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與大塊固體相比較,相對微小的固體稱之為顆粒。根據(jù)其尺度的大小,常區(qū)分為顆粒(particle)、微米顆粒(micronparticle)、亞微米顆粒(sub-micronparticle)、超微顆粒(ultramicronparticle)、納米顆粒(nano-particle)等等。這些詞匯之間有一定的區(qū)別,正在建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行界定。通常粉體工程學(xué)研究的對象,是尺度界于10m到10m范圍的顆粒。

隨著科學(xué)觀察和實際操作能力的提高,制備和使用這些微小顆粒的技術(shù)不斷地從毫米走入微米,從微米走入納米。即使還不知道顆粒微細(xì)化終點到哪里,但確實在不斷逼近分子水平。20世紀(jì)90年代初,化學(xué)家關(guān)注的由60個碳原子組成的32面體的原子群等,一方面是分子簇,另一方面可以看到呈現(xiàn)具有粉體顆粒特性的狀態(tài),可以說人類的操作能力進(jìn)入分子和顆粒連續(xù)的時代。

廣義上說,顆粒不僅限于固體顆粒,還有液體顆粒、氣體顆粒。如空氣中分散的水滴(霧、云);液體中分散的液滴(乳狀液);液體中分散的氣泡(泡沫);固體中分散的氣孔等都可視為顆粒,它們都是"顆粒學(xué)"的研究對象。而粉體工程學(xué)的研究對象是大宗的固體顆粒集合體。

從顆粒存在形式上來區(qū)分,顆粒有單顆粒和由單顆粒聚集而成的團(tuán)聚顆粒,單顆粒的性質(zhì)取決于構(gòu)成顆粒的原子和分子種類及其結(jié)晶或結(jié)合狀態(tài),這種結(jié)合狀態(tài)取決于物質(zhì)生成的反應(yīng)條件或生成過程。從化學(xué)組成來分,顆粒有同一物質(zhì)組成的單質(zhì)顆粒和多種物質(zhì)組成的多質(zhì)顆粒。多質(zhì)顆粒又分為由多個多種單質(zhì)微顆粒組成的非均質(zhì)復(fù)合顆粒和多種物質(zhì)固溶在一起的均質(zhì)復(fù)合顆粒之分。從性能的關(guān)聯(lián)度來考慮,原子分子的相互作用決定了單顆粒,單顆粒之間的相互作用決定了團(tuán)聚顆粒或復(fù)合顆粒的特性;團(tuán)聚與復(fù)合顆粒的集合決定了粉體的宏觀特性;粉體的宏觀特性又影響到其加工處理過程和產(chǎn)品的品質(zhì)。

特性

從粉體工程學(xué)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域來看,以微小顆粒的形式來處理固體物質(zhì)具有如下顯而易見的幾方面的必要性與有利性:

1、比表面積增大促進(jìn)溶解性和物質(zhì)活性的提高,易于反應(yīng)處理。

2、顆粒狀態(tài)易于流動,可以精確計量控制供給與排出和成形。

3、實現(xiàn)分散、混合、均質(zhì)化與梯度化,控制材料的組成與構(gòu)造。

4、易于成分分離,有效地從天然資源或廢棄物中分離有用成分。

如上所述,可以充分理解以顆�；蝾w粒集合體形式處理物料的重要性。

顆粒的性質(zhì)決定了粉體的性質(zhì),粉體工程學(xué)涉及的基本理論主要研究顆粒的體相性質(zhì)(大小與分布、形狀、比表面積、堆積特性、磁電熱光等性質(zhì));顆粒的表面與界面性質(zhì)(表面的不飽和性、表面的非均質(zhì)性、表面能等);顆粒表面的潤濕性(潤濕類型、接觸角與臨界表面張力、親液·疏液性等);顆粒表面的動電性質(zhì)(表面電荷起源、顆粒表面電位與吸附特性等);顆粒表面的化學(xué)反應(yīng)(類型與機(jī)理與反應(yīng)動力學(xué))等物性與特性。

拆字思義,"粉"乃將米粉碎而成,"粒"乃米的獨立存在,這兩個字形象地表明了古人對粉體和顆粒的認(rèn)識。一尺之棰,日取其半,萬世不竭。這是《莊子·天下》中對物質(zhì)微細(xì)化過程的直接描述,它形象簡潔地闡明了顆粒無限可分的概念�！督饎偨�(jīng)》也記錄過釋迦佛陀多次以恒河中沙塵顆粒個數(shù)來比喻宇宙之大:河中沙粒之多,再以一粒沙比喻成為一條河,又可以無窮無盡地放大到無垠的空間。

古代先賢早已對顆粒構(gòu)成的大千世界有了清楚的認(rèn)識,而且這種無限、不斷可分與放大的"盡虛空,遍法界"的多尺度思想和寬廣的意境對我們認(rèn)識粉體、認(rèn)識顆粒有著及其重要的啟發(fā)作用。

人類對客觀世界的認(rèn)識是從微觀、介觀和宏觀等不同層次上進(jìn)行的,認(rèn)知范圍的擴(kuò)大與內(nèi)容的深入,不斷增強(qiáng)著人類對掌控客觀世界的能力。對于人們熱心的粉體技術(shù)來說,從構(gòu)成原子的微粒子到充滿無數(shù)星球的天體群,都在不同尺度上反應(yīng)了顆粒(個體)與粉體(群體)之間的密切關(guān)系。

概念

固體顆粒的集合體定義為粉體。表示粉體的詞匯有粒體(granule),粉體(powder),粉粒體(particulatematter),大顆粒的集合體習(xí)慣上稱之為粒體,小顆粒的集合體稱之為粉體。

粉體是指離散狀態(tài)下固體顆粒集合體的形態(tài)。但是粉體又具有流體的屬性:沒有具體的形狀,可以流動飛揚(yáng)等。正是粉體在加工、處理、使用方面表現(xiàn)出獨特的性質(zhì)和不可思議的現(xiàn)象,盡管在物理學(xué)上沒有明確界定,我們認(rèn)為"粉體"是物質(zhì)存在狀態(tài)的第4種形態(tài)(流體和固體之間的過渡狀態(tài))。這是在認(rèn)識論層面上從各個領(lǐng)域歸納抽象出粉體和加工過程共性問題的基礎(chǔ)。

粉體是由大量顆粒及顆粒間的空隙所構(gòu)成的集合體,粉體的構(gòu)成應(yīng)該滿足以下3個條件,①微觀的基本單元是小固體顆粒;②宏觀上是大量的顆粒的集合體;③顆粒之間有相互作用。

顆粒是構(gòu)成粉體的最小單元,工程研究的對象多為粉體,進(jìn)一步深入研究的對象則是微觀的顆粒。顆粒微觀尺度和結(jié)構(gòu)的量變,必將帶來粉體宏觀特性的質(zhì)變。

特性

粉體的特性包括顆粒物性和顆粒集合體的物性,這兩方面是粉體材料引人注目的重要理由。

首先,分析一個顆粒微觀尺度量變到宏觀性能質(zhì)變的例子。

表1表示出具有立方結(jié)晶格子的固體(假設(shè)原子間距為2×10-10m時)不斷地被細(xì)化時,固體顆粒表面的原子數(shù)占固體顆粒整體原子數(shù)的比率。粒徑在20μm顆粒表面的原子數(shù)占整體的比率幾乎可以忽略;但是粒徑小到2nm時,構(gòu)成顆粒原子的半數(shù)在表面上,造成顆粒表面能的增加。這就是超微顆粒具有與通常固體不同物性的原因之一。反應(yīng)性、吸附性等與表面相關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì),隨著粒徑的變小而強(qiáng)化。

粒徑細(xì)化將使材料表現(xiàn)出奇特的性質(zhì):通常金的熔點大約是1060℃,但當(dāng)把金細(xì)化到3nm的程度時,在500℃左右就融化了;鐵強(qiáng)磁性體具有無數(shù)個磁疇,但當(dāng)鐵顆粒細(xì)化到磁疇大小時則成為單磁疇構(gòu)造,可以用作磁性記錄材料。

固體顆粒細(xì)化時表現(xiàn)出的微顆粒物性,作為材料使用時具有多種優(yōu)異性能。這種量變到質(zhì)變的哲學(xué)思想,是粉體技術(shù)賴以立足的磐石。

表1固體被細(xì)化引起表面原子數(shù)比率變化

為了說明這一理論磐石的重要性,我們再來分析兩個顆粒微觀尺度量變到宏觀性能質(zhì)變的例子。

比表面積與活性:例如邊長為25px的立方體顆粒,其比表面積是6×10-4m2,不斷地將其細(xì)化,若細(xì)化成邊長為1μm的立方體顆粒群時,總比表面積是6m2;若細(xì)化成邊長為0.1μm的立方體顆粒群時,總比表面積是60m2;細(xì)化成邊長為0.01μm的立方體顆粒群時,總比表面積是600m2。顆粒的細(xì)化導(dǎo)致比表面積急劇增大,將促進(jìn)固體表面相關(guān)的反應(yīng)。特別是當(dāng)超微顆粒表面富于活性的情況下,效果會更明顯。

粉體細(xì)化與流動:粉體在容器中呈靜止?fàn)顟B(tài),但受力后能像液體一樣地流出。若施加強(qiáng)作用力使粉體分散,能像氣體一樣擴(kuò)散。圖1-1形象地描繪了這些特性,粉體表現(xiàn)出類似于固-液-氣三態(tài)的行為,這一特性在材料加工和輸送處理方面十分有利,雷同于自然界的"飛砂、沙丘與砂巖形成的過程"。

粉體技術(shù)可以指粉狀物質(zhì)的加工處理思路軟件和相關(guān)設(shè)備硬件的總成。自從人類社會的發(fā)端開始,粉體技術(shù)就與每個人息息相關(guān),一刻也沒有離開過,只不過是每個人是否明確清晰地感覺到和識別出來而已。粉體技術(shù)作為一門綜合性技術(shù),就是隨著人類文明的發(fā)展而逐漸形成的。從原始人學(xué)會制造石器粉碎食物開始,就出現(xiàn)了粉碎技術(shù)的雛形。通過對粉體技術(shù)的感知、認(rèn)知的變化,我們可以從加工業(yè)的發(fā)展特點來形容粉體技術(shù)過程——「構(gòu)思顆粒、分析構(gòu)成、加工粉體、制造產(chǎn)品、現(xiàn)實設(shè)想」。

從石器時代到鐵器時代,粉體技術(shù)扮演著重要的角色,而系統(tǒng)整理這一系列技術(shù)的還是我國古代的《天工開物》一書,是它歸納分析形成粉體技術(shù)的雛形。西方工業(yè)革命對鋼鐵需求的快速增加,大規(guī)模地加工礦物粉體的相關(guān)工業(yè)已得到迅速地發(fā)展。針對粉體企業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的種種故障與危害,在物理和化學(xué)等學(xué)科不斷進(jìn)步的推動下,20世紀(jì)50年代對粉體過程現(xiàn)象與粉體技術(shù)理論的研究應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)60年代理論研究與生產(chǎn)應(yīng)用的結(jié)合與發(fā)展,確立了粉體工程學(xué)科的作用與重要性。20世紀(jì)70年代為解決粉體相關(guān)產(chǎn)業(yè)存在的問題以及對新產(chǎn)品的研發(fā),奠定了現(xiàn)代粉體技術(shù)的基礎(chǔ)。

隨著粉體技術(shù)的不斷提高與積累以及微顆粒、超微顆粒材料制備與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,20世紀(jì)80年代粉體技術(shù)實現(xiàn)了超細(xì)化,相關(guān)理論也逐漸系統(tǒng)化;由于微顆粒、超微顆粒的行為與顆粒的行為差異較大,從而微顆粒、超微顆粒成為粉體科學(xué)重要的研究對象。20世紀(jì)90年代顯微測試技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,促進(jìn)了納米粉體技術(shù)的誕生,納米材料制備與應(yīng)用技術(shù)又賦予粉體工程新的挑戰(zhàn)和用武領(lǐng)域。21世紀(jì)顆粒微細(xì)化以及顆粒功能化與復(fù)合化的發(fā)展,為粉體技術(shù)在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的應(yīng)用中開辟了新天地[5]:例如便于服用和可控溶解的緩釋藥物、延展性好不易脫落的化妝品、高生物利用度的超微粉體食品、高精度拋光的研磨粉、高純材料制備的電子元件和各類能源材料,為高性能粉體的使用開拓了廣闊的市場。

以粉體制備為例,古老的粉碎方式被粉碎(break-down)裝備替代,已經(jīng)工業(yè)化的超細(xì)攪拌磨突破了制備微粉的"3μm"粉碎極限,實現(xiàn)了亞微米級超微粉碎。精細(xì)化是一個突出特色,英語中"Fineparticlemustbefine"這句雙關(guān)語的確說明了微細(xì)化與精細(xì)化的關(guān)系;超微顆粒的研究開發(fā)就是沿著這個方向發(fā)展的。以多尺度思想認(rèn)識物質(zhì)的結(jié)構(gòu),科技界已經(jīng)將可操控的微顆粒尺度經(jīng)歷了從微米到納米之后,正在向分子量級逼近;宏觀世界和微觀世界的界限逐漸模糊化。

隨著材料及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步,作為工業(yè)原料精細(xì)化加工處理的粉體技術(shù)應(yīng)用范圍也在不斷地拓展,單純的超細(xì)粉碎分級技術(shù)已經(jīng)不能滿足對終端制品性能的要求。人們不僅要求粉體原料具有微納米級的超細(xì)粒度和理想的粒度分布,為了材料性能或粉體使用性能的提高,對粉體顆粒的成分、結(jié)構(gòu)、形貌等也提出了日益嚴(yán)苛的要求。

發(fā)展趨勢

社會的進(jìn)步、科技的發(fā)展,人們期待著未來的粉體技術(shù)會更加完善。

1、微細(xì)化

粉體技術(shù)最明確的一個發(fā)展方向是使顆粒更加微細(xì)化、更具有活性、更能發(fā)揮微粉特有的性能。近年來關(guān)于"超微顆粒"的研究開發(fā)就是沿著這個方向,以至于60個碳原子組成C60和70個碳原子組成的C70(即fullerene:碳原子排列成球殼狀的分子)歸入超微粉體。自古以來的粉體單元操作——粉碎法(breaking-down法)、化學(xué)或物理的粉體制備法(building-up法)以及反應(yīng)工程中物質(zhì)移動操作的析晶反應(yīng),都被包含在粉體技術(shù)制備領(lǐng)域中。

2、功能化與復(fù)合化

隨著材料及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步,粉體作為普通的工業(yè)原料,其加工處理技術(shù)日新月異,應(yīng)用范圍也在不斷地拓展。單純的超細(xì)粉碎、分級技術(shù)已經(jīng)不能滿足終端制品性能的要求,人們不僅要求粉體原料具有微納米級的超細(xì)粒度和理想的粒度分布,也對粉體顆粒的成分、結(jié)構(gòu)、形貌及特殊性能提出了日益嚴(yán)苛的要求。

通過表面改性或表面包覆,能夠賦予復(fù)合顆粒及粉體①形態(tài)學(xué)的改善;②物理化學(xué)物性的改善;③力學(xué)物性的改善;④顆粒物性控制;⑤復(fù)合協(xié)同效應(yīng);⑥粉體的復(fù)合物質(zhì)化等特殊的功能。

3、發(fā)展趨勢

顆粒微細(xì)化作為粉體工程學(xué)科關(guān)鍵技術(shù)之一,科技進(jìn)步對材料的微細(xì)化提出了更高的要求,涉及的課題及研究領(lǐng)域更廣泛,如關(guān)于環(huán)境對策的粉體技術(shù)、關(guān)于資源能源的粉體技術(shù)、關(guān)于金屬粉末成形的粉體技術(shù)等等,這一點不會改變。

如同制粉一樣,自古以來就使用的與人類生活密切相關(guān)的粉體技術(shù),在以信息技術(shù)為代表的各種現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中,起著相當(dāng)大的作用。"發(fā)展"重要,"可持續(xù)發(fā)展"更重要。與此同時,面對能源日漸枯竭、資源不斷減少、環(huán)境嚴(yán)重污染,地球能否持續(xù)發(fā)展的緊迫局面,對于粉體技術(shù)來說,既是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),又是發(fā)展的機(jī)遇,粉體技術(shù)已擔(dān)負(fù)起重大的、長遠(yuǎn)的責(zé)任。粉體技術(shù)在環(huán)境治理、生態(tài)保護(hù)、資源循環(huán)利用、廢棄物再生、節(jié)能省能領(lǐng)域中,具有不可替代的作用。人類的生存對于粉體技術(shù)的依賴和期望越來越高,粉體技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用將使各行各業(yè)發(fā)生根本性的變化。

在實施特點上看,粉體工程是基于顆粒與粉體自身性質(zhì)和過程現(xiàn)象,將系統(tǒng)化的知識和方法運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中所采用的粉體應(yīng)用技術(shù)的總稱。以粉體特性為基礎(chǔ),掌握粉體現(xiàn)象,對粉體的加工過程實施不同的單元作業(yè)。從單元操作的縱向分類來看,粉體工程涵蓋了破碎、粉碎、分級、貯存、充填、輸送、造粒、混合、過濾、沉降、濃縮、集塵、干燥、溶解、析晶、分散、成形、燒成等。根據(jù)各個產(chǎn)業(yè)中粉體加工對象的不同,粉體工程學(xué)已廣泛應(yīng)用到建材、機(jī)械、能源、塑料、橡膠、礦山、冶金、醫(yī)藥、食品、飼料、農(nóng)藥、化肥、造紙、資源、環(huán)保、信息、航空、航天、交通等幾乎國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個領(lǐng)域。