的一種較好設(shè) 冬.該機(jī)足宙轉(zhuǎn)了和配子紐成，轉(zhuǎn) 子在內(nèi)圈，定子在外圈，轉(zhuǎn)子和定 子都裝冇籃式齒.在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn) 帶動(dòng)卜，內(nèi)圈作高速旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生負(fù) 壓，便漿料從中心吸入。漿料

13、在轉(zhuǎn) 子離心力作用卜,物料被充分混合 分散均化。該機(jī)主要適用r粉體漿 料的混合分散均化，并兼仃粉碎功中國粉體工業(yè)g 1 2007設(shè)備名稱規(guī)格（mm）趙聲功率（W）HF-50B趙聲分散器0-1500100- 1800ZQK 2二槽系列超聲波分散機(jī)325 X 60 X 2801500 1800GX系列三槽式趙聲波氣相清洗機(jī)1500- 1800ZQ系列小型超聲波分散機(jī)295X 230X 100250- 300I424028B650X 600X 5502400TEO-4042R450 X 330 X 4002100衣2 典型趙聲分散機(jī)能。Po 1 y t ron籃式混合分散機(jī)式由 Ki nema t

14、i ca AG公司研制的種新 型混介分散機(jī)。該機(jī)主要用于超細(xì) 粉體的漿料混合分散.該機(jī)的工作 原理是在祐速旋轉(zhuǎn)攪拌軸的帶動(dòng) 卜，安裝于攪拌軸卜瑞的攪拌籃作 高速旋轉(zhuǎn)，便籃框（攪拌齒）產(chǎn)生 強(qiáng)大的離心立場，使籃框中心形成 負(fù)壓區(qū)，則漿料被自動(dòng)吸入籃框的中國粉體工業(yè)g 1 2007專家Expert中國粉體匸業(yè)NQ 1 2007專家設(shè)涪名稱規(guī)格(rpm)功率W體積范圍GF1髙速分散機(jī)2800-28000360T50分散機(jī)4000-10001100/7000. 25-30LF25A數(shù)高剪切分散乳化機(jī)0-28000500/3500. 2-5LMS-I型髙剪切分敬乳化機(jī)600-0005000. 3-10L

15、F M實(shí)驗(yàn)縊樂島剪切分散乳化機(jī)300-110003000. 1-5LFA90-1. 5間承式高剪切分散乳化機(jī)600-360015005-50LGEIO4離速分散機(jī)Q-B0004003LKD370涂料快速分散實(shí)驗(yàn)機(jī)630370F6/10T持式超紹均漿機(jī)5000-350001450. 2-150ml衣3典熨機(jī)械攪持分散機(jī)中心區(qū).吸入中心區(qū)的漿料在轉(zhuǎn)子 離心力的作用卜通過籃框齒間縫 隙，在齒的高速播擊卜彼分散、混 合，井被電向四周.漿料經(jīng)參次循 環(huán)后被充分混合分散。Bead less 分散機(jī)山 Enomura M 和Araki K研制的一種新型濕式分 散機(jī)。Beadiess分散機(jī)由兩個(gè)相對 的環(huán)輪狀

16、岡盤構(gòu)成，其中一個(gè)具冇 螺旋結(jié)構(gòu)（放射狀）是宙島速旋轉(zhuǎn) 軸帯動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，另個(gè)環(huán)輪圓盤在軸 向固定.并且在沿軸向可動(dòng).當(dāng)被 分散流體通過分散腔時(shí)，在剪切力 場的作用卜聚團(tuán)粉體彼碎解、分散 為次粉體。同時(shí)分散工作區(qū)域的 導(dǎo)入部裝仃新型攪拌裝置，可預(yù)先 對被處理物料機(jī)械分散，大大改善 了 Beadless分散機(jī)的分散效果.CMW型混合機(jī)是日本明和工 業(yè)株式會社研制的種新型高效混 合機(jī)。該機(jī)是一種公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)相結(jié) 合同時(shí)牠筒腔內(nèi)裝有高速攪拌葉片 的新型混介機(jī).輪筒混介器是最早 用于分散、混合的裝置，轆筒混合 器通常是將粉體裝于餛筒內(nèi)，依靠 餛筒的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來使粉 體分散、混介均勻.當(dāng)餛筒內(nèi)裝仃 高速

17、攪拌的葉片時(shí),由于葉片的高 速攪拌，剪切作用用強(qiáng)，筒內(nèi)物料 的分散、混介及剪切翻滾效果進(jìn)一 步加強(qiáng)。分散的評價(jià)方法粉體的分敬性與穩(wěn)邇性通常是 指粉體在氣體、液體和固體介質(zhì)中 的分散性弓穩(wěn)定性.（1）沉降法電子犬平測量法是將電子犬平 浸入分散體系中，并及時(shí)將測定過 程中沉降匝量記錄卜來，將分散體 系中檢査域內(nèi)的粉體總乘錄與在某 一時(shí)間沉降在大平盤上的粉體量 的差值打的比值定義為分散率 ：略一WF* 100% 略值越大，分散效果越好：反 Z分散效果差。（2）分散率法Yamaoto H等人把分散率定義 為分散粉體的中位徑與-次粉體的 中位徑Z比.增田弘昭則用一次 粉體的粒度分布與從分散機(jī)排出的 分散

18、粉體的粒度分布函數(shù)衣示分散 率a,即« - 1丁 y血+悅皿入 式中，y。為一次粉體的頻*分布， yd為分散粉體的頻率分布，。卩為粉 體虛徑.（3）分散指數(shù)法滑動(dòng)帑擦維角總指粉體的某一 單元層面由一對壓應(yīng)力和切應(yīng)力組 成的斥擦力作用，當(dāng)切W力達(dá)到一 定值時(shí),粉體沿斜面滑落,該斜面 與垂直方向的夾角稱為滑動(dòng)燎擦錐 角。粉體從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài) 所形成的這滑動(dòng)冷擦錐角與粉體 流動(dòng)性仃育接關(guān)系，它是研究粉體 力學(xué)和流動(dòng)性以及粉體的儲存、運(yùn) 輸、混合等實(shí)際工藝操作和設(shè)計(jì)中 必須掌握的重要參數(shù)。該角測泄方 法簡小、便捷.n<rm要的實(shí)用價(jià) 值。可用滑動(dòng)摩擦錐角表征粉體的 分散指數(shù)。把在一定條件卜處理后的粉體 的滑動(dòng)燃擦錐角 <$瓦門然狀態(tài)的 滑動(dòng)摩擦錐角a。的比值定義為粉 體船分散指數(shù)，則分散指數(shù)為： f豈。在一定條件卜°,某種粉體 的a 其確逹數(shù)值?；瑒?dòng)爍擦錐角 a越人，粉體的流動(dòng)性越好，分散 性越好，其分敬指數(shù)