粉体学基础与其应用课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,粉体学基础及其应用,杨哲龙,一、粉体学基础,1. 概述,定义：,粉体是无数个固体粒子集合体的总称，粒子是粉体运动的最,小单元，粉体学(micromeritics)是研究粉体的基本性质及其,应用的科学。,通常所说的“粉”、“粒”都属于粉体的范畴。,粉,粒径 100,m的粒子，较难产生粒子间的相互作用而,流动性较好,一级粒子和二级粒子：,组成粉体的单元粒子也可能是,单体,的结晶，也可能是多,个,单体粒子聚结,在一起的粒子，为了区别单体粒子和聚结粒,子，提出了,一级粒子和二级粒子,概念：,一级粒子(primary particle) ,单体粒子,二级粒子(second particle) ,聚结粒子,在粉体的处理过程中由范德华力、静电力等弱结合力的,作用而生成的不规则絮凝物(random floc)和由粘合剂的,强结合力的作用聚集在一起的聚结物(agglomerate)都属,于二级粒子。,粉体的分类：,超细粉：,在广义上指从微米级到纳米级的一系列超细材料；狭义上,指粒径在 5m 100nm 的一系列超细材料。,纳米粉：,粒径 100,n,m的粉体。,粉体加工行业已基本形成的共识：,纳米材料：粒径 ,6，常见粒子,68。,粒子的比表面积(specific surface area)：,比表面积的表示方法：,粒子的比表面积的表示方法根据计算基准不同，可分为,体,积比表面积S,V,和,质量比表面积S,W,：,S,w,=6/,D,vs,S,v,=6/D,vs,为粒子真密度，D,vs,粒子的平均粒径。,可见，,S,D。,比表面积是表征粉体中粒子粗细的一种量,度，也是表示固体吸附能力的重要参数。,（4）粉体的密度与空隙率：,粉体的密度：,粉体的密度指单位体积粉体的质量。,由于粉体的颗粒内部和颗粒间存在空隙，粉体的体积具有不同的含义。,粉体的密度根据所指的体积不同分三种：,真密度,（true density),：,t,= w/,V,t,V,t,真体积，即不包含颗粒内外空隙的体积,。,颗粒密度,（granule density),：,g,= w/,V,g,V,g,包括开口及封闭细孔（颗粒本身内部的空隙）在内的颗粒体,积。,松密度,（bulk density),：,b,= w/,V,b,V,b,粉体所占容器的体积V，既包括颗粒内部及颗粒间空隙的体,积，亦称堆密度。,振实密度,（tap density）,：,粉体装填在特定容器后，对容器进行振动，从而破坏粉,体中的空隙，使粉体处于紧密填充状态后的密度。通过测量,振实密度可以知道粉体的流动性和空隙率等数据。,一般：,t, ,g,td, ,b,空隙率,（porosity）,：,粉体层中空隙所占有的比率。,粒子内孔隙率：,内,=V,g,-V,t,/V,g,=1-,g,/,t,粒子间孔隙率：,间,=V-V,g,/V = 1-,b,/,g,总孔隙率：,总,= V -V,t,/V =1-,b,/,t,BT1000型粉体特性测试仪,一、性能指标 二、测试对象,1、测试范围：40nm600m； 1、纳米、亚微米材料(石墨、SiO,2,等)；,2、进样方式：循环泵式； 2、各种非金属粉(滑石粉、石墨等)；,3、重复性误差：小于1%； 3、各种金属粉(铝粉、锌粉、铜粉等)；,4、测试时间：一般2-3min/次； 4、其它粉体。,5、自动对中系统精度：1微米。,BT-2003激光粒度分布仪,（5）粉体的流动性（flowability）：,粉体的流动性与粒子的形状、大小、表面状态、密度、空,隙率等有关。粉体的流动包括重力流动、压缩流动、流态化,流动等多种形式。,休止角,(angle of repose)：,静止状态的粉体堆积 体自由表面与水平面之间的夹角为休,止角，用,表示，,越小流动性越好。,tan,=h/r,h 粉体堆积体最高高度；,r 圆盘容器半径。,可见，休止角,是检验粉体流动性的尺度。,常用的测定方,法有注入法、排出法、倾斜角法等，测定方法不同所得数据,有所不同，重现性差。,粘性粉体或粒径小于100200,m的粉体粒子间相互作用,力较大而流动性差，因而所测休止角较大。,休止角示意图,a理想状态；b实际状态,a b,h,r,压缩度,( compressibility)：,C=(,f,- ,0,)/ ,f,100%,式中， C为压缩度；,0,为最松密度；,f,为最紧密度。,压缩度是粉体流动性的重要指标，其大小反映粉体的凝聚,性、松软状态。C 20%,流动性好，C，流动性。,粉体的压缩过程中伴随着体积的缩小，固体颗粒被压缩成,紧密的结合体，然而其体积的变化较复杂。,粒子经过滑动或重新排列，即弹性变形塑性变形或破,坏。,（6）粉体的粘附性和凝聚性(adhesion & cohesion)：,粘附性,是指不同分子间产生的引力，如粉体粒子与器壁间,的粘附。 粘着性是指同分子间产生的引力，如粉体粒子之间,发生粘附而形成聚集体(random floc)。,产生粘附性和凝聚性的原因：,在干燥状态下主要是由于范德华力与静电力发挥作,用；,在润湿状态下主要由于粒子表面存在的水分形成液体,桥或由于水分的蒸发而产生固体桥发挥作用。,作用力类型,能量与距离的关系,荷电基团静电作用,离子-偶极子,离子-诱导偶极子,偶极子-偶极子,偶极子-诱导偶极子,诱导偶极子-诱导偶极子,非键排斥,1/r,1/r,2,1/r,4,1/r,6,（范德华作用力中的静电力）1/r,6,（范德华作用力中的诱导力）1/r,6,（范德华作用力中的色散力）1/r,9,1/r,6,分子间作用能与距离的关系,3. 干粉配料控制系统,干混料,(Drymix) 又称干拌料，是一种将干粉状的配料,均匀混合以备所需工程或建材上可直接使用的中间原料的过,程。干粉料在建筑、化工及药业等领域得到广泛应用，具有,广阔的应用前景。,在化学电源中，生产高质量的,干混料,对于保证电池质量,起着重要作用。例如，锂离子电池正负极料是由活性物质和,碳黑组成的，为了使它们分布均匀，须按配方要求准确配,料，且先在干态下混合均匀，然后加入粘结剂再进行搅拌。,若干混料不均，势必会影响电极的性能。,配料监控程序流程图,（1）干混料影响因素：,微观力学方法：,目前对粉末体塑性变形的研究，是将粉末体视为“可压缩的连续体”。这,种方法在金属粉末体塑性加工工艺(粉末锻造、粉末摆碾、粉末挤压、粉末,轧制等)中得到较广泛地应用。连续体力学从宏观的角度分析粉末体金属变,形和致密过程，对求解变形力及分析流动规律十分有效。,但是，严格地讲，粉末体是非连续介质。虽然目前用连续体理论在描述,粉末体宏观行为方面取得了较好的效果，但连续体方法不能涉及颗粒特性。,粉末体的微观特性：,为了研究粉末的微观特性，需要把粉末体视为颗粒的集合体，并建立单,个颗粒行为与粉末集合体宏观行为的联系。,(a) 几何因素：,颗粒的大小及分布,目前锂离子电池电极采用的正负极活性物质（粉体）,尺寸多在0.几几十,m之间。经干混料（在卧式搅拌机中和玛瑙球一起搅,拌）粉体粒径可能略微变小，且其形状可能趋于球形，因此，粉体聚合的可,能性并不大。,(b) 物理因素：,颗粒间作用力,粉体力学性质十分复杂。在松散状态下，粉末颗粒之间相,互离散，粉体在轻微外力作用下就能够流动，不保持一种固定形状。但粉体,力学性质与普通流体又有本质区别。例如，根据帕斯卡定律，受到压力载荷,的静态流体对各方向的压强是均一的，但粉体并非如此。,(c) 颗粒表面因素：,摩擦和粘性,对于粘附性的粉状粒子，减少粒子间的接触点数，可以,降低粒子间的附着力、凝聚力。球形粒子的光滑表面，能减少接触点,数，减少摩擦力。,除了上述因素外，环境因素也很重要。尤其对于纳米级或亚纳米级粉,体，环境因素的影响必须要考虑。,红外光谱、吸附研究表明：高的比表面积和高的表面能使纳米粉强烈,吸附外来物质(如水份)反应生成新的表面结构(如R-O-H结构)，增加,了粉体间相互作用力和表面活性。纳米粉表面间化学反应(如-OH基间,聚合反应)或生成新的连接物是纳米粉及浆体产生团聚、影响分散性的,直接原因。,适当干燥有利于减弱粒子间的作用力。,纳米粉体团聚原因的另一种描述：,高的比表面积和表面能是纳米粉体团聚的强大动力，但常温下洁净粉,体表面的本身结构调整不会导致纳米粉体团聚，只会导致其分散；外来物,质(如空气、水等)在表面发生化学吸附与化学反应后，改变了表面结构和,相互作用性质，在粉体表面生成具有羟基等新结构，导致粉体间相互吸引,(如氢键间的作用力)与化学反应(如一OH基间聚合反应)等行为，是大多,数纳米粉体团聚的真正原因。, 实例分析：,当MCMB粒度的大幅减小，粉末颗粒间会形成大量如下图（a）所示的,团聚和架桥现象。,MCMB超细粉末的SEM照片,由沥青或芳香稠环化合物经液相炭化而得到的中间相炭微球（MCMB）,本身具有粘结性，可以直接模压或等静压成型后，自烧结成为高密度各向同,性炭材料（HDIC。这种细结构高密高强炭材料以其良好的机械性能、导,热、导电及各向同性等特性而应用于锂离子电池负极材料。,MCMB 超细粉末的制备，从颗粒的成核和生长、湿凝胶的,溶剂抽提和干燥等整个过程中，均有产生团聚的可能，其中除,由颗粒间的范德华力和库仑力所致的软团聚外，附着在MCMB,超细颗粒表面大量的可溶或部分可溶的小分子，在沥青母体内,生长或者溶剂抽提、干燥过程中易相互溶结形成强度较高的,硬,团聚体,。,另外，部分小分子或活性基团在强溶剂（如甲苯、吡啶等）作用下游离于颗粒表面，溶胶在干燥过程中，毛细管吸附力使颗粒相互靠近，随溶剂的挥发，颗粒固化胶结在一起。一般,软团聚,在成型压力作用下即可得到消除。,硬团聚在成型过程中难于破除，且颈部相连的团聚颗粒在材料烧结时出现烧结体密度不均现象，造成烧结孔洞或不均匀收缩裂纹，严重影响着烧结显微结构的发展。对粉末的长时间研磨破坏了团聚体中的化学键和局部溶结部分，减少了材料的烧结缺陷，从而提高了材料性能。,卧式干粉搅拌机,搅拌原理：,目前采用卧式搅拌机进行干混料，搅拌机筒体内装载了一定数量的玛,瑙球和物料。当筒体回转时，研磨体受离心力的作用，贴在筒体内壁与,筒体一起回转上升，当研磨体被带到一定高度时，由于受重力作用而被,抛出，并以一定的速度降落，在此过程中，筒体内的物料受到研磨体的,冲击和研磨的双重作用而被粉碎和研磨。,搅拌机的,转速对研磨效率影响很大,，实践证明，若旋转速,度超过某一值时，起不到粉碎的作用，这一速度称,临界速,度,。临界速度主要和滚筒直径相关，直径大时，其值略小，,小吨位搅拌机临界速度略大。,a b c,在不同搅拌速度下干粉料及玛瑙球运动状态,a转速过快；b转速正常；c转速太慢,可见，在a状态下物料几乎得不到研磨，b状态研磨效果最好，c为次之。当物料颗粒较大时，颗粒在重力作用下相互碰撞也能使物料细化。,长度单位：,1pm=10,-12,m,1nm=10,-9,m,1,m=10,-6,m,1mm=10,-3,m,1=10nm=10,-10,m,1foot=0.3048m,1inch=2.54cm,分子半径/nm,甲醛 (气相) 0.292,CH,2,ClLi (气相) 0.310,H,2,O 0.12,