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1、8/1/202411.颗粒学（粉体工程）及其进展1.1 1.1 颗粒颗粒- -粉体（粉体（ParticlesParticles）无所不在： 空气，海洋，湖泊，水，土壤，太空多种来源:Chapter1 粉体工程概论8/1/20242a.a.自然界：岩石风化，火山活动，河流冲击等等自然界：岩石风化，火山活动，河流冲击等等 b.人工（工业）：几乎每一固体材料在制备开始，末尾或中间至少经历一个粉体阶段。日常生活空气中尘埃，废气污染物，食物 可以说我们是生活在颗可以说我们是生活在颗粒的世界粒的世界! !8/1/20243粉体是物质形态的一种特殊存在形式，在外观表现上介于固体和流体之间，随着细度的增加常常
2、表现出千变万化的性质。2. World Congress Particle Technology2. World Congress Particle Technology日本人认为日本人认为ParticleParticle严格来说是粒子或粒体而不严格来说是粒子或粒体而不是粉体，因为颗粒总是以粉体这种集合体的形是粉体，因为颗粒总是以粉体这种集合体的形式出现，集合产生了个体不具有的特殊性。式出现，集合产生了个体不具有的特殊性。粉体，粉体工程粉体，粉体工程另一词另一词KonaKona更为传统和更易于表达更为传统和更易于表达Particle Particle and powderand powder；
3、 粉体（粉体（PowderPowder）由细小固体颗粒组由细小固体颗粒组成的集合体。成的集合体。G.JimboG.Jimbo: : Funtai,Powder,ParticleFuntai,Powder,Particle and and Beyond Beyond 粉体与展望粉体与展望8/1/20244颗粒颗粒粉体粉体粉体与颗粒的关系8/1/20245指出指出指出指出:KonaKonaororFuntaiFuntai,ParticleorPowder,ParticleorPowder颗粒，颗粒学；颗粒，颗粒学；颗粒，颗粒学；颗粒，颗粒学；粉体是处于特定聚集状态的物质，是一种分布粉体是处于特定聚
4、集状态的物质，是一种分布粉体是处于特定聚集状态的物质，是一种分布粉体是处于特定聚集状态的物质，是一种分布于某一范围内的大小颗粒之间相互作用的存在于某一范围内的大小颗粒之间相互作用的存在于某一范围内的大小颗粒之间相互作用的存在于某一范围内的大小颗粒之间相互作用的存在状态；状态；状态；状态；它与气体、液体、固它与气体、液体、固它与气体、液体、固它与气体、液体、固体相同吗？体相同吗？体相同吗？体相同吗？8/1/20246第四相第四相粉体，具有固体属性；但粉体，具有固体属性；但粉体的表面积很大，使得粉体的表面积很大，使得自由能变得不可忽略。自由能变得不可忽略。S(surfacearea)大，吸引大，吸
5、引力，输送，呈流体状态，力，输送，呈流体状态，集合产生了个体所不具有集合产生了个体所不具有的特殊性。的特殊性。粉体粉体-散体散体粉体力学粉体力学散体力学散体力学粉体力学与工程粉体力学与工程专著专著/谢谢洪勇编著洪勇编著 8/1/20247粉体的特性粉体的特性材料的机械、物理和化学性质描述了组成材料的物质组态的基本特性，当物质被“分割”成为粉体之后，上述三类性质则不能全面描述材料的性质，必须对粉体材料的组成单元颗粒及其集合，进行详细描述。8/1/20248粉体工程的应用范围粉体工程的应用范围颗粒大小决定（影响）： e.g. 水泥的凝结时间、强度； 结构陶瓷的强度、韧度； 功能材料的功能； 催化剂
6、的活性； 食品的味道； 药物的药力； 颜料的着色力；颗粒大小颗粒大小粉体系统各种性质影响很大粉体系统各种性质影响很大颗粒集合颗粒集合-吸引力，输送吸引力，输送颗粒制备颗粒制备-粉碎粉碎8/1/20249e.g.陶瓷材料性能由：a.材料组分； b.显微结构-粉体特性（颗粒度、形状、团聚 状态、相组分)；亚微米纳米级超细粉，加速烧结过程中动力学过程，降低烧结时间，改善烧结体性能；e.g.水泥工艺是两磨一烧,水泥性能由 a.材料组成（煅烧）； b.颗粒度（颗粒大小及分布）；水泥（溶胶凝胶法，DSP）DSP水泥;densified systems containing homogeneous arra
7、nged ultrafine particle;DSP cement8/1/202410非金属矿行业对国民经济和社会就业的贡献和影响不断提高，2000年非金属矿工业总产值已达548.82亿元，超过金属矿工业总产值（435.34亿元）。非金属矿产品与金银铜铁一样，是社会发展不可缺少的重要物质资料。在出口方面，非金属矿产品是我国改革开放以来出口创汇增长最快的产品；其巨大贡献是不争的事实。非金属矿产品在六五”期间出口12.5亿美元,七五期间达到25.7亿美元，八五期间超过53.7亿美元，九五期间超过100亿美元。2000年出口创汇24.29亿美元，2001年达到28亿美元，2002年继续保持增长势头
8、。估计“十五”期间将超过180亿美元以上。 重要的战略资源石墨，我们国家占世界储量的90%以上，是世界上的最大出口国；纤维状硅灰石也是重要的矿物资源，我们的出口量占世界贸易量的30%以上。 8/1/202411粉体技术所涉及到的行业和产品应用 农业粮食加工、化肥、粉剂农药、土壤改良剂、饲料、添加剂、人工降雨催凝剂矿业金属矿石的粉碎研磨、非金属矿深加工、低品位矿物利用、冶金粉末冶金、机械合金化、冶金原料处理、冶金废渣利用、硬质合金生产橡胶固体填料、补强材料、废旧橡胶制品的再生利用、功能性填料塑料塑料原料制备、增强填料、粉末塑料制品、塑料喷涂8/1/202412粉体技术所涉及到的行业和产品应用 造
9、纸纸浆制备、造纸填料、涂布造纸用超细浆料、纤维状增强填料印刷油墨生产、铜金粉、喷墨打印墨汁、激光打印和复印碳粉药物粉剂,片剂,注射剂,中药精细化,定向药物载体、喷雾施药化工涂料、油漆、催化剂、原料处理8/1/202413粉体技术所涉及到的行业和产品应用 食品粮食加工、面粉蛋白分离、调味料、保健食品、食品添加剂、颜料偶氮颜料、酞青系列颜料、氧化铁系列颜料、氧化铬系列能源煤粉燃烧、固体火箭推进剂、水煤浆、电子电子浆料、电子塑封料、集成电路基片、电子涂料、荧光粉、铁氧体8/1/202414粉体技术所涉及到的行业和产品应用 建材水泥、建筑陶瓷生产、复合材料、木粉精细陶瓷原料细化处理、梯度材料、金属与陶
10、瓷复合材料、颗粒表面改性环保脱硫用超细碳酸钙、固体废弃物的再生利用、各类粉状污水处理剂机械粒度砂、微粉磨料、超硬材料、固体润滑剂、铸造型砂8/1/2024151.21.2颗粒学颗粒学颗粒学颗粒学- -粉体工程粉体工程粉体工程粉体工程（ Powdertechnology- ParticuologyParticuology) )19431943年年年年, ,美国美国美国美国MicromeriticsMicromeritics( (微晶学、微尘学微晶学、微尘学微晶学、微尘学微晶学、微尘学) )颗粒学最早著作；颗粒学最早著作；颗粒学最早著作；颗粒学最早著作；今天已发展为一门新兴的综合性技术学科，一门今
11、天已发展为一门新兴的综合性技术学科，一门今天已发展为一门新兴的综合性技术学科，一门今天已发展为一门新兴的综合性技术学科，一门交叉学科、边缘学科；超微颗粒是其中最为活跃交叉学科、边缘学科；超微颗粒是其中最为活跃交叉学科、边缘学科；超微颗粒是其中最为活跃交叉学科、边缘学科；超微颗粒是其中最为活跃的分支；的分支；的分支；的分支；ParticuologyParticuology：拉丁语：拉丁语：拉丁语：拉丁语 ParticulaParticula+希腊语希腊语希腊语希腊语LogiaLogia(颗粒的颗粒的颗粒的颗粒的)（学科）（学科）（学科）（学科）8/1/202416Fine particle Fi
12、ne particle 颗粒颗粒从个体颗粒出发，称为颗粒学从个体颗粒出发，称为颗粒学Powder Powder 粉体粉体从集合粉体出发，称为粉体工程学从集合粉体出发，称为粉体工程学8/1/202417研究范围：粉体材料制备，加工和处理过程以及出研究范围：粉体材料制备，加工和处理过程以及出研究范围：粉体材料制备，加工和处理过程以及出研究范围：粉体材料制备，加工和处理过程以及出现的现象；以颗粒性质、特征、内部结构为基础。现的现象；以颗粒性质、特征、内部结构为基础。现的现象；以颗粒性质、特征、内部结构为基础。现的现象；以颗粒性质、特征、内部结构为基础。粉体技术是一门跨行业、跨学科的新兴技术，包括粉碎
13、、分级、分离、均化、混合、输送、储存、改性、造粒、粉尘爆炸以及粉体特性的研究和测试等。作为一个生产环节，粉体技术早已应用于各工业部门，但作为一项专门技术进行系统地研究、开发则是随着现代工业技术的发展而形成的。8/1/202418美国美国美国美国 FineParticleFineParticle协会协会协会协会 ; ;欧洲粉体技术研讨会欧洲粉体技术研讨会欧洲粉体技术研讨会欧洲粉体技术研讨会InternationalCongressonParticleTechnologyInternationalCongressonParticleTechnologyInternational Mineral P
14、rocessing Congress 欧洲粉碎协会（欧洲粉碎协会（欧洲粉碎协会（欧洲粉碎协会（EuropeanSymposiumonEuropeanSymposiumonComminutionComminution），国际粉碎研究学会），国际粉碎研究学会），国际粉碎研究学会），国际粉碎研究学会（InternationalInternationalComminutionComminutionResearchResearchAssociationAssociation），国际矿物工程粉碎协会），国际矿物工程粉碎协会），国际矿物工程粉碎协会），国际矿物工程粉碎协会（MineralsEngineeri
15、ngInternationalMineralsEngineeringInternationalComminutionComminutionAssociationAssociation）。）。）。）。 8/1/202419日本是比较重视粉体技术研究开发的国家日本是比较重视粉体技术研究开发的国家日本是比较重视粉体技术研究开发的国家日本是比较重视粉体技术研究开发的国家 19561956年年年年 日本粉体工学研究会，日本粉体工学研究会，日本粉体工学研究会，日本粉体工学研究会， 粉体工学会志；粉体工学会志；粉体工学会志；粉体工学会志；他们于他们于他们于他们于19711971年成立日本粉体工业技术协会年成
16、立日本粉体工业技术协会年成立日本粉体工业技术协会年成立日本粉体工业技术协会（APPIEAPPIE）的标准委员会，并在）的标准委员会，并在）的标准委员会，并在）的标准委员会，并在19821982年开始与日本年开始与日本年开始与日本年开始与日本工业技术标准调查会和工业技术标准调查会和工业技术标准调查会和工业技术标准调查会和ISOISO国际标准化组织联合，国际标准化组织联合，国际标准化组织联合，国际标准化组织联合，制定系列粉体技术标准。制定系列粉体技术标准。制定系列粉体技术标准。制定系列粉体技术标准。 亚洲颗粒技术粉碎工作组（亚洲颗粒技术粉碎工作组（亚洲颗粒技术粉碎工作组（亚洲颗粒技术粉碎工作组（C
17、omminutionComminutionGroupGroupofAsianParticleTechnologyofAsianParticleTechnology）等国际研究组织。）等国际研究组织。）等国际研究组织。）等国际研究组织。 8/1/202420著名研究机构与学者著名研究机构与学者国外国外美国国家标准实验室美国国家标准实验室宾夕法尼亚大学宾夕法尼亚大学-Austin教授教授 犹他大学犹他大学-King教授教授 德国德国Karlsruhe大学的大学的Rumpf教授从固体物理学角教授从固体物理学角度建立的粉碎规律度建立的粉碎规律 德国德国Clausthal大学大学-Schnert、 Le
18、schonski教教授授 日本东京大学日本东京大学井上教授井上教授 名古屋大学名古屋大学-神保元二教授神保元二教授 东北大学-Yashima教授 8/1/202421著名研究机构与学者著名研究机构与学者国外国外美国杜邦公司美国杜邦公司美国美国P.M.公司公司 美国斯特蒂文特公司 美国More-Bouse-Cowles公司-化工原料及非金属矿的细磨及分散。 日本细川（日本细川（Hosokawa）集团）集团-德国德国Alpine公司公司 德国Bosch集团德国耐驰（德国耐驰（Netzsch）公司）公司 法国乌尔特拉芬公司 8/1/202422著名研究机构与学者著名研究机构与学者科研院所科研院所中国
19、科学院过程所中国科学院过程所清华清华浙大浙大武汉理工大学武汉理工大学同济大学同济大学北京科技大学北京科技大学华南理工华南理工8/1/2024232.UFP-超微粉体概述超微粉体概述ultrafineparticles,superfineparticles,veryfineparticles超细粉；超微粉；超微细粉超细粉；超微粉；超微细粉没有统一的称谓没有统一的称谓8/1/202424微颗粒微颗粒:fineparticles超细粉体在广义上指从微米级到纳米级的一超细粉体在广义上指从微米级到纳米级的一系列超细材料，狭义上是指从微米级（系列超细材料，狭义上是指从微米级（100纳米的一系列超细材纳米的
20、一系列超细材料；料；粗颗粒粗颗粒:coarseparticle亚微颗粒亚微颗粒:submicronparticles0.1-1m，颗粒原子数，颗粒原子数1091010个个超微颗粒超微颗粒:ultrafineParticelsnanometer毫微米毫微米10-98/1/202425微米级微米级（1m）；）；亚微米级（亚微米级（0.1-1m）；）；纳米级纳米级（1m时，表面原子份数时，表面原子份数1m的颗粒不是的颗粒不是UFP（定为上限）（定为上限）下限与上限一样没有明确范围；下限与上限一样没有明确范围；8/1/202438返回首页返回首页进下一章进下一章放松一下放松一下若颗粒中只含有几个原子，
21、是原子团，这种微若颗粒中只含有几个原子，是原子团，这种微粒是物理学家或化学家研究的对象，不属粒是物理学家或化学家研究的对象，不属UFP范范围，（工业上无应用）；围，（工业上无应用）；若若d50%,无熔点无熔点,分不清气体、液体或固体；分不清气体、液体或固体；若若d5nm,原子数达数千以上，有稳定熔点；原子数达数千以上，有稳定熔点；所以，有学者定所以，有学者定1m5nm为为UFP（纳米亚微米）（纳米亚微米）也有学者定也有学者定UFP粒径：大约粒径：大约1100nm范围范围8/1/202439超细粉碎技术因高技术和新材料产业超细粉碎技术因高技术和新材料产业的进步而快速发展，全球自的进步而快速发展，
22、全球自80年代以年代以来各种超细粉体原料的需求量呈快速来各种超细粉体原料的需求量呈快速增长。据统计，中国在增长。据统计，中国在90年代之前，年代之前，非金属矿物超细粉产品还不足非金属矿物超细粉产品还不足5万万t，96年已超过年已超过30万万t，2000年超过年超过50万万t；2005年国内需求量将达年国内需求量将达140万万t；预；预计计2010年将达年将达200万万t；超微粉体超微粉体工业应用工业应用8/1/202440对超细粉的需求量将越多，越高，越广；对超细粉的需求量将越多，越高，越广；e.g.SiC超细粉：超细粉：5m1.9万；万；3.5m34万；万；1m1015万；万；SiC原料：原
23、料：5400元；元；深加工与普通加工的差价，可见超细深加工与普通加工的差价，可见超细粉碎和粉碎和UFP制备的意义；制备的意义；目标：高纯，超细，目标：高纯，超细，多功能和复合化；多功能和复合化；8/1/202441在制备高性能陶瓷材料时，非金属矿物原料越纯，粒度越细，材料的致密性越好，强度和韧性越高，一般要求原料的粒度小于1m甚至0.1m。如果原料细度能到纳米级，则制备的陶瓷称为纳米陶瓷，性能更加优异，是当今陶瓷材料发展的最高境界。非金属矿加工技术是高技术陶瓷发展的关键，只有发展了非金属矿物的高纯加工技术和超细粉体加工制备技术才有高技术陶瓷材料的迅速发展。8/1/202442显像管是现代微电子
24、、信息产业的重要器件，显像管用的氧化铝微粉平均粒径一般为1.5m5.5m；黑底石墨乳粒径要小于1m，管颈石墨乳小于4m，销钉及锥体石墨乳小于10m；现代重要信息材料的复印粉及打印墨粉要求粒径达到微米级；光纤及压电材料的石英粉要求纯度达到99.999%，杂质含量要求为PPM级；现代高档纸张用的高岭土和碳酸钙涂料要求白度达到90以上，细度-2m含量超过90%。没有非金属矿超细深加工技术的发展，现代微电子及信息技术的发展将被延缓。 8/1/202443复合材料的重要组分之一是无机非金属矿物填料，包括碳酸钙、高岭土、滑石、云母、硅灰石、石英、氧化铝、氧化镁、碳黑等，这些非金属矿物填料的粒度越细、与有机
25、基质的相容性越好，复合材料的综合性能就越好。解决超细问题要依靠超细粉碎技术，而解决与有机基质的相容性问题要依赖一种新的非金属矿深加工技术矿物表面改性。其它如特种涂料、高级磨料、催化剂载体、吸附材料等要求非金属矿物原料纯度高、粒度细或粒度分布较窄且表面活性好。因此，必须要对其进行提纯、粉碎和分级以及表面改性等加工 。8/1/202444造纸工业从普通纸张到涂布纸及其它高级纸品的技术进步需要高纯、超细和高白度的高岭土、碳酸钙、滑石等非金属矿物涂料。冶金工业的技术进步要求高品位及一定粒度级配的高铝非金属矿物(硅线石、红柱石、兰晶石等)耐火材料及镁(菱镁矿)碳(石墨)复合材料。高分子材料的技术进步需要
26、相容性好而且具有增强作用的非金属矿物填料，如碳酸钙、高岭土、滑石、硅灰石、云母、石英、长石等。8/1/202445还有非金属矿超细深加工技术还与当代环保技术及其产业相关，许多非金属矿物，凹凸棒石、海泡石、沸石、硅藻土、膨润土、蛋白土、珍珠岩等经过除杂提纯、活化处理、粉碎分级、成型造粒等加工后具有较高的活性和选择性吸附的特性，可广泛应用于处理废水、废气、废物及有毒物质，成为独特的绿色环保产品。由于现代产业发展到对非金属矿物原(材)料要求的提高是非金属超细深加工利用技术发展的原动力；同时，现代科技革命和产业发展提高了非金属矿超细深加工业自动控制、质量检测的技术水平。 8/1/20244690年代以
27、后，超微粉体技术在我国得到了长足的发展，许多专门从事超微粉体技术研究、开发的单位迅速成立。一个粉体技术热点正在许多行业和研究领域形成。 我国与超微粉体工程相关联的企业也已超过一千家，全国各类超细粉碎和分级设备生产厂家已发展到近100家。 8/1/202447根据非金属矿行业协会的报告介绍，到2010年超细非矿产品的年产量为713万吨。需要超细粉碎设备980套、超细分级机1300台、改性设备485套、后处理设备550套。按照现在的价格计算，设备总价值约32亿元人民币。除了在非金属矿加工领域自身应用外，粉体加工技术和设备在化工、建材等行业也有较大的市场，其需求量与非金属矿行业相当。8/1/2024
28、48我国超微粉体技术总状况是：能够生产出目前在工业上应用的超细设备；已能生产工业化平均粒径1m左右的超细粉体；耐磨材料大大提高。但是，我国粉体技术装备与国外仍有一定距离；没有形成集团力量；粉体企业从业人员急需提高职业素质和技术水平；应大力开发市场，具体表现为：1起步晚起点低；起步晚起点低；2数量多、规格少、小厂多、大厂少；数量多、规格少、小厂多、大厂少；3设计力量不足、研发不够；设计力量不足、研发不够；4缺乏国家标准，也没有统一的行业标准；缺乏国家标准，也没有统一的行业标准；5加工能力不强、设备陈旧，在国际市场上缺乏竞加工能力不强、设备陈旧，在国际市场上缺乏竞争力；争力；6部分厂家由于种种原因
29、只生产一种机型和部分厂家由于种种原因只生产一种机型和12个个品种；品种；7设备的自动调控水平落后，技术集成度较低，设设备的自动调控水平落后，技术集成度较低，设备配套性能较差；备配套性能较差；8发展地域不平衡。发展地域不平衡。 8/1/202449发展与展望发展与展望提高现有设备的性能，增加品种型号，逐渐实现系列化和标准化。国内现有超细粉碎设备的机型不少，但是还普遍存在同一机型品种规格少、系列化程度不高等不足，给用户选型带来不便。此外，研制生产单机处理能力较大的大型超细粉碎设备，形成处理能力从小到大，能满足不同性质物料和不同细度、不同产品质量要求的设备系列。8/1/202450实施非金属矿粉体深加工与表面改性为一体的设备一体化工艺创新技术，在现有成果的基础上进行具体条件优化，实现大工业化生产应用，优先开发绿色环保功能材料和尖端国防材料。8/1/202451研究效率高，能耗低，粉体比大，适用于范围广的非金属矿粉体深加工工程技术及装备，重点研究干、湿法超细粉磨及分级、集料、脱水、干燥、煅烧、工艺技术。加大粉体深加工工程技术与其它相关学科交叉性研究的力度。拓宽非金属矿粉体深加工技术及装备的应用范围。8/1/202452提高机械化与自动化技术水平，重点研制和应用在线快速监测技术和仪器。8/1/202453食品和中草药超细化技术。灵芝茶叶粉五指毛桃8/1/202454
