第十二節(jié)　聚合物粉碎、分級(jí)技術(shù)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，高技術(shù)、新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，材料趨向于高性能化，超細(xì)粉體以其粒度小、比表面積大、表面活性高等特征，受到極大關(guān)注和應(yīng)用。氣流粉碎和分級(jí)設(shè)備是干法制備超細(xì)粉體最有效設(shè)備之一，其中流化床氣流粉碎已廣泛應(yīng)用于化工、農(nóng)藥、醫(yī)藥、涂料、礦業(yè)、電子、輕工、食品等行業(yè)。

一、超細(xì)氣流粉碎

超細(xì)氣流粉碎是通過(guò)氣流粉碎機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在各行業(yè)中最廣泛應(yīng)用的為流化床氣流粉碎機(jī)。氣流粉碎常用空氣作工質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)粉碎，特殊情況用蒸汽、惰性氣體作工質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)粉碎。

（一）流化床氣流粉碎機(jī)特性

氣流粉碎系統(tǒng)的粉碎主機(jī)采用新一代高性能流化床氣流粉碎機(jī)，如圖2-10所示。該機(jī)主要由料倉(cāng)、加料閥、粉碎區(qū)、粉碎噴嘴、分級(jí)輪、出料口等組成，氣體經(jīng)過(guò)超音速噴嘴高速噴射，物料粒子受到高速超音速氣流加速，并在氣流交匯處相互碰撞而粉碎，如圖2-11所示。該機(jī)采用先進(jìn)粉碎室腔體和超音速噴嘴結(jié)構(gòu)，選擇合理的粉碎壓力和噴嘴距離，通過(guò)電子秤精確控制料位，使粉碎機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)達(dá)到最佳化，增加了顆粒互相撞擊概率，提高氣流能量轉(zhuǎn)換為顆粒碰撞的有效能，粉碎效率大幅提高。

流化床氣流粉碎機(jī)粉碎同時(shí)實(shí)現(xiàn)分級(jí)，并組成粉碎與分級(jí)內(nèi)閉回路粉碎，即把已粉碎滿足粒徑要求的細(xì)顆粒分離出來(lái)，不滿足粒徑要求的粗粒子返回粉碎區(qū)繼續(xù)粉碎，分級(jí)起到了關(guān)鍵作用。提高分級(jí)性能不僅滿足粉體細(xì)度，還能夠降低過(guò)粉碎，提高能量利用率和分級(jí)效率。

顆粒分級(jí)主要依據(jù)不同粒徑顆粒在旋轉(zhuǎn)的離心力場(chǎng)中受到力的差異來(lái)進(jìn)行分級(jí)。分級(jí)粒徑的大小與分級(jí)輪結(jié)構(gòu)、分級(jí)輪轉(zhuǎn)速、氣體流量、顆粒濃度等有關(guān)。從分級(jí)機(jī)理可知，分級(jí)粒徑與分級(jí)輪轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速越高，分級(jí)粒徑越小；分級(jí)粒徑與氣體流量成正比，氣體流量增加，分級(jí)粒徑隨著增大；當(dāng)顆粒濃度較大時(shí)，顆粒之間有較大干擾，分級(jí)精度會(huì)降低。

新一代高性能流化床氣流粉碎內(nèi)置水平渦輪分級(jí)輪，可減小垂直方向上速度梯度影響，同時(shí)避免局部渦流產(chǎn)生。分級(jí)輪結(jié)構(gòu)采用特殊幾何形狀的葉片，能產(chǎn)生均勻物料流，顯著降低分級(jí)壓降；分級(jí)輪運(yùn)轉(zhuǎn)采用高轉(zhuǎn)速、高線速度，能確保微米或亞微米級(jí)顆粒所要求的離心力場(chǎng)；分級(jí)輪的傳動(dòng)軸承為雙支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，與單支點(diǎn)懸臂軸相比，運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，臨界轉(zhuǎn)速可提高60%以上；分級(jí)輪的新型密封裝置，可防止粗顆粒混入細(xì)粉中，阻擋物料顆粒進(jìn)入軸承中。該機(jī)常用空氣作工質(zhì)粉碎，已對(duì)易燃、易爆、易氧化物料采用惰性氣體作工質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)粉碎。

流化床氣流粉機(jī)主要特點(diǎn)如下。

①適用于干式超細(xì)粉碎，粉碎范圍廣，粒徑可在d₉₇=2～15μm范圍選用。

②顆粒在粉碎室互相撞擊而粉碎，產(chǎn)品純度高。

③內(nèi)裝超細(xì)分級(jí)機(jī)，分級(jí)精度高，產(chǎn)品粒徑小，粒度分布窄。

④粉碎溫度低，特別適用于低融點(diǎn)、熱敏性物料超細(xì)粉碎。

⑤機(jī)運(yùn)行在閉環(huán)中進(jìn)行，噪聲低，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

（二）氣流粉碎技術(shù)的應(yīng)用

利用氣流粉碎技術(shù)，可對(duì)化工、醫(yī)藥、礦業(yè)、電子、輕工等行業(yè)中許多物料進(jìn)行干式超細(xì)粉碎，粒徑和粒度分布等指標(biāo)能符合要求，提高了產(chǎn)品性能，滿足了高性能的應(yīng)用。

（1）制備超微粉

氣流粉碎已應(yīng)用于化工產(chǎn)品中超細(xì)粉碎。如流化床氣流粉碎鈦酸鉀d₉₇<2.6μm，粉碎天然氧化鐵紅，粒徑0～2μm占88.5%，2～5μm占7.5%，可替代合成氧化鐵紅，成本下降。粉碎碳酸氫鉀d₅₀<5μm，其滅火效果與粒經(jīng)d₅₀為40μm的碳酸氫鉀相比提高了10倍。氣流粉碎農(nóng)藥以粉劑為主，如粉碎克霉唑d₉₇為9.89μm，多菌靈d₉₇為13.19μm等，分散性能好，藥效高，適用于低水量微孔噴霧。

氣流粉碎制備SiC片晶，其方法是采用較大的空氣壓力粉碎SiC，粉碎細(xì)度d₅₀為15.62μm，產(chǎn)品中能保持SiC片晶形狀。超細(xì)SiC片晶應(yīng)用于復(fù)合陶瓷、合金高分子材料等，提高了材料力學(xué)性能。

惰性氣體保護(hù)超細(xì)氣流粉碎系統(tǒng)適用于易燃、易爆、易氧化的物料的超細(xì)粉碎，如在氮?dú)獗Ｗo(hù)下粉碎鋅粉d₉₇<1.5～8μm，粉碎鈷粉d₅₀<3.52μm等，采用常規(guī)超細(xì)粉碎技術(shù)和設(shè)備很難保證安全生產(chǎn)。

深冷超微氣流粉碎系統(tǒng)是采用物料在深冷狀態(tài)下的超微氣流粉碎，適用于常溫下無(wú)法粉碎的各種物料，如聚醚醚酮、聚酰亞胺粉碎到亞微米。

從上述部分應(yīng)用例可見(jiàn)，氣流粉碎技術(shù)應(yīng)用范圍廣，特別適用于低融點(diǎn)、熱敏性物料，高附加值和特種要求的材料的超細(xì)粉碎，該技術(shù)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展起了巨大的作用。

（2）物料顆粒解聚

氣流粉碎還應(yīng)用物料顆粒解聚。一些物料采用化學(xué)反應(yīng)方法制備的微米、亞微米初級(jí)粒子，在干燥等工序加工中，會(huì)產(chǎn)生硬團(tuán)聚顆粒，嚴(yán)重影響產(chǎn)品使用。氣流粉碎可對(duì)硬團(tuán)聚顆粒解聚，如對(duì)硬團(tuán)聚的碳化硼物料進(jìn)行氣流粉碎，處理后的物料只存在軟團(tuán)聚現(xiàn)象，再經(jīng)過(guò)超聲后物料基本上分散，有效解決了顆粒在干燥過(guò)程中硬團(tuán)聚問(wèn)題。

（3）顆粒粉碎、改性與混合一體化

目前用機(jī)械方法對(duì)顆粒改性與混合的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于化工、礦業(yè)、電子、輕工等行業(yè)。用氣流粉碎方法對(duì)顆粒改性和混合的技術(shù)，可克服機(jī)械方法存在的熱量、顆粒結(jié)團(tuán)及效率低的缺陷。氣流粉碎有將顆粒改性、包覆和混合相結(jié)合的技術(shù)特點(diǎn)。

①氣流粉碎方法的顆粒分散性能好，凝集顆粒少。

②氣流粉碎包覆后，包覆率為99.0%以上，氣流粉碎混合的物料，混合均勻度好，粒徑分布均勻，無(wú)結(jié)塊、結(jié)團(tuán)現(xiàn)。

③物料在常溫條件下同時(shí)實(shí)現(xiàn)粉碎、表面改性、包覆和混合，特別適用于低融點(diǎn)、熱敏性物料。

氣流粉碎產(chǎn)生的顆粒表面活性高，能及時(shí)與改性劑產(chǎn)生化學(xué)鍵合或物理吸附，使超細(xì)粉碎和表面改性在一體化裝置中完成。不僅防止粉體在超細(xì)粉碎后團(tuán)聚，還可實(shí)現(xiàn)粉體表面改性。如用于滑石粉的異丙基三酞酸酯，用于方解石的三乙醇胺，用于高嶺土的聚丙烯酸酯，均有良好的改性效果，提高了超細(xì)粉碎效率。

氣流粉碎技術(shù)和機(jī)械力化學(xué)原理相結(jié)合，可對(duì)常規(guī)包覆方法不能達(dá)到的疏水性涂料、顏料樹(shù)脂和磁性粉體等實(shí)現(xiàn)氣流粉碎與包覆相結(jié)合。氣流粉碎的包覆方法是邊粉碎、邊包覆，當(dāng)已包覆好的被包覆物達(dá)到要求粒徑后，進(jìn)行分離收集。如氣流粉碎對(duì)酞菁染料進(jìn)行粉碎包覆處理，包覆后可得含有率為99.5%微細(xì)酞菁染料包覆粉末。又如經(jīng)過(guò)氣流粉碎復(fù)合助劑處理的硅灰石微粉已在PE、PVC、PP制品中應(yīng)用。

氣流粉碎與混合相結(jié)合。氣流粉碎可同時(shí)粉碎、混合兩種以上物料，在常溫下實(shí)現(xiàn)邊粉碎，邊混合。產(chǎn)品粉碎細(xì)度可調(diào)節(jié)，混合均勻度可控制，可避免機(jī)械混合中結(jié)塊、結(jié)團(tuán)混合不均勻現(xiàn)象，防止機(jī)械混合中產(chǎn)生的熱量對(duì)物料的影響。如工程塑料聚苯醚、聚醚醚酮、聚四氟乙烯等與石墨、二硫化鉬、碳纖維等填料混合，經(jīng)過(guò)氣流粉碎處理后的粒度分布合理，物料混合均勻，制品質(zhì)量良好。

氣流粉碎、混合、表面改性的技術(shù)能更好滿足工業(yè)化生產(chǎn)需要。

二、超細(xì)氣流分級(jí)

分級(jí)是粉碎工藝必不可少的組成部分，分級(jí)根據(jù)使用的流體可分為干法和濕法二種。干法細(xì)粒子分級(jí)主要有慣性力分級(jí)和離心力分級(jí)，離心力分級(jí)又可分為自由渦流分級(jí)和強(qiáng)制渦流分級(jí)。自由渦流分級(jí)不能保持穩(wěn)定的渦流，難以超細(xì)分級(jí)。目前在超細(xì)分級(jí)設(shè)備使用中，渦輪式超細(xì)粉體分級(jí)機(jī)應(yīng)用最為廣泛。

（一）渦輪式超細(xì)分級(jí)機(jī)特性

渦輪式超細(xì)分級(jí)機(jī)是帶有二次進(jìn)風(fēng)及分級(jí)輪強(qiáng)制型的分級(jí)機(jī)，它由分級(jí)輪、整流粗分級(jí)器、進(jìn)料器等組成。物料進(jìn)入分級(jí)機(jī)，外界一次風(fēng)對(duì)物料風(fēng)篩作用，使粒子充分分散，并上升至分級(jí)區(qū)，由于分級(jí)輪高速旋轉(zhuǎn)，使粒子既受到離心力，又受到氣流黏性作用產(chǎn)生的向心力，當(dāng)粒子受到離心力大于向心力，即分級(jí)徑以上的粗粒子沿容器壁面旋下，外界空氣通過(guò)導(dǎo)流部整流成均一旋流，將混雜或黏附粗粉中的細(xì)粒分離，分離后的粗粒從下部粗粒口排出，分級(jí)徑以下細(xì)粒隨氣流進(jìn)旋風(fēng)分離器、除塵器收集，凈化后氣體從引風(fēng)機(jī)排出。

渦輪式超細(xì)分級(jí)機(jī)主要特點(diǎn)如下。

①分級(jí)精度高，粒度分布窄，粒徑可在d₉₇=1.5～15μm范圍選用。

②分級(jí)輪傳動(dòng)采用雙支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，確保高速狀態(tài)下傳動(dòng)的穩(wěn)定性。

③當(dāng)分級(jí)磨損強(qiáng)的物料時(shí)，分級(jí)輪可采用耐磨材料，防止磨損。

④分級(jí)機(jī)可與各種粉磨設(shè)備串聯(lián)使用，組成閉路粉碎，提高效率。

⑤采用氣封技術(shù)，防止軸承中混入顆粒或油污染物料，保證軸承壽命和安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

⑥全機(jī)運(yùn)行在閉環(huán)中進(jìn)行，噪聲低，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

（二）超細(xì)氣流分級(jí)技術(shù)的應(yīng)用

渦輪式超細(xì)分級(jí)機(jī)已在化工、農(nóng)藥、醫(yī)藥、農(nóng)藥、涂料、礦業(yè)、電子、輕工、食品等行業(yè)中應(yīng)用。分級(jí)后細(xì)粉粒徑達(dá)微米或亞微米，還適用于高濃度、精密分級(jí)場(chǎng)合，提高了產(chǎn)品性能，滿足了高性能的應(yīng)用。

分級(jí)機(jī)能對(duì)金屬或合金材料進(jìn)行超細(xì)分級(jí)。物料要求分級(jí)粒徑越小，分級(jí)機(jī)的分級(jí)輪轉(zhuǎn)速越高。如分級(jí)輪轉(zhuǎn)速在8000r/min條件下，分級(jí)后鈹粉d₅₀ 為4.56μm、氫化鉭粉d₅₀為1.40μm、鎳鋯合金粉d₅₀為2.52μm；當(dāng)分級(jí)輪轉(zhuǎn)速在10000r/min條件下，分級(jí)后鈹粉d₅₀ 為3.21μm。

分級(jí)機(jī)能對(duì)粒度要求分布窄的物料進(jìn)行超細(xì)分級(jí)。如分級(jí)磨料W40，要求60～65μm最大顆粒僅為1個(gè)，20μm以下的細(xì)粒含量小于5%，20～40μm以上含量大于80%。為了達(dá)到上述要求，可采用二臺(tái)分級(jí)機(jī)聯(lián)合控制，其中一臺(tái)控制大顆粒和粗粉含量，另一臺(tái)控制細(xì)粉含量。分級(jí)電子復(fù)印粉，能使粒徑控制在5～15μm最佳范圍。

超細(xì)粉碎機(jī)如球磨機(jī)、干式攪拌磨、震動(dòng)磨、高速?zèng)_擊粉碎機(jī)等，制備細(xì)粉與分級(jí)機(jī)配合方式有兩種：一是在粉碎機(jī)內(nèi)部的粉碎與分級(jí)機(jī)組成為內(nèi)閉回路粉碎；二是與粉碎機(jī)外部的分級(jí)機(jī)組成為外閉回路粉碎。一般球磨機(jī)、干式攪拌磨、震動(dòng)磨常與分級(jí)機(jī)組成外閉回路粉碎，高速?zèng)_擊粉碎機(jī)常與分級(jí)機(jī)組成內(nèi)閉回路粉碎。

單分級(jí)輪分級(jí)機(jī)可與超細(xì)粉碎機(jī)相配套組成閉回路粉碎。如單分級(jí)輪（?400mm）分級(jí)機(jī)配合球磨機(jī)研磨混合物料（ZrO₂ 64.5%、SiO₂ 32.5%），細(xì)粉粒徑d₅₀=1.2μm，細(xì)粉產(chǎn)量150kg/h；單分級(jí)輪（?315mm）配合攪拌磨研磨碳酸鈣，細(xì)粉粒徑d₉₇=4.5μm，細(xì)粉產(chǎn)量140kg/h。由于分級(jí)粒徑要求小，單分級(jí)輪處理能力低，難以與大型粉碎機(jī)配套，影響了細(xì)粉產(chǎn)量。為了提高產(chǎn)量，分級(jí)機(jī)可采用多分級(jí)輪。

多輪分級(jí)機(jī)可與超細(xì)粉碎機(jī)相配套組成外閉回路粉碎。如臥式多輪分級(jí)機(jī)（?418×6）與磨機(jī)組成外閉回路粉碎，研磨超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣的處理量為8000kg/h，d₉₇<10μm的重質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)量4800kg/h。

從上述部分應(yīng)用例可見(jiàn)，超細(xì)分級(jí)技術(shù)應(yīng)用范圍廣，特別適用于與超細(xì)粉碎機(jī)相配套組成閉回路粉碎，超細(xì)分級(jí)技術(shù)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展起了巨大的作用。