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(xiàng)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(cè)試、超細(xì)粉碎及分級(jí)等技術(shù)正在日新月異。本文介紹了最常見的幾種粒度測(cè)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(shí)做參考。本文也對(duì)超細(xì)粉碎過程中出現(xiàn)的逆研磨現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探討。
1.粉體粒度
1. 1 粒度測(cè)試的重要性
顆粒大小即粒度的確定,在科學(xué)研究和實(shí)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(duì)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(cè)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(shí)。
1. 2 粒度測(cè)試方法簡(jiǎn)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(jí),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(shí)現(xiàn)粒度的測(cè)試。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為粒度和粒度分布的測(cè)試提供了各種各樣的方法和儀器, 而對(duì)粒度測(cè)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(cè)試目的的不同要求來確定。本文對(duì)常用的幾種粒度測(cè)試方法做一簡(jiǎn)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(jí)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(diǎn)是:(1)成本低,操作簡(jiǎn)單,但重現(xiàn)性差;(2)不能對(duì)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(cè)定。在實(shí)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(cè)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(cè)試,樣品的制備很復(fù)雜、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、范圍窄、儀器貴, 故不適用于實(shí)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(cè)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(diǎn)是:(1 ) 直觀,可以直接觀察顆粒的形態(tài)并測(cè)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(duì)混合物中的某些礦物有選擇性地進(jìn)行測(cè)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(cè)試方法,故可用于標(biāo)定其它方法,且測(cè)試費(fèi)用低; (4)所用樣品極少,因而代表性較差;(5)這是一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的工作,因此對(duì)測(cè)試人員的要求較高;(6)該法適用于粒度范圍在 1 ~ 850 um 的測(cè)試,可用于生產(chǎn)控制和對(duì)粒度分布的測(cè)量精度要求不太高的場(chǎng)合。
1. 2. 3 沉降法
沉降法系根據(jù)不同大小的顆粒在力場(chǎng)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(chǎng)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(jì)算。這類儀器也稱為沉降天平。其特點(diǎn)是:成本低,操作簡(jiǎn)單。但由于是僅依靠重力沉降,故測(cè)微細(xì)顆粒時(shí), 測(cè)量時(shí)間過長(zhǎng)。
(2)離心沉降法對(duì)于微細(xì)顆粒,為了彌補(bǔ)重力沉降的不足而加上一個(gè)離心力場(chǎng),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(cè)試時(shí)間。測(cè)量下限可由2um 減至 0.1m u甚至更小。沉降法中有個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問題,即必須知道試樣的真比重才能對(duì)其進(jìn)行測(cè)試, 否則, 將無法計(jì)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(duì)衍射光強(qiáng)度及衍射角的測(cè)量加以計(jì)算即確定被測(cè)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(diǎn)是:
(1) 測(cè)試速度快,自動(dòng)化程度高,應(yīng)用范圍廣;
(2) 測(cè)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(cè)試。但經(jīng)與其它方法的測(cè)試結(jié)果比較,相對(duì)來說,對(duì)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(cè)試;而對(duì)于粒度分布在 50~ 500um的中粗顆粒來說,準(zhǔn)確度較差。
對(duì)同一試樣用不同的測(cè)試方法所得到的結(jié)果進(jìn)行比較時(shí), 應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
(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(cè)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(shí),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(huì)導(dǎo)致測(cè)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(cè)試的結(jié)果不一致, 有時(shí)相差很大并不奇怪。
1. 3. 2 測(cè)試方法的選擇
在測(cè)試方法和儀器的選擇時(shí),由于各自的工作角度不同, 所以要注意以下幾點(diǎn):
(1)根據(jù)測(cè)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(cè)樣品的粒度范圍；
(3)根據(jù)所要求的測(cè)試準(zhǔn)確度和精度。如科學(xué)實(shí)驗(yàn)要求有較高的準(zhǔn)確度和精確度,而生產(chǎn)中的常規(guī)測(cè)試則要求快速簡(jiǎn)便,盡可能自動(dòng)化；
(4)根據(jù)被測(cè)試樣本身的特點(diǎn)、取樣難易、可取樣品量及分散的難易程度等, 選擇測(cè)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(cè)試方法和儀器可被采用。但根據(jù)科研和生產(chǎn)的實(shí)際需要及粉體性能選擇適宜的測(cè)試方法和儀器是至關(guān)重要的。因此在測(cè)定粒度分布時(shí)一定要注明所選用的方法、儀器和測(cè)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(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
2.研磨技術(shù)
粉體的制備過程,特別是研磨,是一項(xiàng)既耗時(shí)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(cái)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(jí)機(jī)等不斷研制應(yīng)用,而且還對(duì)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(duì)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(shí),如果繼續(xù)研磨下去,就會(huì)出現(xiàn)粒度不但不會(huì)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(huì)在同一個(gè)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)粉碎和團(tuán)聚的可逆過程。當(dāng)這正反兩個(gè)過程的速度相等時(shí),便達(dá)到了粉碎過程中的動(dòng)態(tài)平衡,則顆粒尺寸達(dá)到極限值。此時(shí),進(jìn)一步延長(zhǎng)粉碎時(shí)間是徒勞的。因?yàn)檫@時(shí)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(huì)出現(xiàn)。
2. 2 實(shí)驗(yàn)
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(shí)驗(yàn)。
2. 2. 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
實(shí)驗(yàn)室用行星球磨機(jī),型號(hào)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(shí)驗(yàn)方法
將過100~ 160目篩的干燥石英粉, 按表1的配比裝入 4 個(gè)球磨罐中(試樣編號(hào)見表1 ) ,同時(shí)研磨。磨轉(zhuǎn)機(jī)速為 150 r/min, 然后按一定時(shí)間依次取樣進(jìn)行測(cè)試。
表 1 試樣編號(hào)及配比表
試樣編號(hào) 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(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
2. 3. 1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
用偏光顯微鏡大致觀察后, 采用法國(guó)Cil as10 64 激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試。各試樣的中位粒徑測(cè)試結(jié)果見表 2; 各試樣中位粒徑與研磨時(shí)間的關(guān)系見圖 2。
表 2 各試樣中位粒徑測(cè)試結(jié)果
試樣 時(shí)間/ h
編號(hào) 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(gè)細(xì)化與團(tuán)聚的復(fù)雜過程。實(shí)驗(yàn)總結(jié)見表 3。對(duì)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(shí)研磨效率都很高。而在 2u m 以下時(shí), 研磨效率都很低。當(dāng)干磨時(shí), 進(jìn)入研磨平衡的時(shí)間和逆研磨開始的時(shí)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(shí)間推遲了至少10h , 研磨極限的粒徑也比干磨時(shí)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(shí)驗(yàn)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(hào) 效區(qū)/ h 效區(qū)/ h 衡時(shí)間/ h 始時(shí)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(shí), 由于晶體顆粒對(duì)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(shí), 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(shí)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(shí), 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(dòng), 致使研磨效率下降, 故逆研磨開始時(shí)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(shí)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(duì)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?yàn)闈穹üに囋诔?xì)研磨時(shí)效率高, 且能達(dá)到干式研磨達(dá)不到的粒度。
( 2 ) 從實(shí)驗(yàn)可見, 逆研磨發(fā)生的時(shí)間、研磨平衡和極限粒徑不是絕對(duì)的, 它隨實(shí)驗(yàn)條件的變化而變化。因而為了推遲逆研磨發(fā)生的時(shí)間和提高研磨效率, 在實(shí)際生產(chǎn)中, 可多做實(shí)驗(yàn), 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(huì)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?yàn)樵诔?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。