粉體學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用

1、粉體學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用第1頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二一、粉體學(xué)基礎(chǔ)1. 概述 定義： 粉體是無數(shù)個(gè)固體粒子集合體的總稱，粒子是粉體運(yùn)動(dòng)的最小單元，粉體學(xué)(micromeritics)是研究粉體的基本性質(zhì)及其應(yīng)用的科學(xué)。通常所說的“粉”、“粒”都屬于粉體的范疇。 粉 粒徑 100m的粒子，較難產(chǎn)生粒子間的相互作用而 流動(dòng)性較好第2頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 一級(jí)粒子和二級(jí)粒子： 組成粉體的單元粒子也可能是單體的結(jié)晶，也可能是多個(gè)單體粒子聚結(jié)在一起的粒子，為了區(qū)別單體粒子和聚結(jié)粒子，提出了一級(jí)粒子和二級(jí)粒子概念： 一級(jí)粒子(primary p

2、article) 單體粒子 二級(jí)粒子(second particle) 聚結(jié)粒子 在粉體的處理過程中由范德華力、靜電力等弱結(jié)合力的作用而生成的不規(guī)則絮凝物(random floc)和由粘合劑的強(qiáng)結(jié)合力的作用聚集在一起的聚結(jié)物(agglomerate)都屬于二級(jí)粒子。 第3頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 粉體的分類： 超細(xì)粉：在廣義上指從微米級(jí)到納米級(jí)的一系列超細(xì)材料；狹義上指粒徑在 5m 100nm 的一系列超細(xì)材料。 納米粉：粒徑 100nm的粉體。粉體加工行業(yè)已基本形成的共識(shí)：納米材料：粒徑 6，常見粒子68。第22頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分

3、，星期二 粒子的比表面積(specific surface area)： 比表面積的表示方法：粒子的比表面積的表示方法根據(jù)計(jì)算基準(zhǔn)不同，可分為體積比表面積SV和質(zhì)量比表面積SW： Sw=6/Dvs Sv=6/Dvs 為粒子真密度，Dvs粒子的平均粒徑。可見， S D。比表面積是表征粉體中粒子粗細(xì)的一種量度，也是表示固體吸附能力的重要參數(shù)。第23頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 （4）粉體的密度與空隙率： 粉體的密度：粉體的密度指單位體積粉體的質(zhì)量。由于粉體的顆粒內(nèi)部和顆粒間存在空隙，粉體的體積具有不同的含義。粉體的密度根據(jù)所指的體積不同分三種： 真密度（true den

4、sity) ：t = w/VtVt真體積，即不包含顆粒內(nèi)外空隙的體積。 第24頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 顆粒密度（granule density) ： g = w/VgVg包括開口及封閉細(xì)孔（顆粒本身內(nèi)部的空隙）在內(nèi)的顆粒體積。 松密度（bulk density) ：b= w/VbVb粉體所占容器的體積V，既包括顆粒內(nèi)部及顆粒間空隙的體積，亦稱堆密度。第25頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 振實(shí)密度（tap density）： 粉體裝填在特定容器后，對(duì)容器進(jìn)行振動(dòng)，從而破壞粉體中的空隙，使粉體處于緊密填充狀態(tài)后的密度。通過測量振實(shí)密度可以

5、知道粉體的流動(dòng)性和空隙率等數(shù)據(jù)。 一般： t g td b 空隙率（porosity）： 粉體層中空隙所占有的比率。粒子內(nèi)孔隙率： 內(nèi)=Vg-Vt/Vg =1-g/t粒子間孔隙率： 間=V-Vg/V = 1- b/g總孔隙率： 總= V -Vt/V =1- b/t第26頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二BT1000型粉體特性測試儀第27頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二一、性能指標(biāo) 二、測試對(duì)象 1、測試范圍：40nm600m； 1、納米、亞微米材料(石墨、SiO2等)；2、進(jìn)樣方式：循環(huán)泵式； 2、各種非金屬粉(滑石粉、石墨等)；3、重復(fù)性誤差：小

6、于1%； 3、各種金屬粉(鋁粉、鋅粉、銅粉等)；4、測試時(shí)間：一般2-3min/次； 4、其它粉體。5、自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)精度：1微米。BT-2003激光粒度分布儀第28頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二（5）粉體的流動(dòng)性（flowability）：粉體的流動(dòng)性與粒子的形狀、大小、表面狀態(tài)、密度、空隙率等有關(guān)。粉體的流動(dòng)包括重力流動(dòng)、壓縮流動(dòng)、流態(tài)化流動(dòng)等多種形式。 休止角(angle of repose)：靜止?fàn)顟B(tài)的粉體堆積 體自由表面與水平面之間的夾角為休止角，用表示， 越小流動(dòng)性越好。 tan=h/rh 粉體堆積體最高高度；r 圓盤容器半徑。第29頁，共49頁，2022年

7、，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二可見，休止角是檢驗(yàn)粉體流動(dòng)性的尺度。常用的測定方法有注入法、排出法、傾斜角法等，測定方法不同所得數(shù)據(jù)有所不同，重現(xiàn)性差。粘性粉體或粒徑小于100200m的粉體粒子間相互作用力較大而流動(dòng)性差，因而所測休止角較大。 休止角示意圖 a理想狀態(tài)；b實(shí)際狀態(tài)a bhr第30頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 壓縮度( compressibility)：C=(f - 0)/ f 100% 式中， C為壓縮度；0為最松密度；f為最緊密度。壓縮度是粉體流動(dòng)性的重要指標(biāo)，其大小反映粉體的凝聚性、松軟狀態(tài)。C 20% 流動(dòng)性好，C，流動(dòng)性。 粉體的壓縮過程中伴

8、隨著體積的縮小，固體顆粒被壓縮成緊密的結(jié)合體，然而其體積的變化較復(fù)雜。粒子經(jīng)過滑動(dòng)或重新排列，即彈性變形塑性變形或破壞。第31頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二（6）粉體的粘附性和凝聚性(adhesion & cohesion)： 粘附性是指不同分子間產(chǎn)生的引力，如粉體粒子與器壁間的粘附。 粘著性是指同分子間產(chǎn)生的引力，如粉體粒子之間發(fā)生粘附而形成聚集體(random floc)。 產(chǎn)生粘附性和凝聚性的原因： 在干燥狀態(tài)下主要是由于范德華力與靜電力發(fā)揮作用； 在潤濕狀態(tài)下主要由于粒子表面存在的水分形成液體橋或由于水分的蒸發(fā)而產(chǎn)生固體橋發(fā)揮作用。第32頁，共49頁，2022

9、年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二作用力類型能量與距離的關(guān)系荷電基團(tuán)靜電作用離子-偶極子離子-誘導(dǎo)偶極子偶極子-偶極子偶極子-誘導(dǎo)偶極子誘導(dǎo)偶極子-誘導(dǎo)偶極子非鍵排斥1/r1/r21/r41/r6 （范德華作用力中的靜電力）1/r6 （范德華作用力中的誘導(dǎo)力）1/r6 （范德華作用力中的色散力）1/r91/r6分子間作用能與距離的關(guān)系第33頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二3. 干粉配料控制系統(tǒng) 干混料(Drymix) 又稱干拌料，是一種將干粉狀的配料均勻混合以備所需工程或建材上可直接使用的中間原料的過程。干粉料在建筑、化工及藥業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

10、在化學(xué)電源中，生產(chǎn)高質(zhì)量的干混料對(duì)于保證電池質(zhì)量起著重要作用。例如，鋰離子電池正負(fù)極料是由活性物質(zhì)和碳黑組成的，為了使它們分布均勻，須按配方要求準(zhǔn)確配料，且先在干態(tài)下混合均勻，然后加入粘結(jié)劑再進(jìn)行攪拌。若干混料不均，勢必會(huì)影響電極的性能。第34頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 配料監(jiān)控程序流程圖第35頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二（1）干混料影響因素：微觀力學(xué)方法： 目前對(duì)粉末體塑性變形的研究，是將粉末體視為“可壓縮的連續(xù)體”。這種方法在金屬粉末體塑性加工工藝(粉末鍛造、粉末擺碾、粉末擠壓、粉末軋制等)中得到較廣泛地應(yīng)用。連續(xù)體力學(xué)從宏觀的角度

11、分析粉末體金屬變形和致密過程，對(duì)求解變形力及分析流動(dòng)規(guī)律十分有效。 但是，嚴(yán)格地講，粉末體是非連續(xù)介質(zhì)。雖然目前用連續(xù)體理論在描述粉末體宏觀行為方面取得了較好的效果，但連續(xù)體方法不能涉及顆粒特性。粉末體的微觀特性： 為了研究粉末的微觀特性，需要把粉末體視為顆粒的集合體，并建立單個(gè)顆粒行為與粉末集合體宏觀行為的聯(lián)系。第36頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 (a) 幾何因素： 顆粒的大小及分布 目前鋰離子電池電極采用的正負(fù)極活性物質(zhì)（粉體）尺寸多在0.幾幾十m之間。經(jīng)干混料（在臥式攪拌機(jī)中和瑪瑙球一起攪拌）粉體粒徑可能略微變小，且其形狀可能趨于球形，因此，粉體聚合的可能性并

12、不大。 (b) 物理因素： 顆粒間作用力 粉體力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜。在松散狀態(tài)下，粉末顆粒之間相互離散，粉體在輕微外力作用下就能夠流動(dòng)，不保持一種固定形狀。但粉體力學(xué)性質(zhì)與普通流體又有本質(zhì)區(qū)別。例如，根據(jù)帕斯卡定律，受到壓力載荷的靜態(tài)流體對(duì)各方向的壓強(qiáng)是均一的，但粉體并非如此。 第37頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 (c) 顆粒表面因素： 摩擦和粘性 對(duì)于粘附性的粉狀粒子，減少粒子間的接觸點(diǎn)數(shù)，可以降低粒子間的附著力、凝聚力。球形粒子的光滑表面，能減少接觸點(diǎn)數(shù)，減少摩擦力。 除了上述因素外，環(huán)境因素也很重要。尤其對(duì)于納米級(jí)或亞納米級(jí)粉體，環(huán)境因素的影響必須要考慮。 紅外光

13、譜、吸附研究表明：高的比表面積和高的表面能使納米粉強(qiáng)烈吸附外來物質(zhì)(如水份)反應(yīng)生成新的表面結(jié)構(gòu)(如R-O-H結(jié)構(gòu))，增加了粉體間相互作用力和表面活性。納米粉表面間化學(xué)反應(yīng)(如-OH基間聚合反應(yīng))或生成新的連接物是納米粉及漿體產(chǎn)生團(tuán)聚、影響分散性的直接原因。適當(dāng)干燥有利于減弱粒子間的作用力。第38頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 納米粉體團(tuán)聚原因的另一種描述： 高的比表面積和表面能是納米粉體團(tuán)聚的強(qiáng)大動(dòng)力，但常溫下潔凈粉體表面的本身結(jié)構(gòu)調(diào)整不會(huì)導(dǎo)致納米粉體團(tuán)聚，只會(huì)導(dǎo)致其分散；外來物質(zhì)(如空氣、水等)在表面發(fā)生化學(xué)吸附與化學(xué)反應(yīng)后，改變了表面結(jié)構(gòu)和相互作用性質(zhì)，在粉體表

14、面生成具有羥基等新結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致粉體間相互吸引(如氫鍵間的作用力)與化學(xué)反應(yīng)(如一OH基間聚合反應(yīng))等行為，是大多數(shù)納米粉體團(tuán)聚的真正原因。第39頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 實(shí)例分析： 當(dāng)MCMB粒度的大幅減小，粉末顆粒間會(huì)形成大量如下圖（a）所示的團(tuán)聚和架橋現(xiàn)象。 MCMB超細(xì)粉末的SEM照片 第40頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 由瀝青或芳香稠環(huán)化合物經(jīng)液相炭化而得到的中間相炭微球（MCMB）本身具有粘結(jié)性，可以直接模壓或等靜壓成型后，自燒結(jié)成為高密度各向同性炭材料（HDIC。這種細(xì)結(jié)構(gòu)高密高強(qiáng)炭材料以其良好的機(jī)械性能、導(dǎo)熱、導(dǎo)電及各向同

15、性等特性而應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料。 MCMB 超細(xì)粉末的制備，從顆粒的成核和生長、濕凝膠的溶劑抽提和干燥等整個(gè)過程中，均有產(chǎn)生團(tuán)聚的可能，其中除由顆粒間的范德華力和庫侖力所致的軟團(tuán)聚外，附著在MCMB超細(xì)顆粒表面大量的可溶或部分可溶的小分子，在瀝青母體內(nèi)生長或者溶劑抽提、干燥過程中易相互溶結(jié)形成強(qiáng)度較高的硬團(tuán)聚體。 第41頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 另外，部分小分子或活性基團(tuán)在強(qiáng)溶劑（如甲苯、吡啶等）作用下游離于顆粒表面，溶膠在干燥過程中，毛細(xì)管吸附力使顆粒相互靠近，隨溶劑的揮發(fā)，顆粒固化膠結(jié)在一起。一般軟團(tuán)聚在成型壓力作用下即可得到消除。 硬團(tuán)聚在成型過程中難

16、于破除，且頸部相連的團(tuán)聚顆粒在材料燒結(jié)時(shí)出現(xiàn)燒結(jié)體密度不均現(xiàn)象，造成燒結(jié)孔洞或不均勻收縮裂紋，嚴(yán)重影響著燒結(jié)顯微結(jié)構(gòu)的發(fā)展。對(duì)粉末的長時(shí)間研磨破壞了團(tuán)聚體中的化學(xué)鍵和局部溶結(jié)部分，減少了材料的燒結(jié)缺陷，從而提高了材料性能。第42頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 臥式干粉攪拌機(jī)第43頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 第44頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 攪拌原理： 目前采用臥式攪拌機(jī)進(jìn)行干混料，攪拌機(jī)筒體內(nèi)裝載了一定數(shù)量的瑪瑙球和物料。當(dāng)筒體回轉(zhuǎn)時(shí)，研磨體受離心力的作用，貼在筒體內(nèi)壁與筒體一起回轉(zhuǎn)上升，當(dāng)研磨體被帶到一定高度時(shí)，由于受重力作用而被拋出，并以一定的速度降落，在此過程中，筒體內(nèi)的物料受到研磨體的沖擊和研磨的雙重作用而被粉碎和研磨。 攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)研磨效率影響很大，實(shí)踐證明，若旋轉(zhuǎn)速度超過某一值時(shí)，起不到粉碎的作用，這一速度稱臨界速度。臨界速度主要和滾筒直徑相關(guān)，直徑大時(shí)，其值略小，小噸位攪拌機(jī)臨界速度略大。第45頁，共49頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期二 a b c在不同攪拌速度下干粉料及瑪瑙球運(yùn)動(dòng)狀態(tài) a轉(zhuǎn)速過快；b轉(zhuǎn)速正常；c轉(zhuǎn)速太慢 可見，在a狀態(tài)下物料幾乎得不到研磨，b狀態(tài)研磨效果最好，c為次之。當(dāng)物料顆粒較大時(shí)，顆粒在重力作用