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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,正在建立相應的標準進行界定。通常粉體工程學研究的對象,是尺度界于10m到10m范圍的顆粒。

隨著科學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化終點到哪里,但確實在不斷逼近分子水平。20世紀90年代初,化學家關注的由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"的研究對象。而粉體工程學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聚顆粒,單顆粒的性質取決于構成顆粒的原子和分子種類及其結晶或結合狀態(tài),這種結合狀態(tài)取決于物質生成的反應條件或生成過程。從化學組成來分,顆粒有同一物質組成的單質顆粒和多種物質組成的多質顆粒。多質顆粒又分為由多個多種單質微顆粒組成的非均質復合顆粒和多種物質固溶在一起的均質復合顆粒之分。從性能的關聯(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聚顆粒或復合顆粒的特性;團聚與復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。

特性

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

1、比表面積增大促進溶解性和物質活性的提高,易于反應處理。

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、均質化與梯度化,控制材料的組成與構造。

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。

顆粒的性質決定了粉體的性質,粉體工程學涉及的基本理論主要研究顆粒的體相性質(大小與分布、形狀、比表面積、堆積特性、磁電熱光等性質);顆粒的表面與界面性質(表面的不飽和性、表面的非均質性、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(表面電荷起源、顆粒表面電位與吸附特性等);顆粒表面的化學反應(類型與機理與反應動力學)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識。一尺之棰,日取其半,萬世不竭。這是《莊子·天下》中對物質微細化過程的直接描述,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成的大千世界有了清楚的認識,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識粉體、認識顆粒有著及其重要的啟發(fā)作用。

人類對客觀世界的認識是從微觀、介觀和宏觀等不同層次上進行的,認知范圍的擴大與內(nèi)容的深入,不斷增強著人類對掌控客觀世界的能力。對于人們熱心的粉體技術來說,從構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了顆粒(個體)與粉體(群體)之間的密切關系。

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,可以流動飛揚等。正是粉體在加工、處理、使用方面表現(xiàn)出獨特的性質和不可思議的現(xiàn)象,盡管在物理學上沒有明確界定,我們認為"粉體"是物質存在狀態(tài)的第4種形態(tài)(流體和固體之間的過渡狀態(tài))。這是在認識論層面上從各個領域歸納抽象出粉體和加工過程共性問題的基礎。

粉體是由大量顆粒及顆粒間的空隙所構成的集合體,粉體的構成應該滿足以下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。

顆粒是構成粉體的最小單元,工程研究的對象多為粉體,進一步深入研究的對象則是微觀的顆粒。顆粒微觀尺度和結構的量變,必將帶來粉體宏觀特性的質變。

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變的例子。

表1表示出具有立方結晶格子的固體(假設原子間距為2×10-10m時)不斷地被細化時,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。反應性、吸附性等與表面相關的物理化學性質,隨著粒徑的變小而強化。

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

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

表1固體被細化引起表面原子數(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,不斷地將其細化,若細化成邊長為1μm的立方體顆粒群時,總比表面積是6m2;若細化成邊長為0.1μm的立方體顆粒群時,總比表面積是60m2;細化成邊長為0.01μm的立方體顆粒群時,總比表面積是600m2。顆粒的細化導致比表面積急劇增大,將促進固體表面相關的反應。特別是當超微顆粒表面富于活性的情況下,效果會更明顯。

粉體細化與流動:粉體在容器中呈靜止狀態(tài),但受力后能像液體一樣地流出。若施加強作用力使粉體分散,能像氣體一樣擴散。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"。

粉體技術可以指粉狀物質的加工處理思路軟件和相關設備硬件的總成。自從人類社會的發(fā)端開始,粉體技術就與每個人息息相關,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。粉體技術作為一門綜合性技術,就是隨著人類文明的發(fā)展而逐漸形成的。從原始人學會制造石器粉碎食物開始,就出現(xiàn)了粉碎技術的雛形。通過對粉體技術的感知、認知的變化,我們可以從加工業(yè)的發(fā)展特點來形容粉體技術過程——「構思顆粒、分析構成、加工粉體、制造產(chǎn)品、現(xiàn)實設想」。

從石器時代到鐵器時代,粉體技術扮演著重要的角色,而系統(tǒng)整理這一系列技術的還是我國古代的《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,在物理和化學等學科不斷進步的推動下,20世紀50年代對粉體過程現(xiàn)象與粉體技術理論的研究應運而生。20世紀60年代理論研究與生產(chǎn)應用的結合與發(fā)展,確立了粉體工程學科的作用與重要性。20世紀70年代為解決粉體相關產(chǎn)業(yè)存在的問題以及對新產(chǎn)品的研發(fā),奠定了現(xiàn)代粉體技術的基礎。

隨著粉體技術的不斷提高與積累以及微顆粒、超微顆粒材料制備與應用技術的發(fā)展,20世紀80年代粉體技術實現(xiàn)了超細化,相關理論也逐漸系統(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重要的研究對象。20世紀90年代顯微測試技術和計算機技術的飛速發(fā)展,促進了納米粉體技術的誕生,納米材料制備與應用技術又賦予粉體工程新的挑戰(zhàn)和用武領域。21世紀顆粒微細化以及顆粒功能化與復合化的發(fā)展,為粉體技術在材料科學與工程領域的應用中開辟了新天地[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。精細化是一個突出特色,英語中"Fineparticlemustbefine"這句雙關語的確說明了微細化與精細化的關系;超微顆粒的研究開發(fā)就是沿著這個方向發(fā)展的。以多尺度思想認識物質的結構,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。

隨著材料及相關產(chǎn)業(yè)的科技進步,作為工業(yè)原料精細化加工處理的粉體技術應用范圍也在不斷地拓展,單純的超細粉碎分級技術已經(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、結構、形貌等也提出了日益嚴苛的要求。

發(fā)展趨勢

社會的進步、科技的發(fā)展,人們期待著未來的粉體技術會更加完善。

1、微細化

粉體技術最明確的一個發(fā)展方向是使顆粒更加微細化、更具有活性、更能發(fā)揮微粉特有的性能。近年來關于"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)、化學或物理的粉體制備法(building-up法)以及反應工程中物質移動操作的析晶反應,都被包含在粉體技術制備領域中。

2、功能化與復合化

隨著材料及相關產(chǎn)業(yè)的科技進步,粉體作為普通的工業(yè)原料,其加工處理技術日新月異,應用范圍也在不斷地拓展。單純的超細粉碎、分級技術已經(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粒度和理想的粒度分布,也對粉體顆粒的成分、結構、形貌及特殊性能提出了日益嚴苛的要求。

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

3、發(fā)展趨勢

顆粒微細化作為粉體工程學科關鍵技術之一,科技進步對材料的微細化提出了更高的要求,涉及的課題及研究領域更廣泛,如關于環(huán)境對策的粉體技術、關于資源能源的粉體技術、關于金屬粉末成形的粉體技術等等,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的粉體技術,在以信息技術為代表的各種現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)領域中,起著相當大的作用。"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)境嚴重污染,地球能否持續(xù)發(fā)展的緊迫局面,對于粉體技術來說,既是嚴峻的挑戰(zhàn),又是發(fā)展的機遇,粉體技術已擔負起重大的、長遠的責任。粉體技術在環(huán)境治理、生態(tài)保護、資源循環(huán)利用、廢棄物再生、節(jié)能省能領域中,具有不可替代的作用。人類的生存對于粉體技術的依賴和期望越來越高,粉體技術的不斷創(chuàng)新和應用將使各行各業(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和過程現(xiàn)象,將系統(tǒng)化的知識和方法運用于工業(yè)生產(chǎn)中所采用的粉體應用技術的總稱。以粉體特性為基礎,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,粉體工程學已廣泛應用到建材、機械、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)濟發(fā)展的各個領域。