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超微粉技術(shù)與超微粉碎機(jī)

極速動(dòng)力 2016-07-28 | 閱讀：4308

超微粉體技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

超微粉體技術(shù)是近幾十年來(lái)新興的一門科學(xué)技術(shù)，它源自古老的傳統(tǒng)粉碎技術(shù)，而將其粉碎的概念向前大大延伸了。

所謂“超微粉體”，國(guó)內(nèi)外目前對(duì)這一名詞尚無(wú)嚴(yán)格的界定。有人定義粒徑小于100um的為“超微粉體”，也有人定義粒徑小于1um的為“超微粉體”。但通常的習(xí)慣做法是小于500目（即30um）以下的粉體，即稱之為“超微粉體”。如此定義正是源于采用傳統(tǒng)的任何工藝方法，都很難將固形物料粉碎到如此的細(xì)度。

在日常生活中，人們?cè)谛稳堇w細(xì)的東西時(shí)，時(shí)常會(huì)說(shuō)：“細(xì)如發(fā)絲”。通過(guò)機(jī)械加工中常用的測(cè)量工具——千分尺，我們即可測(cè)量到人的發(fā)絲直徑。通常為70～80um。由此可知，超微粉體的粒徑要比人的發(fā)絲直徑還要纖細(xì)得多。

固形物質(zhì)經(jīng)過(guò)超微粉碎后，使其處于微米甚至納米尺寸時(shí)，該物質(zhì)的物理、化學(xué)特性都將發(fā)生極大的變化。

例如：TiO₂，當(dāng)其粒度為20 nm時(shí)可見(jiàn)光的遮蓋力最佳，可作為高檔油漆、油墨材料。粒徑減小到10～60 nm時(shí)，則具有透明性，強(qiáng)紫外線光的吸收能力，可作為高檔化妝品及透明涂料等。

又如植物花粉，被譽(yù)為“微型營(yíng)養(yǎng)寶庫(kù)”，對(duì)人體有優(yōu)良的保健作用，但花粉的單體都具有堅(jiān)硬的外殼，直接服用則無(wú)法被人體吸收。而經(jīng)過(guò)超微粉碎，使花粉破壁，有效成分得以完全釋放，由此開(kāi)發(fā)的花粉系列產(chǎn)品，可直接被人體所吸收。

利用“超微粉體”的特異性能，在軍事上涂裝于飛機(jī)、艦船和坦克的表面，可制成隱身飛機(jī)、艦船和坦克，在航天領(lǐng)域，可制成耐高溫、高壓的輕型材料及新型燃料。

在化工、塑料、油漆、涂料等行業(yè)中，“超微粉體”可制成高強(qiáng)度、高附著力的高檔新產(chǎn)品。

在醫(yī)藥和醫(yī)療領(lǐng)域，將藥品制成“超微粉體”，經(jīng)研究表明，可提高藥品的溶出度，減輕毒副作用，無(wú)論內(nèi)服或外用，都能明顯提高療效。

特別是在中醫(yī)藥領(lǐng)域，“超微粉體”技術(shù)可改變傳統(tǒng)的中醫(yī)手段，中藥材經(jīng)“超微粉碎”細(xì)化后，可直接用于口服，從而免除了飲片、煎煮等繁鎖的工藝，這樣就大大方便了病人用藥。不僅如此，經(jīng)研究表明，經(jīng)“超微細(xì)化”后的中藥，只相當(dāng)于原方劑用藥量的十分之一，甚至更少，這就可以大大節(jié)省寶貴的中藥材資源，對(duì)提高全民族健康，有效保護(hù)環(huán)境，都有深遠(yuǎn)的意義。不僅如此，通過(guò)“超微粉體”技術(shù)，使難溶或微溶于水的有效成品，經(jīng)細(xì)胞破壁，還將大大提高藥品的生物利用度，降低毒性。這對(duì)于中醫(yī)藥走向世界，開(kāi)創(chuàng)了全新的途徑。

總之，“超微粉體技術(shù)”是一門跨行業(yè)的新興技術(shù)領(lǐng)域，在我國(guó)從八、九十年代開(kāi)始才逐步被越來(lái)越多研究部門和行業(yè)所重視。今后，必將在新材料、醫(yī)藥、日化、保健、化工、軍工、電子、航天等領(lǐng)域內(nèi)取得全新的長(zhǎng)足的發(fā)展。

二、超微粉碎的制備技術(shù)

超微粉體的制備通常有物理和化學(xué)兩種方法。物理方法中，又可劃分為干法和濕法兩種。在化學(xué)方法中，又可分為氣相法、液相法等。

在物理方法中，干法超微粉碎又可分為球磨機(jī)、震動(dòng)磨機(jī)、氣流粉碎機(jī)等，濕法超微粉碎機(jī)械中包括液流粉碎機(jī)、均質(zhì)機(jī)等。在化學(xué)方法中，氣相法又包含真空蒸發(fā)法、氣相化學(xué)反應(yīng)法、等離子體法等。在液相法中，主要有沉淀法、氧化加氫分解法、還原法、噴霧干燥法、冷凍干燥法等。但是，無(wú)論采用何種方法，首先它必須滿足以下基本條件：

產(chǎn)品的粒度細(xì)、分布狹窄，能滿足生產(chǎn)或科研的實(shí)際要求。
產(chǎn)品純度高，不含任何雜質(zhì)，產(chǎn)品無(wú)污染，對(duì)環(huán)境無(wú)破壞。
能耗低、產(chǎn)量高，生產(chǎn)成本低廉，生產(chǎn)效率高。
工藝簡(jiǎn)單、連續(xù)，自動(dòng)化程度高。
生產(chǎn)安全可靠。
下面重點(diǎn)介紹物理方法中的氣流粉碎機(jī)。氣流粉碎機(jī)屬于物理方法中干法粉碎類。
氣流超微粉碎機(jī)。目前，在工業(yè)上應(yīng)用十分廣泛，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、產(chǎn)品細(xì)、分布狹窄、純度高而享有盛名。
氣流超微粉碎機(jī)有以下幾種基類型：
水平圓盤式氣流粉碎機(jī)；
循環(huán)管式氣流粉碎機(jī)；
對(duì)噴式（逆向）氣流粉碎機(jī)；
撞擊板式（靶式）氣流粉碎機(jī)；
流化床式氣流粉碎機(jī)。
在上述五種氣流粉碎機(jī)中，流化床式氣流粉碎機(jī)是最新一代開(kāi)發(fā)的氣流粉碎裝置，上世紀(jì)八十年代初誕生于德國(guó)Alipne公司。
流化床氣流超微粉碎機(jī)集多噴管技術(shù)、流化床技術(shù)和臥式分級(jí)技術(shù)于一身，實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)多元化及料層流態(tài)化與臥式分級(jí)化體系。此外，采用了氣體密封等多項(xiàng)新技術(shù)，可保證該機(jī)安全、高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。
另外，該機(jī)還具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
對(duì)低熔點(diǎn)、熱敏性、磨損性物料、金屬礦及非金屬礦的粉碎分級(jí)是其它任何機(jī)械方法所無(wú)法取代的，系統(tǒng)幾乎無(wú)磨損，粉體純度極高。
由于氣流加速急劇膨脹，其靜溫下降，因此粉碎過(guò)程是在低溫下瞬間進(jìn)行的。
采用多噴管超聲速流化床式氣流粉碎，能耗低，粉碎強(qiáng)度大，能粉碎莫氏9級(jí)以上的物料，并同時(shí)保證超細(xì)粉的純度。
配有高精度分級(jí)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速以及系統(tǒng)參數(shù)，能得到粒度細(xì)、純度高、粒度分布狹窄的產(chǎn)品。
系統(tǒng)經(jīng)多次收塵處理，幾乎無(wú)粉塵飛揚(yáng)，有利環(huán)保。
由于流化床氣流超微粉碎機(jī)節(jié)約能量、磨損小、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、能力大，對(duì)熱敏性
和纖維材料的粉碎表現(xiàn)出獨(dú)特的效果。同時(shí)，引起了國(guó)內(nèi)外粉碎行業(yè)的極大重視。該機(jī)目前應(yīng)用領(lǐng)域正在擴(kuò)大，是對(duì)傳統(tǒng)的氣流粉碎機(jī)極大的挑戰(zhàn)。該機(jī)型的出現(xiàn)被日本Freund Industrial co. Ltd.譽(yù)為“劃時(shí)代的新設(shè)備”。

三、流化床式氣流超微粉碎機(jī)的組成及工作原理。
大型流化床式氣流超微粉碎機(jī)組由空壓機(jī)、空氣凈化器系統(tǒng)、超音速氣流粉碎機(jī)、分級(jí)機(jī)、旋風(fēng)分離器、除塵器、排風(fēng)機(jī)等組成。中、小型流化床式氣流超微粉碎機(jī)，通常將超音速氣流粉碎機(jī)、分級(jí)機(jī)、旋風(fēng)分離器及除塵器、排風(fēng)機(jī)等組合成一體機(jī)，可大大節(jié)省占地面積，有利于安裝、運(yùn)輸和使用。
粉碎原理
流化床式氣流超微粉碎機(jī)由料倉(cāng)、螺桿加料器、進(jìn)料室、粉碎室、旋風(fēng)分離器、除塵器等組成。
首先，待粉碎物料由料倉(cāng)經(jīng)螺桿加料器，輸送至進(jìn)料室，在重力作用下物料落入粉碎室。
粉碎室四周和設(shè)有相向排列的經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的高壓進(jìn)氣噴嘴。經(jīng)過(guò)凈化和干燥的壓縮空氣自噴嘴射出，形成超聲氣流。物料在高速氣流交點(diǎn)中心發(fā)生碰撞，瞬間內(nèi)被粉碎。
經(jīng)粉碎的粒子隨氣流上升至分級(jí)室，合格的粒子隨氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離器，最終獲得所需產(chǎn)品，尾氣進(jìn)入除塵器排出。
較大的顆粒在分級(jí)機(jī)作用下，重新回落粉碎室，再次被粉碎，直至獲得合格的產(chǎn)品。
2．氣流分級(jí)原理
在超細(xì)粉碎過(guò)程中，要想獲得數(shù)微米甚至更微細(xì)的粉體，采用普通的篩分方法是行不通的。因此本機(jī)在分級(jí)室內(nèi)設(shè)置有渦輪式分級(jí)系統(tǒng)，這是利用離心力場(chǎng)的典型結(jié)構(gòu)。
粉碎室內(nèi)被粉碎的物料，受上升氣流的推動(dòng)，在分級(jí)室臥式渦輪分級(jí)機(jī)的作用下，如果在渦輪旋轉(zhuǎn)斷面邊緣處有同一顆粒，此顆粒將受到離心力場(chǎng)兩種不同力的作用。即由渦輪旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心慣性力F和氣流阻力R。
假設(shè)顆粒的粒徑為d、密度為δ、介質(zhì)的密度為ρ、顆粒的切向速度為U_t、渦輪平均半徑為r、介質(zhì)粘度為η、顆粒的徑向速度為U_r。這兩個(gè)力可分別用下列方程式表示：

R=3πηd U_r
當(dāng)顆粒較大時(shí)，所受離心力大于阻力，即F>R時(shí)，大顆粒沿渦輪切線方向飛向分級(jí)室器壁，然后返回粉碎室重新被粉碎。當(dāng)離心力小于阻力，即F<R時(shí)，小顆粒隨上升氣流進(jìn)入渦輪內(nèi)部，經(jīng)旋風(fēng)分離器收集為合格產(chǎn)品。

四、提高流化床式氣流超微粉碎機(jī)生產(chǎn)效率的幾點(diǎn)建議：
流化床式氣流超微粉碎機(jī)，在干式粉碎機(jī)中，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料和出料，既不會(huì)使物料過(guò)細(xì)，也不會(huì)使物料過(guò)粗，只有合格尺寸的物料，才能被源源不斷地及時(shí)輸送出來(lái)，其粒度分布陡直。此外，由于該機(jī)型的粉碎原理，是通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的噴嘴，產(chǎn)生超音速的高速氣流，待粉碎的物料，在超音速氣流的加速下，互相碰撞，擠壓和摩擦在噴嘴的交匯處瞬間被粉碎。由于物料不與器壁等內(nèi)設(shè)部件發(fā)生強(qiáng)烈撞擊，因此設(shè)備經(jīng)久耐用，更重要的是保證了物料粉碎后的高純度。另一個(gè)重要的特點(diǎn)是，由噴嘴噴射出的氣體，在粉碎室內(nèi)形成絕熱膨脹，物料在粉碎過(guò)程中，不會(huì)溫度升高。相反，物料是在低溫下瞬間被粉碎，這種粉碎方式，對(duì)熱敏性物料的粉碎，無(wú)須另加冷媒，也能保證其理化性質(zhì)不變。
但是，正如本文曾提出的，流化床式氣流超微粉碎機(jī)，單位產(chǎn)量能耗偏高，盡管該機(jī)型具有許多優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于低附加值的產(chǎn)品，仍顯得負(fù)擔(dān)過(guò)重。盡管如此，人們對(duì)流化床式氣流粉碎機(jī)仍寄予很大的熱情與期望。有些學(xué)者認(rèn)為：如果能把流化床式氣流超微粉碎機(jī)工作效率提高1～2倍，這將是非常有意義的一件事情，由于該機(jī)型工作效率提高，將開(kāi)拓出更加廣闊的應(yīng)用前景。許多人還在不懈地為此作出相關(guān)的努力。
在我們長(zhǎng)期從事流化床式氣流超微粉碎機(jī)的研制、開(kāi)發(fā)與使用的過(guò)程中，積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
要想提高超微粉碎機(jī)的工作效率，首先應(yīng)從兩部分來(lái)考慮，即粉碎機(jī)本身及其操控條件。
現(xiàn)綜合簡(jiǎn)述如下：
（1）嚴(yán)格控制進(jìn)料量：進(jìn)料速度要適當(dāng)、均勻。另外，還要考慮采用何種進(jìn)料方式，有的物料需采用螺旋上料器，有的物料則需采用振蕩下料，要視物料自身的特性來(lái)決定下料方式。最重要的是保證粉碎室內(nèi)能源源不斷地得到物料的供給，滿足粉碎室內(nèi)物料的一定濃度。實(shí)踐證明，無(wú)論物料濃度偏低，還是物料濃度過(guò)高對(duì)成品的產(chǎn)量都會(huì)造成不良的影響。物料濃度低，物料間接觸的機(jī)率小，物料濃度高，將影響氣流速度，兩者都不利效率提高，應(yīng)視氣壓、物料特性以及機(jī)體自身的特性，嚴(yán)格控制好物料的進(jìn)料速度。
（2）提高氣流速度和粒子的沖擊概率。這要從兩個(gè)方面來(lái)約定。首先，噴嘴的設(shè)計(jì)要合理，噴嘴的布局也十分重要，只有滿足以上兩方面的要求，才能達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。
傳統(tǒng)方式的流化床式氣流超微粉碎機(jī)，噴嘴的設(shè)置是環(huán)粉碎室四
周平行向?qū)ε帕校瑥膰娮靽娚涑龅臍饬骷性谝粋€(gè)近似平面的范圍內(nèi)，粉碎區(qū)域狹窄，不利于提高粒子的沖擊概率。另外，此種設(shè)計(jì)的弊端，還反應(yīng)在噴嘴下方的粗粉，很少有機(jī)會(huì)被重新粉碎，形成盲區(qū)。
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超微粉碎機(jī)，打破了傳統(tǒng)設(shè)置噴嘴的模式，在粉碎室的同一平面內(nèi)，與此平面形成一定夾角，向下分別對(duì)稱設(shè)置數(shù)個(gè)噴嘴，另外，在粉碎室的底端，與之相反設(shè)置一垂直向上的噴嘴，與其余噴嘴的中心線，共同指向同一焦點(diǎn)。物料在全部噴嘴所噴射出的氣流的共同作用下，形成圓錐形聚集到焦點(diǎn)上，物料被瞬間粉碎。另外，在噴嘴的前方，設(shè)置混合管，使粉碎室內(nèi)不存在盲區(qū)，提高了粒子的沖擊概率，僅此項(xiàng)改造，可提高功效150～200%。
（3）優(yōu)化分級(jí)結(jié)構(gòu)。分級(jí)是超微粉碎系統(tǒng)的至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。流化床氣流超微粉碎機(jī)一個(gè)最顯著的特點(diǎn)，即能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的進(jìn)料和出料，防止物料過(guò)細(xì)粉碎，造成不必要的能源消耗。根據(jù)渦輪式分級(jí)原理，適當(dāng)加大分級(jí)輪直徑、提高轉(zhuǎn)速、降低空氣流量是確保分級(jí)機(jī)分離粒徑細(xì)小的根本保證。要根據(jù)不同物料的特點(diǎn)和具體要求，來(lái)控制好以上三者之間的關(guān)系。
（4）進(jìn)入超微粉碎機(jī)的原始物料要盡可能細(xì)小。為達(dá)到此目的，應(yīng)在進(jìn)行超微粉碎前，應(yīng)采用普通粉碎機(jī)進(jìn)行預(yù)粉碎處理，這是節(jié)約能源和提高單位產(chǎn)量的最直接、最效的方法。
（5）確保流化床式氣流超微粉碎機(jī)，整個(gè)封閉系統(tǒng)的氣密性要求，包括管道、閥門、設(shè)備的全封閉裝置等，不應(yīng)有泄漏存在?？傊痪湓?，要把寶貴的空氣動(dòng)力能源，集中用在噴嘴上，努力提高氣體流速和壓力。
（6）產(chǎn)品收集和除塵器要保證送氣順暢，不應(yīng)阻力過(guò)大。這個(gè)部分的系統(tǒng)裝置既要保證收集到合格的產(chǎn)品，又要保證環(huán)境的要求，不被污染，但裝備過(guò)余龐雜，事必給整體工作帶來(lái)太多的負(fù)擔(dān)。

五、結(jié)語(yǔ)
“超微粉體技術(shù)與超微粉碎機(jī)”在我國(guó)還是近十余年來(lái)的新鮮事
物。許多理論尚處在不斷的探索階段。伴隨著測(cè)量技術(shù)和粉碎理論的不斷完善和發(fā)展，相信超微粉體技術(shù)與超微粉碎機(jī)，將在我國(guó)不同的技術(shù)領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用，為推動(dòng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，做出新的巨大貢獻(xiàn)。