第十二节　聚合物粉碎、分级技术

随着现代科学技术进步，高技术、新能源等战略性新兴产业的发展，材料趋向于高性能化，超细粉体以其粒度小、比表面积大、表面活性高等特征，受到极大关注和应用。气流粉碎和分级设备是干法制备超细粉体最有效设备之一，其中流化床气流粉碎已广泛应用于化工、农药、医药、涂料、矿业、电子、轻工、食品等行业。

一、超细气流粉碎

超细气流粉碎是通过气流粉碎机来实现，在各行业中最广泛应用的为流化床气流粉碎机。气流粉碎常用空气作工质来实现粉碎，特殊情况用蒸汽、惰性气体作工质来实现粉碎。

（一）流化床气流粉碎机特性

气流粉碎系统的粉碎主机采用新一代高性能流化床气流粉碎机，如图2-10所示。该机主要由料仓、加料阀、粉碎区、粉碎喷嘴、分级轮、出料口等组成，气体经过超音速喷嘴高速喷射，物料粒子受到高速超音速气流加速，并在气流交汇处相互碰撞而粉碎，如图2-11所示。该机采用先进粉碎室腔体和超音速喷嘴结构，选择合理的粉碎压力和喷嘴距离，通过电子秤精确控制料位，使粉碎机内部流场达到最佳化，增加了颗粒互相撞击概率，提高气流能量转换为颗粒碰撞的有效能，粉碎效率大幅提高。

流化床气流粉碎机粉碎同时实现分级，并组成粉碎与分级内闭回路粉碎，即把已粉碎满足粒径要求的细颗粒分离出来，不满足粒径要求的粗粒子返回粉碎区继续粉碎，分级起到了关键作用。提高分级性能不仅满足粉体细度，还能够降低过粉碎，提高能量利用率和分级效率。

颗粒分级主要依据不同粒径颗粒在旋转的离心力场中受到力的差异来进行分级。分级粒径的大小与分级轮结构、分级轮转速、气体流量、颗粒浓度等有关。从分级机理可知，分级粒径与分级轮转速成反比，转速越高，分级粒径越小；分级粒径与气体流量成正比，气体流量增加，分级粒径随着增大；当颗粒浓度较大时，颗粒之间有较大干扰，分级精度会降低。

新一代高性能流化床气流粉碎内置水平涡轮分级轮，可减小垂直方向上速度梯度影响，同时避免局部涡流产生。分级轮结构采用特殊几何形状的叶片，能产生均匀物料流，显著降低分级压降；分级轮运转采用高转速、高线速度，能确保微米或亚微米级颗粒所要求的离心力场；分级轮的传动轴承为双支点结构，与单支点悬臂轴相比，运转更平稳，临界转速可提高60%以上；分级轮的新型密封装置，可防止粗颗粒混入细粉中，阻挡物料颗粒进入轴承中。该机常用空气作工质粉碎，已对易燃、易爆、易氧化物料采用惰性气体作工质来实现粉碎。

流化床气流粉机主要特点如下。

①适用于干式超细粉碎，粉碎范围广，粒径可在d₉₇=2～15μm范围选用。

②颗粒在粉碎室互相撞击而粉碎，产品纯度高。

③内装超细分级机，分级精度高，产品粒径小，粒度分布窄。

④粉碎温度低，特别适用于低融点、热敏性物料超细粉碎。

⑤机运行在闭环中进行，噪声低，实现自动化操作。

（二）气流粉碎技术的应用

利用气流粉碎技术，可对化工、医药、矿业、电子、轻工等行业中许多物料进行干式超细粉碎，粒径和粒度分布等指标能符合要求，提高了产品性能，满足了高性能的应用。

（1）制备超微粉

气流粉碎已应用于化工产品中超细粉碎。如流化床气流粉碎钛酸钾d₉₇<2.6μm，粉碎天然氧化铁红，粒径0～2μm占88.5%，2～5μm占7.5%，可替代合成氧化铁红，成本下降。粉碎碳酸氢钾d₅₀<5μm，其灭火效果与粒经d₅₀为40μm的碳酸氢钾相比提高了10倍。气流粉碎农药以粉剂为主，如粉碎克霉唑d₉₇为9.89μm，多菌灵d₉₇为13.19μm等，分散性能好，药效高，适用于低水量微孔喷雾。

气流粉碎制备SiC片晶，其方法是采用较大的空气压力粉碎SiC，粉碎细度d₅₀为15.62μm，产品中能保持SiC片晶形状。超细SiC片晶应用于复合陶瓷、合金高分子材料等，提高了材料力学性能。

惰性气体保护超细气流粉碎系统适用于易燃、易爆、易氧化的物料的超细粉碎，如在氮气保护下粉碎锌粉d₉₇<1.5～8μm，粉碎钴粉d₅₀<3.52μm等，采用常规超细粉碎技术和设备很难保证安全生产。

深冷超微气流粉碎系统是采用物料在深冷状态下的超微气流粉碎，适用于常温下无法粉碎的各种物料，如聚醚醚酮、聚酰亚胺粉碎到亚微米。

从上述部分应用例可见，气流粉碎技术应用范围广，特别适用于低融点、热敏性物料，高附加值和特种要求的材料的超细粉碎，该技术对现代工业的发展起了巨大的作用。

（2）物料颗粒解聚

气流粉碎还应用物料颗粒解聚。一些物料采用化学反应方法制备的微米、亚微米初级粒子，在干燥等工序加工中，会产生硬团聚颗粒，严重影响产品使用。气流粉碎可对硬团聚颗粒解聚，如对硬团聚的碳化硼物料进行气流粉碎，处理后的物料只存在软团聚现象，再经过超声后物料基本上分散，有效解决了颗粒在干燥过程中硬团聚问题。

（3）颗粒粉碎、改性与混合一体化

目前用机械方法对颗粒改性与混合的技术已广泛应用于化工、矿业、电子、轻工等行业。用气流粉碎方法对颗粒改性和混合的技术，可克服机械方法存在的热量、颗粒结团及效率低的缺陷。气流粉碎有将颗粒改性、包覆和混合相结合的技术特点。

①气流粉碎方法的颗粒分散性能好，凝集颗粒少。

②气流粉碎包覆后，包覆率为99.0%以上，气流粉碎混合的物料，混合均匀度好，粒径分布均匀，无结块、结团现。

③物料在常温条件下同时实现粉碎、表面改性、包覆和混合，特别适用于低融点、热敏性物料。

气流粉碎产生的颗粒表面活性高，能及时与改性剂产生化学键合或物理吸附，使超细粉碎和表面改性在一体化装置中完成。不仅防止粉体在超细粉碎后团聚，还可实现粉体表面改性。如用于滑石粉的异丙基三酞酸酯，用于方解石的三乙醇胺，用于高岭土的聚丙烯酸酯，均有良好的改性效果，提高了超细粉碎效率。

气流粉碎技术和机械力化学原理相结合，可对常规包覆方法不能达到的疏水性涂料、颜料树脂和磁性粉体等实现气流粉碎与包覆相结合。气流粉碎的包覆方法是边粉碎、边包覆，当已包覆好的被包覆物达到要求粒径后，进行分离收集。如气流粉碎对酞菁染料进行粉碎包覆处理，包覆后可得含有率为99.5%微细酞菁染料包覆粉末。又如经过气流粉碎复合助剂处理的硅灰石微粉已在PE、PVC、PP制品中应用。

气流粉碎与混合相结合。气流粉碎可同时粉碎、混合两种以上物料，在常温下实现边粉碎，边混合。产品粉碎细度可调节，混合均匀度可控制，可避免机械混合中结块、结团混合不均匀现象，防止机械混合中产生的热量对物料的影响。如工程塑料聚苯醚、聚醚醚酮、聚四氟乙烯等与石墨、二硫化钼、碳纤维等填料混合，经过气流粉碎处理后的粒度分布合理，物料混合均匀，制品质量良好。

气流粉碎、混合、表面改性的技术能更好满足工业化生产需要。

二、超细气流分级

分级是粉碎工艺必不可少的组成部分，分级根据使用的流体可分为干法和湿法二种。干法细粒子分级主要有惯性力分级和离心力分级，离心力分级又可分为自由涡流分级和强制涡流分级。自由涡流分级不能保持稳定的涡流，难以超细分级。目前在超细分级设备使用中，涡轮式超细粉体分级机应用最为广泛。

（一）涡轮式超细分级机特性

涡轮式超细分级机是带有二次进风及分级轮强制型的分级机，它由分级轮、整流粗分级器、进料器等组成。物料进入分级机，外界一次风对物料风筛作用，使粒子充分分散，并上升至分级区，由于分级轮高速旋转，使粒子既受到离心力，又受到气流黏性作用产生的向心力，当粒子受到离心力大于向心力，即分级径以上的粗粒子沿容器壁面旋下，外界空气通过导流部整流成均一旋流，将混杂或黏附粗粉中的细粒分离，分离后的粗粒从下部粗粒口排出，分级径以下细粒随气流进旋风分离器、除尘器收集，净化后气体从引风机排出。

涡轮式超细分级机主要特点如下。

①分级精度高，粒度分布窄，粒径可在d₉₇=1.5～15μm范围选用。

②分级轮传动采用双支点结构，确保高速状态下传动的稳定性。

③当分级磨损强的物料时，分级轮可采用耐磨材料，防止磨损。

④分级机可与各种粉磨设备串联使用，组成闭路粉碎，提高效率。

⑤采用气封技术，防止轴承中混入颗粒或油污染物料，保证轴承寿命和安全运转。

⑥全机运行在闭环中进行，噪声低，实现自动化操作。

（二）超细气流分级技术的应用

涡轮式超细分级机已在化工、农药、医药、农药、涂料、矿业、电子、轻工、食品等行业中应用。分级后细粉粒径达微米或亚微米，还适用于高浓度、精密分级场合，提高了产品性能，满足了高性能的应用。

分级机能对金属或合金材料进行超细分级。物料要求分级粒径越小，分级机的分级轮转速越高。如分级轮转速在8000r/min条件下，分级后铍粉d₅₀ 为4.56μm、氢化钽粉d₅₀为1.40μm、镍锆合金粉d₅₀为2.52μm；当分级轮转速在10000r/min条件下，分级后铍粉d₅₀ 为3.21μm。

分级机能对粒度要求分布窄的物料进行超细分级。如分级磨料W40，要求60～65μm最大颗粒仅为1个，20μm以下的细粒含量小于5%，20～40μm以上含量大于80%。为了达到上述要求，可采用二台分级机联合控制，其中一台控制大颗粒和粗粉含量，另一台控制细粉含量。分级电子复印粉，能使粒径控制在5～15μm最佳范围。

超细粉碎机如球磨机、干式搅拌磨、震动磨、高速冲击粉碎机等，制备细粉与分级机配合方式有两种：一是在粉碎机内部的粉碎与分级机组成为内闭回路粉碎；二是与粉碎机外部的分级机组成为外闭回路粉碎。一般球磨机、干式搅拌磨、震动磨常与分级机组成外闭回路粉碎，高速冲击粉碎机常与分级机组成内闭回路粉碎。

单分级轮分级机可与超细粉碎机相配套组成闭回路粉碎。如单分级轮（ϕ400mm）分级机配合球磨机研磨混合物料（ZrO₂ 64.5%、SiO₂ 32.5%），细粉粒径d₅₀=1.2μm，细粉产量150kg/h；单分级轮（ϕ315mm）配合搅拌磨研磨碳酸钙，细粉粒径d₉₇=4.5μm，细粉产量140kg/h。由于分级粒径要求小，单分级轮处理能力低，难以与大型粉碎机配套，影响了细粉产量。为了提高产量，分级机可采用多分级轮。

多轮分级机可与超细粉碎机相配套组成外闭回路粉碎。如卧式多轮分级机（ϕ418×6）与磨机组成外闭回路粉碎，研磨超细重质碳酸钙的处理量为8000kg/h，d₉₇<10μm的重质碳酸钙产量4800kg/h。

从上述部分应用例可见，超细分级技术应用范围广，特别适用于与超细粉碎机相配套组成闭回路粉碎，超细分级技术对现代工业的发展起了巨大的作用。