眾所周知,粉體作為一種工業(yè)用原料和人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵? 已越來越廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、陶瓷、顏料、染料、造紙、 食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)。粒度是粉體的一項重要的物理指標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)和粉體工程學(xué)的日益發(fā)展,人類與粉體的關(guān)系也越來越密切, 因而粉體粒度的測試、超細(xì)粉碎及分級等技術(shù)正在日新月異。本文介紹了最常見的幾種粒度測試方法,供生產(chǎn)及科研工作者在進(jìn)行方法和儀器的選擇時做參考。本文也對超細(xì)粉碎過程中出現(xiàn)的逆研磨現(xiàn)象進(jìn)行了實驗探討。
1.粉體粒度
1. 1 粒度測試的重要性
顆粒大小即粒度的確定,在科學(xué)研究和實際生產(chǎn)中有著普遍性的重要意義,在陶瓷行業(yè)也不例外。粉體的顆粒特性對粉體技術(shù)、工藝控制和產(chǎn)品質(zhì)量起著非常重要的作用。粉體的顆粒特性包括粒度、粒度分布、顆粒形狀、孔隙度、比表面積等,其中粒度及粒度分布是粉體最重要的特性。因此,把粉體粒度及粒度分布的測試作為保證產(chǎn)品質(zhì)量和開發(fā)新產(chǎn)品的重要手段早已成為人們的共識。
1. 2 粒度測試方法簡介
由于粒度可大至厘米,小至微米、亞微米甚至納米數(shù)量級,而且顆粒的形狀、分布、表面性質(zhì)及凝聚性質(zhì)等方面存在著很大的差異,因而難以用一種方法來實現(xiàn)粒度的測試?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展為粒度和粒度分布的測試提供了各種各樣的方法和儀器, 而對粒度測試方法和儀器的選擇則必須要根據(jù)粉體粒度范圍、材質(zhì)、顆粒形態(tài)及測試目的的不同要求來確定。本文對常用的幾種粒度測試方法做一簡單介紹, 供從事粉體工作的技術(shù)人員參考。
1. 2. 1 篩分法
篩分法是采用一系列不同篩孔大小的標(biāo)準(zhǔn)篩,將粉體試樣分成若干級別后,分別稱重,得到以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示的粒度分布。該方法的特點是:(1)成本低,操作簡單,但重現(xiàn)性差;(2)不能對粘結(jié)團(tuán)聚性強(qiáng)的物料進(jìn)行篩分;(3)只適用于大顆粒(大40L m)的測定。在實際生產(chǎn)中, 一般適用于原料的分選及細(xì)粉碎前的預(yù)處理。
1. 2. 2 顯微鏡法
該方法是唯一一種直觀的測試方法, 采用的儀器有電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡。由于采用電子顯微鏡測試,樣品的制備很復(fù)雜、耗費時間長、范圍窄、儀器貴, 故不適用于實際生產(chǎn)的需要,在此不做贅述。光學(xué)顯微鏡法通常是使用目鏡上帶有測微尺或方格網(wǎng)的偏光顯微鏡來進(jìn)行。所得到的粒度分布是以面積分?jǐn)?shù)來表示的。其特點是:(1 ) 直觀,可以直接觀察顆粒的形態(tài)并測量其大小,還可以直接判斷粉體樣品的分散程度;( 2) 利用正交偏光,還可對混合物中的某些礦物有選擇性地進(jìn)行測定,如陶瓷泥漿中的石英、陶瓷色料中的某些礦物等;( 3 ) 由于是唯一一種直觀的測試方法,故可用于標(biāo)定其它方法,且測試費用低; (4)所用樣品極少,因而代表性較差;(5)這是一項經(jīng)驗性很強(qiáng)的工作,因此對測試人員的要求較高;(6)該法適用于粒度范圍在 1 ~ 850 um 的測試,可用于生產(chǎn)控制和對粒度分布的測量精度要求不太高的場合。
1. 2. 3 沉降法
沉降法系根據(jù)不同大小的顆粒在力場中沉降速度不同這一原理而研制的粒度分析儀器。該方法分重力沉降和離心沉降兩大類。
(1)重力沉降法將粉體試樣在介質(zhì)中分散處理后,置于重力場中, 自由沉降。根據(jù)Stokes沉降原理, 顆粒在介質(zhì)中的沉降速度與其粒徑的平方成正比這一原理進(jìn)行計算。這類儀器也稱為沉降天平。其特點是:成本低,操作簡單。但由于是僅依靠重力沉降,故測微細(xì)顆粒時, 測量時間過長。
(2)離心沉降法對于微細(xì)顆粒,為了彌補(bǔ)重力沉降的不足而加上一個離心力場,使試樣高速旋轉(zhuǎn),因此大大加快了試樣的沉降速度, 縮短了測試時間。測量下限可由2um 減至 0.1m u甚至更小。沉降法中有個非?，F(xiàn)實的問題,即必須知道試樣的真比重才能對其進(jìn)行測試, 否則, 將無法計算出其粒度及分布, 因此大大限制了其推廣應(yīng)用。
1. 2. 4 激光粒度分析法
在多種粒度分析方法中,激光粒度分析技術(shù)雖然是最年輕的一種, 但卻有著無可比擬的優(yōu)越性。它是高科技的產(chǎn)物,人稱激光粒度儀為/ 性能超群的新一代粒度分析儀器。激光粒度儀是根據(jù) Frannhoffer 衍射和Mie散射理論研制而成的。根據(jù)衍射角與粒度成反比的原理, 再通過對衍射光強(qiáng)度及衍射角的測量加以計算即確定被測樣品的粒度分布情況。所得到的粒度分布是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示的。其特點是:
(1) 測試速度快,自動化程度高,應(yīng)用范圍廣;
(2) 測試結(jié)果不受人為因素干擾,具有良好的重現(xiàn)性;
(3) 適用于粒度范圍在0.1 ~ 500um的測試。但經(jīng)與其它方法的測試結(jié)果比較,相對來說,對于粒度分布在 0.1 ~ 500um 的微細(xì)粒樣品, 可進(jìn)行高精度的測試;而對于粒度分布在 50~ 500um的中粗顆粒來說,準(zhǔn)確度較差。
對同一試樣用不同的測試方法所得到的結(jié)果進(jìn)行比較時, 應(yīng)注意以下幾點:
(1) 由于方法不同,原理各不相同,所得結(jié)果表示方法也不同,如質(zhì)量分?jǐn)?shù)、面積分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)等,因此粒度的含義也不同;
(2) 不同測試方法中,粒徑的意義也不相同,只有當(dāng)顆粒是規(guī)則球形且表面光滑時,這些意義不同的粒徑值才可能相等;
(3) 不同方法和儀器中,顆粒的分散狀態(tài)不同也會導(dǎo)致測量結(jié)果的差異,如:顆粒濃度、分散介質(zhì)、分散劑種類和加入量以及分散方式等都有影響。總而言之,同一樣品用不同方法測試的結(jié)果不一致, 有時相差很大并不奇怪。
1. 3. 2 測試方法的選擇
在測試方法和儀器的選擇時,由于各自的工作角度不同, 所以要注意以下幾點:
(1)根據(jù)測試數(shù)據(jù)的用途。希望獲得的是什么意義的粒徑,是粒度分布還是某一粒度的累積、篩上( 或篩下)質(zhì)量分?jǐn)?shù),是面積分?jǐn)?shù)還是質(zhì)量分?jǐn)?shù)；
(2)根據(jù)所測樣品的粒度范圍；
(3)根據(jù)所要求的測試準(zhǔn)確度和精度。如科學(xué)實驗要求有較高的準(zhǔn)確度和精確度,而生產(chǎn)中的常規(guī)測試則要求快速簡便,盡可能自動化；
(4)根據(jù)被測試樣本身的特點、取樣難易、可取樣品量及分散的難易程度等, 選擇測試方法和儀器。隨著科學(xué)技術(shù)和粉體工程學(xué)的發(fā)展, 越來越多的粉體測試方法和儀器可被采用。但根據(jù)科研和生產(chǎn)的實際需要及粉體性能選擇適宜的測試方法和儀器是至關(guān)重要的。因此在測定粒度分布時一定要注明所選用的方法、儀器和測試條件。從上述的介紹和比較看,激光粒度儀在線快速分析成為今后大生產(chǎn)中粉粒度測試技術(shù)的發(fā)展趨勢。
2.研磨技術(shù)
粉體的制備過程,特別是研磨,是一項既耗時又耗能的工作。因此研磨效率的高低就成了粉體制備的關(guān)鍵因素。為此,人們投入了大量的人力、財力和物力進(jìn)行研究。隨著粉體工程學(xué)的發(fā)展,目前,不僅有新型高效的粉碎設(shè)備如沖擊式粉碎機(jī)、攪拌磨、氣流磨、分級機(jī)等不斷研制應(yīng)用,而且還對傳統(tǒng)的研磨技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),如調(diào)整工藝參數(shù)、選擇球磨轉(zhuǎn)速、適宜的料、球、水比等來提高研磨效率。以下主要針對傳統(tǒng)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的逆研磨現(xiàn)象進(jìn)行了探討。通過合理選擇研磨條件,即加入不同的分散介質(zhì)和分散劑, 觀察研磨平衡和研磨極限的變化來推遲逆研磨的出現(xiàn), 從而提高研磨效率。
2. 1 逆研磨現(xiàn)象
在粉碎過程中,人們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)當(dāng)物料的粒度達(dá)到一定細(xì)度時,如果繼續(xù)研磨下去,就會出現(xiàn)粒度不但不會越來越細(xì),反而越磨越粗, 且這種現(xiàn)象隨著超細(xì)粉碎的進(jìn)展而越來越普遍。
要深入探討這一問題,可以從微觀機(jī)械力化學(xué)基本理論角度分析: 固體物料的粉碎首先主要是依靠機(jī)械作用的碰撞、研磨導(dǎo)致物料顆粒的粒度變小,比表面積增大。但在粒度逐漸細(xì)化的過程中, 如果物料得不到充分分散,那么又會在同一個機(jī)械作用(當(dāng)然還有其它作用, 如范德華作用、雙電層靜電作用等)下,促使物料顆粒的團(tuán)聚, 從而增大表觀粒度,減小比表面積。因此，可以認(rèn)為超細(xì)粉碎過程到一定程度后,伴隨著一系列顆粒微觀上理化特性的質(zhì)變,就會出現(xiàn)一個粉碎和團(tuán)聚的可逆過程。當(dāng)這正反兩個過程的速度相等時,便達(dá)到了粉碎過程中的動態(tài)平衡,則顆粒尺寸達(dá)到極限值。此時,進(jìn)一步延長粉碎時間是徒勞的。因為這時的機(jī)械力已不足以抗衡物料更高的斷裂強(qiáng)度,只能用于維持粉碎平衡,并促進(jìn)小顆粒的重聚,于是,所謂的逆研磨現(xiàn)象就會出現(xiàn)。
2. 2 實驗
為了探討逆研磨現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理、條件,以便控制和推遲逆研磨的發(fā)生,我們做了如下實驗。
2. 2. 1 實驗設(shè)備
實驗室用行星球磨機(jī),型號QM -ISP立式四筒型,瑪瑙球磨罐,研磨介質(zhì)為瑪瑙球。
2. 2. 2 實驗方法
將過100~ 160目篩的干燥石英粉, 按表1的配比裝入 4 個球磨罐中(試樣編號見表1 ) ,同時研磨。磨轉(zhuǎn)機(jī)速為 150 r/min, 然后按一定時間依次取樣進(jìn)行測試。
表 1 試樣編號及配比表
試樣編號 石英粉量/ g 裝球量/ g 分散介質(zhì)量/ mL 分散劑量/ mL
1 30 90 (干磨)
2 30 90 水, 15
3 30 90 酒精, 15
4 30 90 水, 10 CM C, 5
2. 3 實驗結(jié)果及討論
2. 3. 1 實驗結(jié)果
用偏光顯微鏡大致觀察后, 采用法國Cil as10 64 激光粒度儀進(jìn)行測試。各試樣的中位粒徑測試結(jié)果見表 2; 各試樣中位粒徑與研磨時間的關(guān)系見圖 2。
表 2 各試樣中位粒徑測試結(jié)果
試樣 時間/ h
編號 0 6 12 20 30 40 50
1 135. 85 2.17 1.99 1.92 2.03
2 135. 85 2.23 1.29 1.02 0. 98 0. 87 1. 04
3 135. 85 2.33 1.27 1.10 0. 86 0. 82 0.90
4 135. 85 2.45 1.35 1.07 1.05 0. 89 0.80
2. 3. 2 討論
從表2可看出, 粉石英的超細(xì)粉碎經(jīng)歷了一個細(xì)化與團(tuán)聚的復(fù)雜過程。實驗總結(jié)見表 3。對表 3的分析討論如下:
(1) 關(guān)于研磨工藝的選擇無論干磨還是濕磨, 在粗顆粒時研磨效率都很高。而在 2u m 以下時, 研磨效率都很低。當(dāng)干磨時, 進(jìn)入研磨平衡的時間和逆研磨開始的時間都相當(dāng)早, 且達(dá)到研磨極限的粒徑粗。而在有分散介質(zhì)存在的濕磨條 件下, 研磨平衡的時間推遲了至少10h , 研磨極限的粒徑也比干磨時細(xì)得多。尤其是在有分散劑存在的4 #試樣中, 結(jié)果更為明顯。4 # 試樣的逆研磨現(xiàn)象尚未發(fā)生。
表 3 實驗結(jié)果分析
試樣 研磨高 研磨低 研磨平 逆研磨開 極限粒徑
編號 效區(qū)/ h 效區(qū)/ h 衡時間/ h 始時間/ h /um
1 0~ 6 6~ 12 12~ 20 20~ 30 1. 92
2 0~ 6 6~ 40 20~ 40 40~ 50 0. 87
3 0~ 6 6~ 40 30~ 40 30~ 40 0. 82
4 0~ 6 6~ 40 20~ 30, < 0. 80
40~ 50
( 2) 關(guān)于分散介質(zhì)和分散劑( 表面活性劑) 的作用及機(jī)理在濕磨條件下, 由于有分散介質(zhì)的存在, 因而介質(zhì)的吸附作用可以有效地防止顆粒的直接接觸, 從而減小顆粒間范德華力的作用。而當(dāng)研磨到一定程度后, 在機(jī)械力作用下, 顆粒晶體破碎而又不能完全分離時, 由于晶體顆粒對水的親和力小而重新凝聚,所以2#試樣在濕磨條件下最早開始逆研磨。當(dāng)有分散劑加入時, 分散劑可滲入晶體的裂縫, 加速顆粒的細(xì)化。而已被粉碎的晶體由于分散劑的加入而保持一定的距離, 不至于碰撞凝聚。分散劑既具有水的親和作用, 還可防止雙電層靜電作用及熔劑化膜的大量產(chǎn)生。所以4#試樣達(dá)到研磨平衡的時間明顯推遲且粒徑細(xì)于其他試樣。3#試樣以酒精作為分散介質(zhì), 由于酒精具有懸浮及分散劑的雙重作用,所以它的研磨效率是比較高的。但它作為分散劑時, 濃度較大, 粉碎到一定程度后, 容易在晶體表面形成一層較厚的保護(hù)膜, 使研磨介質(zhì)不能撞擊到晶體本身, 只能在膜上滑動, 致使研磨效率下降, 故逆研磨開始時間比4#試樣早。
2. 4 結(jié)論
(1) 超細(xì)粉碎是一種高能耗作業(yè)。故在生產(chǎn)中,要根據(jù)實際需要, 適當(dāng)選擇粉碎設(shè)備和工藝條件, 以便降低生產(chǎn)成本和能耗。當(dāng)對粉體的粒度要求很細(xì)的情況下( 小于 2u m) , 則一定要選擇濕磨。因為濕法工藝在超細(xì)研磨時效率高, 且能達(dá)到干式研磨達(dá)不到的粒度。
( 2 ) 從實驗可見, 逆研磨發(fā)生的時間、研磨平衡和極限粒徑不是絕對的, 它隨實驗條件的變化而變化。因而為了推遲逆研磨發(fā)生的時間和提高研磨效率, 在實際生產(chǎn)中, 可多做實驗, 以便找到恰當(dāng)?shù)纳a(chǎn)條件。這樣既提高了效率, 又降低了生產(chǎn)成本。
( 3 ) 分散劑( 表面活性劑) 在研磨過程中起著非常重要的作用, 這是不言而喻的。如果被磨細(xì)的物料都能夠得到充分分散的話, 團(tuán)聚就不存在, 那么所謂的逆研磨現(xiàn)象就不會發(fā)生。因而可以說, 分散劑的恰當(dāng)選擇是解決逆研磨問題行之有效的途徑。這從另一方面來講也是唯一的。因為在超細(xì)粉碎中, 促使顆粒團(tuán)聚的基本原因除不可忽視的, 但又無法回避的機(jī)械作用外, 就是顆粒之間的范德華作用、雙電層靜電作用、溶劑化膜作用和吸附層的空間排斥作用, 而與這 4 種作用有直接關(guān)系的除物料及分散介質(zhì)外, 就是分散劑。