納米分散研磨技術(shù)進展與砂磨機
筆者從事德國公司研磨機銷售業(yè)務(wù)數(shù)年，主要應(yīng)用領(lǐng)域可以1998年為區(qū)分點。1998年以前，企業(yè)界所面臨的問題為如何提高分散研磨效率以降低勞力成本，如染料、涂料、油墨等產(chǎn)業(yè)。而1998年以后，產(chǎn)業(yè)技術(shù)瓶頸則為如何得到微細化（納米化）材料及如何將納米化材料分散到最終產(chǎn)品里，如光電業(yè)TFTLCD、Je tink、電子、磁性材料、醫(yī)藥、生物制藥和細胞破碎、氧化物、食品等行業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提升研磨效率求快或是高科技產(chǎn)業(yè)納米化材料求細，污染控制都同樣重要，所以細、快、更少污染已成為新一代分散研磨技術(shù)的重要課題之一。
本文將針對納米級分散研磨技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展、納米級分散研磨技術(shù)的原理、納米級研磨機的構(gòu)造、應(yīng)用實例及注意事項、結(jié)論及建議等主題進行探討。
1 納米級分散研磨技術(shù)的現(xiàn)狀
1.1由下而上（Bottom up）和由大變?。═opdown）
隨著3C產(chǎn)品輕、薄、短小化及納米材料的應(yīng)用，如何將超微細研磨技術(shù)應(yīng)用于納米材料的制作及分散研磨已成為當(dāng)前的重要課題。納米粉體制備一般有兩種方法，一種為化學(xué)方法，是由下而上的制造方法（bottom up），如化學(xué)沉淀法、溶膠凝膠法（sol-gel）等，另一種方法為物理方法，即將粉體粒子由大變?。╰op down）如機械球磨法等。到目前為止，化學(xué)法或Bottom up的納米粉體制備方法大部分在學(xué)術(shù)界被研究且已有豐碩成果，但其制做成本有時相當(dāng)高，不易放大（scaleup），且得到的粒徑分布較大，所以到目前為止，企業(yè)界一般以物理機械研磨（top down）法為主。Top down方法較易得到粒徑分布較小的納米粉體，同時生產(chǎn)成本相對較低，容易將研發(fā)實驗機臺所得參數(shù)放大（scale up）到量產(chǎn)機臺。盡管Top down方法目前只能研磨到30nm但已能基本滿足需求。
1.2干法研磨（Dry grinding）和濕法研磨（Wetgrinding）
對納米粉體制造廠而言，當(dāng)然希望以干法研磨得到最終納米粉體，但這種方法在研磨過程中，粉體溫度將因大量能量導(dǎo)入而急速上升，且當(dāng)顆粒微細化后，其防爆等問題均是研磨機難以掌控的，所以一般而言，干法研磨的粒徑只能研磨到8μm。8μm以下粒徑就必須使用濕法研磨。所謂濕法研磨即先將納米粉體與適當(dāng)溶劑混和，調(diào)制成適當(dāng)材料。為了避免研磨過程中發(fā)生粉體團聚現(xiàn)象，需加入適當(dāng)分散劑或助劑當(dāng)助磨劑。若希望最后納米級成品為粉體而非漿料，則需先將漿料中的大顆粒粒子過濾，再將過濾后的漿料干燥，得到納米粉體材料，所以，以濕法研磨得到納米粉體時，選擇適當(dāng)?shù)娜軇?、助劑、過濾方法及干燥方法是成功得到納米級粉體的關(guān)鍵技術(shù)。
1.3研磨（Grinding）和分散（Dispersing）
研磨即是利用剪切力（shear force）、摩擦力或沖力（impactforce）將粉體由大顆粒研磨成小顆粒。分散是指經(jīng)添加溶劑、助劑、分散劑、樹脂等包覆，納米顆粒完全被分離（separating）、潤濕（wetting），分布（distributing）均勻且穩(wěn)定（stabilization）。納米粉體分散或研磨時，在粉體尺度由大變小的過程中，凡得瓦爾力及布朗運動現(xiàn)象逐漸明顯且重要，所以，選擇適當(dāng)助劑以避免粉體再次團聚，以及選擇適當(dāng)?shù)难心C來控制研磨漿料溫度以降低或避免布朗運動影響是濕法研磨和分散得到納米級粉體的關(guān)鍵技術(shù)。
2 納米級粉體的分散研磨原理
機械的濕法研磨是得到納米級粉體最有效且最合乎經(jīng)濟效益方法。本文將針對濕法研磨及分散方法的原理及制程進行探討。為了方便說明，本文將以圖1-Puhler研磨機為例。圖1研磨機為一密閉系統(tǒng)，在其研磨室內(nèi)放了適當(dāng)?shù)哪デ颍ㄑ心ソ橘|(zhì)）。
本文將針對納米級分散研磨技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展、納米級分散研磨技術(shù)的原理、納米級研磨機的構(gòu)造、應(yīng)用實例及注意事項、結(jié)論及建議等主題進行探討。
1 納米級分散研磨技術(shù)的現(xiàn)狀
1.1由下而上（Bottom up）和由大變?。═opdown）
隨著3C產(chǎn)品輕、薄、短小化及納米材料的應(yīng)用，如何將超微細研磨技術(shù)應(yīng)用于納米材料的制作及分散研磨已成為當(dāng)前的重要課題。納米粉體制備一般有兩種方法，一種為化學(xué)方法，是由下而上的制造方法（bottom up），如化學(xué)沉淀法、溶膠凝膠法（sol-gel）等，另一種方法為物理方法，即將粉體粒子由大變?。╰op down）如機械球磨法等。到目前為止，化學(xué)法或Bottom up的納米粉體制備方法大部分在學(xué)術(shù)界被研究且已有豐碩成果，但其制做成本有時相當(dāng)高，不易放大（scaleup），且得到的粒徑分布較大，所以到目前為止，企業(yè)界一般以物理機械研磨（top down）法為主。Top down方法較易得到粒徑分布較小的納米粉體，同時生產(chǎn)成本相對較低，容易將研發(fā)實驗機臺所得參數(shù)放大（scale up）到量產(chǎn)機臺。盡管Top down方法目前只能研磨到30nm但已能基本滿足需求。
1.2干法研磨（Dry grinding）和濕法研磨（Wetgrinding）
對納米粉體制造廠而言，當(dāng)然希望以干法研磨得到最終納米粉體，但這種方法在研磨過程中，粉體溫度將因大量能量導(dǎo)入而急速上升，且當(dāng)顆粒微細化后，其防爆等問題均是研磨機難以掌控的，所以一般而言，干法研磨的粒徑只能研磨到8μm。8μm以下粒徑就必須使用濕法研磨。所謂濕法研磨即先將納米粉體與適當(dāng)溶劑混和，調(diào)制成適當(dāng)材料。為了避免研磨過程中發(fā)生粉體團聚現(xiàn)象，需加入適當(dāng)分散劑或助劑當(dāng)助磨劑。若希望最后納米級成品為粉體而非漿料，則需先將漿料中的大顆粒粒子過濾，再將過濾后的漿料干燥，得到納米粉體材料，所以，以濕法研磨得到納米粉體時，選擇適當(dāng)?shù)娜軇?、助劑、過濾方法及干燥方法是成功得到納米級粉體的關(guān)鍵技術(shù)。
1.3研磨（Grinding）和分散（Dispersing）
研磨即是利用剪切力（shear force）、摩擦力或沖力（impactforce）將粉體由大顆粒研磨成小顆粒。分散是指經(jīng)添加溶劑、助劑、分散劑、樹脂等包覆，納米顆粒完全被分離（separating）、潤濕（wetting），分布（distributing）均勻且穩(wěn)定（stabilization）。納米粉體分散或研磨時，在粉體尺度由大變小的過程中，凡得瓦爾力及布朗運動現(xiàn)象逐漸明顯且重要，所以，選擇適當(dāng)助劑以避免粉體再次團聚，以及選擇適當(dāng)?shù)难心C來控制研磨漿料溫度以降低或避免布朗運動影響是濕法研磨和分散得到納米級粉體的關(guān)鍵技術(shù)。
2 納米級粉體的分散研磨原理
機械的濕法研磨是得到納米級粉體最有效且最合乎經(jīng)濟效益方法。本文將針對濕法研磨及分散方法的原理及制程進行探討。為了方便說明，本文將以圖1-Puhler研磨機為例。圖1研磨機為一密閉系統(tǒng)，在其研磨室內(nèi)放了適當(dāng)?shù)哪デ颍ㄑ心ソ橘|(zhì)）。
如圖2所示，馬達利用皮帶傳動攪拌轉(zhuǎn)子，通過磨球運動產(chǎn)生剪切力（shear force），漿料因Pump推力與磨球形成剪切力，當(dāng)其粒徑小于研磨室內(nèi)分離磨球與漿料的動態(tài)大流量分離器濾網(wǎng)間隙大小時，漿料被離心力擠出料桶槽，達到分散研磨效果。
上述過程為研磨1個pass，若粒徑未達到要求則可以重復(fù)進行循環(huán)研磨，直到粒徑達到要求。其流程如圖3所示。
2.1 漿料前處理及預(yù)攪拌（Pre-mixing）
本系統(tǒng)能否成功地達到研磨或分散目的，主要取決于研磨介質(zhì)（即磨球）大小及材質(zhì)選擇。以筆者曾規(guī)劃及實際試車數(shù)百廠經(jīng)驗，所選擇磨球需為0.1-0.4mm或以下。為了不讓磨球在研磨過程中受漿料X軸方向移動的推力影響堵在濾網(wǎng)附近，導(dǎo)致研磨室因壓力太高而停機，其攪拌轉(zhuǎn)子線速度需超過10m/sec以上，而漿料粘度控制調(diào)整到100cps以下，以便磨球運動不受漿料粘度影響，并且，漿料的固體成分（solid content by weight）需控制在35％以下，以防止研磨過程中因粉體比表面積增加，導(dǎo)致粘度上升而無法繼續(xù)使用小磨球。同時，為了避免0.3-0.4mm磨球從動態(tài)分離器流出研磨室或塞在濾網(wǎng)上，濾網(wǎng)間隙需調(diào)整到0.1mm。其關(guān)系如表1所示。
為了達到表1要求，前處理或預(yù)攪拌時應(yīng)依下列法則準(zhǔn)備研磨前漿料整理：
1）確定研磨后的粒徑要求（target fineness）。
2）漿料粘度（viscosity）、固含量、研磨前細度（start fineness）、最終要求細度（Target）滿足表1要求。
3）預(yù)攪拌或前處理系統(tǒng)攪拌轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速需為高線速度（High speed）設(shè)計。建議切線速度為2-13m/sec，以避免漿料沉淀或不均勻。
2.2 研磨機部份
為了快速達到研磨粒徑要求并使研磨機可以正常運轉(zhuǎn)，其控制法則及參數(shù)如下：
1）磨球選擇將決定能否成功研磨并達到粒徑要求，所以，應(yīng)依照所需粒徑要求選擇適當(dāng)?shù)哪デ?，例如，若需達到納米級要求且避免磨球損耗，需選擇釔穩(wěn)氧化鋯磨球，莫氏硬度越大越好，磨球表面需為真圓，沒有孔隙，磨球大小為0.05-0.4mm。
2）依據(jù)磨球大小及漿料黏滯性調(diào)整適當(dāng)?shù)臄嚢柁D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。一般納米級研磨，轉(zhuǎn)速需達12.5m/sec以上。
3）控制研磨漿料溫度。一般納米級漿料的研磨溫度需控制在45℃以下。影響漿料溫度的主要參數(shù)為控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、磨球充填率、研磨桶熱交換面積大小、冷卻水條件及流量。
4）依據(jù)磨球大小選擇適當(dāng)動態(tài)分離系統(tǒng)間隙。一般間隙為磨球直徑的1/2-1/3。
5）調(diào)整Pump轉(zhuǎn)速。在研磨桶可以承受壓力的范圍內(nèi)，Pump轉(zhuǎn)速越大越好，如此，可以在同一研磨時間內(nèi)增加漿料經(jīng)過研磨機研磨的次數(shù)，以得到較窄的粒徑分布。
6）記錄研磨機所需消耗的電能kW值。
7）取樣時，記錄每個樣品的比能量（specific energy）值，并在分析該粒徑大小后，將比能量與平均粒徑關(guān)系做出，以利將來Scale up用。
8）達到所需比能量值時即可停機。此時，原則上已達到所需研磨分散平均粒徑要求了。
本系統(tǒng)能否成功地達到研磨或分散目的，主要取決于研磨介質(zhì)（即磨球）大小及材質(zhì)選擇。以筆者曾規(guī)劃及實際試車數(shù)百廠經(jīng)驗，所選擇磨球需為0.1-0.4mm或以下。為了不讓磨球在研磨過程中受漿料X軸方向移動的推力影響堵在濾網(wǎng)附近，導(dǎo)致研磨室因壓力太高而停機，其攪拌轉(zhuǎn)子線速度需超過10m/sec以上，而漿料粘度控制調(diào)整到100cps以下，以便磨球運動不受漿料粘度影響，并且，漿料的固體成分（solid content by weight）需控制在35％以下，以防止研磨過程中因粉體比表面積增加，導(dǎo)致粘度上升而無法繼續(xù)使用小磨球。同時，為了避免0.3-0.4mm磨球從動態(tài)分離器流出研磨室或塞在濾網(wǎng)上，濾網(wǎng)間隙需調(diào)整到0.1mm。其關(guān)系如表1所示。
為了達到表1要求，前處理或預(yù)攪拌時應(yīng)依下列法則準(zhǔn)備研磨前漿料整理：
1）確定研磨后的粒徑要求（target fineness）。
2）漿料粘度（viscosity）、固含量、研磨前細度（start fineness）、最終要求細度（Target）滿足表1要求。
3）預(yù)攪拌或前處理系統(tǒng)攪拌轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速需為高線速度（High speed）設(shè)計。建議切線速度為2-13m/sec，以避免漿料沉淀或不均勻。
2.2 研磨機部份
為了快速達到研磨粒徑要求并使研磨機可以正常運轉(zhuǎn)，其控制法則及參數(shù)如下：
1）磨球選擇將決定能否成功研磨并達到粒徑要求，所以，應(yīng)依照所需粒徑要求選擇適當(dāng)?shù)哪デ?，例如，若需達到納米級要求且避免磨球損耗，需選擇釔穩(wěn)氧化鋯磨球，莫氏硬度越大越好，磨球表面需為真圓，沒有孔隙，磨球大小為0.05-0.4mm。
2）依據(jù)磨球大小及漿料黏滯性調(diào)整適當(dāng)?shù)臄嚢柁D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。一般納米級研磨，轉(zhuǎn)速需達12.5m/sec以上。
3）控制研磨漿料溫度。一般納米級漿料的研磨溫度需控制在45℃以下。影響漿料溫度的主要參數(shù)為控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、磨球充填率、研磨桶熱交換面積大小、冷卻水條件及流量。
4）依據(jù)磨球大小選擇適當(dāng)動態(tài)分離系統(tǒng)間隙。一般間隙為磨球直徑的1/2-1/3。
5）調(diào)整Pump轉(zhuǎn)速。在研磨桶可以承受壓力的范圍內(nèi)，Pump轉(zhuǎn)速越大越好，如此，可以在同一研磨時間內(nèi)增加漿料經(jīng)過研磨機研磨的次數(shù)，以得到較窄的粒徑分布。
6）記錄研磨機所需消耗的電能kW值。
7）取樣時，記錄每個樣品的比能量（specific energy）值，并在分析該粒徑大小后，將比能量與平均粒徑關(guān)系做出，以利將來Scale up用。
8）達到所需比能量值時即可停機。此時，原則上已達到所需研磨分散平均粒徑要求了。
2.3循環(huán)桶部分
一般要得到納米級粉體，均需利用研磨機研磨數(shù)十次，甚至上百次。為了節(jié)省人力及有利于自動化、無人化操作，筆者極力推薦使用循環(huán)式操作模式（recirculation operation mode）做納米級粉體研磨。重點如下：
1）循環(huán)桶不宜太大。若研磨機最大流量為3000L/h時，則移動缸最大容量為500L。一般循環(huán)桶大小為研磨機最大容許流量的1/5-1/10為宜，如此，可以增加循環(huán)桶槽內(nèi)漿料在同一時間經(jīng)過研磨機的研磨次數(shù)，以得到較好的粒徑分布。
2）循環(huán)桶需有攪拌葉片設(shè)計，攪拌速度不宜過快，以0-3m/sec為宜，以避免氣泡產(chǎn)生。
3）循環(huán)桶槽需有熱夾套層設(shè)計，以增加研磨效率。若要有效得到納米級粉體分散研磨，上述前處理、研磨機及循環(huán)桶等要素均需具備，缺一不可。
4）決定平均粒徑（D50）的方法。若漿料配方和研磨機操作條件固定，平均粒徑將取決于比能量（specific energy）值。
5）磨球大小對研磨結(jié)果的影響。由圖5可知，不同磨球大小將影響所需的比能量值。當(dāng)使用1.0-1.4mm磨球研磨碳酸鈣時，需320kWh/t才可達到粒徑D80<2μm，但當(dāng)比能量E值達到96kWh/t后，改用0.6-0.8mm磨球繼續(xù)研磨，則只需要比能量180kWh/t即可達到相同粒徑D80<2μm。若漿料起始粒徑先處理得更小，例如20μm以下，則可以改用0.2-0.6mm磨球研磨，其達到D80<2μm所需的比能量值將可再大大縮小。由此可以得知，磨球越小，其研磨效果越好，所需比能量值越小。
一般要得到納米級粉體，均需利用研磨機研磨數(shù)十次，甚至上百次。為了節(jié)省人力及有利于自動化、無人化操作，筆者極力推薦使用循環(huán)式操作模式（recirculation operation mode）做納米級粉體研磨。重點如下：
1）循環(huán)桶不宜太大。若研磨機最大流量為3000L/h時，則移動缸最大容量為500L。一般循環(huán)桶大小為研磨機最大容許流量的1/5-1/10為宜，如此，可以增加循環(huán)桶槽內(nèi)漿料在同一時間經(jīng)過研磨機的研磨次數(shù)，以得到較好的粒徑分布。
2）循環(huán)桶需有攪拌葉片設(shè)計，攪拌速度不宜過快，以0-3m/sec為宜，以避免氣泡產(chǎn)生。
3）循環(huán)桶槽需有熱夾套層設(shè)計，以增加研磨效率。若要有效得到納米級粉體分散研磨，上述前處理、研磨機及循環(huán)桶等要素均需具備，缺一不可。
4）決定平均粒徑（D50）的方法。若漿料配方和研磨機操作條件固定，平均粒徑將取決于比能量（specific energy）值。
5）磨球大小對研磨結(jié)果的影響。由圖5可知，不同磨球大小將影響所需的比能量值。當(dāng)使用1.0-1.4mm磨球研磨碳酸鈣時，需320kWh/t才可達到粒徑D80<2μm，但當(dāng)比能量E值達到96kWh/t后，改用0.6-0.8mm磨球繼續(xù)研磨，則只需要比能量180kWh/t即可達到相同粒徑D80<2μm。若漿料起始粒徑先處理得更小，例如20μm以下，則可以改用0.2-0.6mm磨球研磨，其達到D80<2μm所需的比能量值將可再大大縮小。由此可以得知，磨球越小，其研磨效果越好，所需比能量值越小。
3 新一代納米級研磨機構(gòu)造
由以上分析可知，若想有效地完成納米級粉體的分散研磨，大流量、小磨球已成為不可或缺的法則，因此，新一代納米級研磨機構(gòu)造需能滿足“大流量、小磨球”設(shè)計。
1）原則上，好的研磨室是體積小、產(chǎn)能高，這樣可以降低漿料殘余量，方便設(shè)備清洗。
2）分離機構(gòu)（即專利動態(tài)大流量分離器）間隙可根據(jù)磨球大小而任意調(diào)整，同時，濾網(wǎng)面積越大則研磨機所能使用流量將越大，更能滿足”大流量、小磨球”原則。如圖9所示，濾網(wǎng)間隙需為磨球大小的1/2-1/3。
3）研磨桶需有大面積熱夾套層設(shè)計，以利于將熱量帶走并控制好研磨漿料溫度。
4）研磨桶內(nèi)，所有與漿料接觸部分材質(zhì)需適當(dāng)?shù)剡x擇，以避免產(chǎn)生污染。如金屬離子析出等問題。
因為納米級粉體研磨需使用小磨球、高轉(zhuǎn)速、高能量密度等，同時亦需避免污染產(chǎn)生，一般歐洲產(chǎn)設(shè)備較適合。若已有國產(chǎn)或日制設(shè)備，則可以以現(xiàn)有設(shè)備做粗磨工藝，然后以歐洲設(shè)備做最后一階段的超細納米研磨，以達到”物盡其用”的最佳應(yīng)用。
4 結(jié)論
以“大流量、小磨球”為納米級粉體研磨主要依循法則，要達到細、快、更少污染納米級粉體研磨要求，需滿足下列條件：
1）認清研磨材料的特性。
2）根據(jù)材料特性要求使用適當(dāng)?shù)难心C。
3）搭配適當(dāng)配套設(shè)備，如冰水機、壓縮空氣機、預(yù)攪拌機及移動物料桶等。
4）使用合適的助劑。
5）與上、下游有完善的溝通，調(diào)整最佳配方與研磨條件，以提高納米粉體的相容性。
作者：雷立猛（德國派勒國際控股集團廣州派勒機械設(shè)備有限公司， 廣東廣州510700）
來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng)
