濕法制備納米級負離子粉體的研究及應(yīng)用

濕法制備納米級負離子粉體研究及應(yīng)用

李書,葛曉陵,蔣士忠

（華東理工大學(xué),上海37）

摘要:具體敘述了超細濕法加工制備納米級功效負離子原理和方法,且介紹了納米級功效負離子性質(zhì)、功效及其在工程中應(yīng)用。

關(guān)鍵字:納米;電氣石;制備

0引言

納米顆粒制備是納米技術(shù)研究中關(guān)鍵組成部分。現(xiàn)在,納米顆粒制備大多采取化學(xué)法,經(jīng)過控制化學(xué)反應(yīng)生成速率來達成控制顆粒生核、長大及其粒徑分布。對單一元素納米顆粒制備也有經(jīng)過高溫加熱使之從回轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?、氣?然后控制快速冷卻、霧化等方法制備納米顆粒。這些工作,為納米材料從試驗室走向市場打下了基礎(chǔ)。然而,中國真正走向市場納米材料現(xiàn)在仍不多。除了材料制備工藝本身不完善外,還受材料性能、儲存、使用中分散,以及它市場價位等很多原因影響。另外,在工業(yè)放大時還存在著放大難、成本高、產(chǎn)率低、副產(chǎn)品多,甚至還有污染等。在超細材料制備工藝中,除了化學(xué)法外,還有物理法,即高速粉碎方法。它是經(jīng)過高速粉碎使礦物由大變小,直至超細。這種方法,價格低廉、工藝簡單、無污染、易工業(yè)放大,是現(xiàn)在中國非金屬礦產(chǎn)資源加工關(guān)鍵方法,也是中國多年來發(fā)展最為快速超細加工工藝。然而,這種加工方法僅能將顆粒粉碎到微米級或亞微米級,達成納米級是世界超細加工領(lǐng)域一直追求目標(biāo)。本文選擇被超細加工對象為電氣石。電氣石是中國云南、新疆等地域特有寶石級礦藏。它有一個特殊功效,即熱電效應(yīng)。在接收周圍能量時,它能夠和周圍環(huán)境能量交換,電離周圍空氣,激發(fā)空氣中電子放出,從而產(chǎn)生負離子,即空氣負離子?？諝庳撾x子被喻為空氣維生素,或生長素,是人類提神醒腦保健空氣,負離子對人體健康含有極大作用。1納米級負離子制備采取濕法超細加工方法。濕法超細加工與干法超細加工相比,含有加工成本低、工藝參數(shù)易控制等優(yōu)點。濕法分級可取得粒度很細產(chǎn)品,而且產(chǎn)品粒度分布范圍可控制比較窄。關(guān)鍵利用離心力分級原理,采取離心機作為關(guān)鍵分級設(shè)備,經(jīng)過控制合適工藝條件及分離粒徑實現(xiàn)固體懸浮液中固體顆粒分級。該機結(jié)構(gòu)原理如圖1所表示。離心機內(nèi)單個顆粒運動軌跡受力如圖2所表示。

分級時,含固體顆粒懸浮液從離心機頂部進料口沿中心管向下運動,進入下腔,在旋轉(zhuǎn)離心力作用下,均勻地以穩(wěn)定速度進入以角速度為W高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓內(nèi),當(dāng)大顆粒進入轉(zhuǎn)鼓時,大顆粒因質(zhì)量大,離心力大,較易克服和擺脫拽滯阻力,且受布朗運動影響小,可在較短時間內(nèi)取得較大離心加速度而率先達轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁邊緣沉降。而小顆粒即使在離心力場中徑向運動能力也等到了加強,但加速慢,受滯阻力和布朗運動影響較大,抵達轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁邊緣所需時間長,這么當(dāng)同一物質(zhì)顆粒群沿軸向運動到轉(zhuǎn)鼓上出料口時,粒子在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)運動最終止果是:抵達轉(zhuǎn)鼓壁邊緣大顆粒因附壁而發(fā)生沉降,在分離腔內(nèi)液體中其它顆粒,則按粒徑大小從轉(zhuǎn)鼓到軸心依次分布。

為研究方便,提出以下假設(shè)進行簡化:超細粒子是單一球體;在離心力場中,顆粒在軌跡上任意一點對應(yīng)半徑R處力與離心力處于改變過程,并忽略慣性力影響;液體軸向運動為活塞流,并忽略端效應(yīng),同時顆粒與液體間沒有滑動,流體與轉(zhuǎn)鼓間無相對運動;則離心分級機內(nèi)粒子P受到離心力Fc為

上式表明,對于一定顆粒及一定介質(zhì),其受到離心力隨旋轉(zhuǎn)半徑R和旋轉(zhuǎn)角速度W增大而增大,W增大效果最顯著。在離心沉降過程中,同一顆粒所受到介質(zhì)阻力F9為:式中:m—粒子質(zhì)量（kg）;

R—粒子徑向位置（m）;

d—顆粒直徑(m);

Ps—粒子濃度(kg/m3);

Po—介質(zhì)密度(kg/m3);

W—分級腔旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s);

K—阻力系數(shù);

Vx—顆粒徑向運動速度(m/s);

當(dāng)介質(zhì)阻力與離心達抵達成平衡時,顆粒在離心力場沉降速度最大值且為恒速Vox,Vor可由下式導(dǎo)出:Fc=Fp

固體顆粒離心沉降速度Vox可用下式表示:

層流區(qū)

式中:Vox—顆粒離心沉降速度(m/s);

Vt—顆粒重力沉降速度(m/s);

Fx—分離因數(shù);

R—顆粒相對于轉(zhuǎn)軸中心徑向位置（m）;

W—轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s);

D—顆粒直徑(m);

N—液體介質(zhì)粘度(Pas);

g—重力加速度(m/s2);

Ps—固相密度(kg/m3);

Po—流體密度;

離心分級機內(nèi)流場可為過渡區(qū)和湍流區(qū),在這兩個區(qū)內(nèi)顆粒沉降速度各不相同。

因為在液體中運動細微顆粒含有很低沉降雷諾數(shù),假如進料浮流中固相質(zhì)量分數(shù)很低,顆粒之間作用能夠忽略,則可認為顆粒處于層流區(qū)。據(jù)此假設(shè),可推出顆粒從分級轉(zhuǎn)鼓進料口沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁時間t為:

式中:R2——轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)半徑（m）;

R1—轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液體進料處旋轉(zhuǎn)半徑（自由液面半徑）（m）;

顆粒在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留時間t0為

To=V/Q

式中:Q—液體流量(m3/h);

V—轉(zhuǎn)鼓有效容積（m3）;

要使粒徑小于d粒子能從轉(zhuǎn)鼓流出,就必需使直徑為d顆粒從進料點經(jīng)分離區(qū)抵達轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁而沉降時間,恰好等于顆粒在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留時間,即因為通常分級時采取水為液體介質(zhì),且分級機是固定,所以上述式中V、R2、R1、n、P0都是定值。對上式進行處理可得出顆粒直徑為:從上述諸式均可得出:對于確定物料,能夠經(jīng)過改變分級機轉(zhuǎn)速和流量來控制流出顆粒直徑,從而實現(xiàn)超細物料分級。

離心分級機用于超細粉體分級時,必需以水作為介質(zhì),而且必需將超細粉體均勻地分散于水中制成懸浮液才可進行分級處理。其分級時工藝步驟見圖3。本文經(jīng)過濕法加工中各個操作參數(shù)改變以及助磨劑選擇,將320目負離子電氣石顆粒加工到2um以下,其中會產(chǎn)生一定量0。1um以下納米超細顆粒。先將電氣石與磨球按一定百分比放入球磨機磨一定時間后,取出將其置入離心機中,采取高速離心固/液分級技術(shù),將1um以下固/液混合物分級出來,然后再經(jīng)過二次分級,將0.1um以下納米顆粒分級出來。采取特種固/液分離技術(shù),將經(jīng)過二次分級后納米超細顆粒和液相分離。因為很細,懸浮在液相中極難再分離,再加上經(jīng)過二次分級后,固/液含量比很小,通常壓濾、離心方法極難得到高質(zhì)量分數(shù)納米顆粒濾餅。采取特殊分離方法,可將固/液比提升到0.4~0.7以上,然后直接進行干燥處理。

用LS激光粒度分析儀測出電氣石樣品平均粒度約為0.117um左右,納米級顆粒（≤100nm）何種百分比約占總何種30%左右。

2負離子工程應(yīng)用

納米負離子粉體含有很大市場前景:它能夠添加在化纖中,織成纖織物,做成人體衣飾,在人體能量作用下,不停地產(chǎn)生負離子。對促進人體皮膚新陳代謝、提神醒腦、消除人體異味,含有一定作用。它是中國功效性保健衣飾發(fā)展方向。比如將負離子超細粉體制成母粒在紡絲時加到纖維中即可制成多種規(guī)格負離子功效纖維,與棉紡制成襪子、內(nèi)衣等,紡成無紡布制成保健保暖內(nèi)衣,作為枕頭、被子、床墊填充料,交織后制成室內(nèi)裝飾材料等。比如因為負離子纖維含有清除異味、良好遠紅外輻射及保暖率,當(dāng)制成七孔負離子纖維時纖維蓬松度大大提升,在羽絨制品上能夠替換部分羽絨。將七孔負離子制成一定厚度無紡布作為羽絨制品內(nèi)襯,外部填充羽絨,覆上內(nèi)外面料即制成了含有七孔負離子高蓬松羽絨制品。另外,它還能夠做成多種纖維裝飾面料,對保持室內(nèi)清新,消除室內(nèi)煙、油味含有一定作用。能夠添加到油漆、涂料、木板粘劑中,對促進甲醛釋放,保持室內(nèi)裝修后空氣清新,不停釋放負離子等含有一定作用。所以,經(jīng)過添加納米負離子處理油漆、涂料等新產(chǎn)品是中國室內(nèi)裝修業(yè)發(fā)慌綠色環(huán)境保護產(chǎn)品關(guān)鍵方向之一。

若將該工藝推廣到非金屬礦行業(yè),尤其是納米高嶺土、納米碳酸鈣等行業(yè),就可在非金屬礦深加工領(lǐng)域翻開新一頁。直接經(jīng)過粉碎分級工藝來達成納米級技術(shù)現(xiàn)在在世界上還未見報道。3結(jié)語納米級功效負離子制備技術(shù)難點是在二次超細分級技術(shù)中,將超細加工負離子電氣石粉體分級到0.1um以下。以及在固/液分離技術(shù)中,將經(jīng)過分級后含納米顆粒低質(zhì)量分數(shù)固/液提升到0.4~0.7之間,進行烘干（或噴霧干燥）。影響離心分離機分級效果原