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砂磨机在纳米新材料中的高端应用

日期:2021-08-14 
作者:深圳市叁星飞荣机械有限公司
电话:400-163-9883

采用湿法研磨制备纳米粉体是目前最有效且最合乎经济效益的方法,它避免了化学法制备纳米粉体的高成本,也避免了机械干法研磨难以达到纳米级粉体的不足。砂磨机属于湿法超细研磨设备,由于研磨腔狭窄,拨杆间隙小,研磨能量密集,配合高性能的冷却系统和自动控制系统,可实现物料连续加工、连续出料,生产效率极高,是目前物料适应性最广、效率最高的研磨设备。

相较于之前被行业大规模使用的球磨机以及搅拌磨机而言,砂磨机的优势主要有以下五个:

第一,砂磨机所研磨材料粒径更小,粒径分布更均匀。纳米砂磨机研磨得到的材料粒径可达纳米级,而传统球磨机研磨得到的产品粒径只能达到微米级。

第二,砂磨机的结构以及操作相较于球磨机而言都比较简单。

第三,砂磨机的能量利用率比球磨机高出许多。

第四,砂磨机通过改变结构以及研磨原理,大大降低了其运转时产生的噪音和振动,对环境更加友好。

第五,因为砂磨机对磨料的分散效果比球磨机出色,所以产量也比传统球磨机高很多,并且可以实现连续生产。

一、高镍正极材料

高镍三元正极材料L iNio. gCoo.1sAlo. osO2作为L iNi02、L i Co02和L iAl02三者的类质同象固溶体,同时具备了LiNiO2容量高、价廉低毒,LiCo02循环性能好、电导率高,LiAl02热稳定性好等优点,被认为是最有可能取代LiCoO2

的正极材料之一。研究人员以Li2CO3为锂源,在700~800°C温度范围内,通过纳米砂磨辅助固相合成了结晶良好的LiNio. sCo.15Alo. os902正极材料。

二、富锂锰基正极

富锂锰基材料是一种具有高比容量和高工作电压特性的新型正极材料,但该材料存在较高的不可逆容量和低电子导电率。因此,它的高倍率充放电性能不理想。由于富锂相材料的特殊放电机制,首圈效率较低,严重妨碍了其实际应用。因此需要通过优化合成工艺等方法来改善富锂锰基正极材料的电化学性能。

研究人员在合成路线上采用纳米砂磨、喷雾干燥、高温煅烧的工艺来制备目标产物,通过探究砂磨时间、煅烧温度对材料各项性能的影响发现,砂磨60min得到的颗粒粒径最小(D50=235nm) 。当煅烧温度为900C时,获得最高的电化学数据,即223. 4mAh●g1的首圈放电比容量。因此确定砂磨时间60min,煅烧温度900°C是最佳的合成工艺参数。

三、纳米硅粉

硅材料是近年来电池负极材料中嵌脱锂比容量理论值最高的材料,其比容量理论值达到石墨的十倍,也被认为是锂电池负极材料的核心材料。但目前硅材料的体积膨胀效应限制了其在新能源行业的应用。而改善硅材料体积膨胀效应主要有使硅材料纳米化以及将硅材料与石墨复合制成硅碳负极材料两种方法。

有研究人员从使硅材料纳米化的角度出发,利用纳米砂磨技术探究转速以及磨球直径变化时颗粒的破碎效果。基于离散元理论以及能量损耗理论对研磨过程进行模拟和数值计算,之后通过试验探究参数改变时硅颗粒粒径的变化规律,得到一组较好的研磨参数,为以后的试验中工艺参数的设计提供参考。

纳米立方碳化硅由于具有优异的化学稳定性、高温强度、高热导率、高耐磨性和宽禁带、高电场击穿强度等良好特性,在航空、航天、汽车、机械、电子、化工、半导体等工业领域有广泛的应用前景,受到了众多的关注。人们在纳米立方碳化硅的制备、微观结构、宏观物性和应用等方面做了大量的研究。

三、纳米立方碳化硅

研究人员采用0.3~0.4mm的碳化硅介质球,经砂磨40h可批量制备Dv (50)在100nm,单颗粒粒径在30~ 50nm的纳米颗粒,且粒度均匀,球形度良好。砂磨制得的纳米立方碳化硅,表面含有大量的羟基和二氧化硅,具有很好的亲水性,其表面特性与纳米二氧化硅相近。其在中性和碱性条件下具有良好的分散稳定性,可用于机械抛光、陶瓷湿法成型、涂层等工业应用领域。

四、碳纳米管

由于碳纳米管较为独特的一维结构和纳米级别的尺寸,可以将其应用到复合材料,储能材料以及催化材料等多个领域当中。在橡胶工业中,研究人员在橡胶材料中添加碳纳米管,以进一-步改善橡胶的机械、电气和导热等性能。然而,碳纳米管会产生显著的纳米尺度效应,因此,有必要处理碳纳米管在与橡胶的复合基体当中混合和分散的问题。

研究人员利用纳米砂磨机对碳纳米管分别进行不同遍数的研磨,之后加入到天然橡胶当中进行湿法混炼,根据性能测定和表征来确定最适用于湿法混炼胶的碳.纳米管物理研磨方法,改善其在基体中的分散性。

五、覆铜板用纳米填料

无机纳米粒子应用在集成电路覆铜板中,使基材的力学性能、热性能和阻燃性等都到显著提高,极大地推进覆铜板技术的发展。但是,无机纳米粒子与树脂基体不能很好匹配,存在界面问题和分散问题,因此需要寻找科学的方法对无机纳米粒子进行改性,并加以强而有效的物理分散方法以实现无机纳米粒子与树脂很好相容及其在树脂中的均匀分散。

日本CHIN KOBE公司在专利中利用砂磨的方式制备出高填料含量的环氧树脂复合体系,该复合体系可用于制备成导热性好、可靠性高的粘结片或覆铜板。该专利强调,砂磨是一种具有很好的分散效果的设备,它可以将无机填料均匀的分散在整个体系当中,并且可以降低胶水的粘度,增加其渗透性和流动性。如果分散设备力度不够会导致体系中填料以及环氧树脂无法更好的混合,会降低胶水的稳定性等,同时降低覆铜板及粘结片的可靠性。

六、高性能钛酸钡粉体

钛酸钡作为典型的ABO3型强介电钙钛矿化合物材料,由于其具有高介电常数和低介电损耗,被称为“电子陶瓷工业的支柱”,且被广泛运用于各类半导体被动元器件中。随着电子元器件微型化的发展,人们对钛酸钡粉体提出了小粒径、高分散等要求以满足市场应用的需要。

在固相法合成钛酸钡的工艺中,原料的粒径决定了最终产物BaTi03的晶粒大小及分散情况。如果能通过砂磨获得粒径小、分散性好的BaCOg和Ti02原料,将有利于在反应时减少原子扩散距离,降低反应温度,促进钛酸钡的生成。研究人员将BaCO3、TiO,和Glyc ine为原料,采用分开砂磨再低速混合球磨的方式对原料进行预处理,利用微波固相法对前驱体进行加热,制备了结晶性好,颗粒均匀、形貌完整的四方相BaTi03。

七、纳米钛粉

钛具有较低的电极电位,表面很容易被氧化成致密的TiO2膜而表现出优良的耐腐蚀性能。钛无毒、密度小、比强度高,可作为涂料添加剂使用。纳米级钛粉的耐腐蚀性能更强,将其添加到涂料中会大幅提高涂料的防腐性能。但是纳米钛粉作为一种无机填料,表面活性较高.极易团聚,亲水疏油,在环氧树脂中的分散稳定性及界.面相容性较差。无机纳米填料在环氧树脂中的界面相容性以及分散稳定性一直是研究的热点问题之一。

在砂磨机械力的作用下,不仅可以将微米钛粉细化至纳米尺寸,同时可以完成表面接枝改性,以此来解决纳米钛粉在环氧树脂中的分散稳定性及界面相容性问题,同时可以降低纳米钛粉的使用成本。

八、纳米药物

纳米药物是指直接将原料药物加工制成的纳米粒,或是以高分子纳米粒、纳米球、纳米囊等为载体,与药物以一定方式结合在一起后制成的药物,其粒径在100~500nm之间。纳米药物具有许多优点,如稳定性好、对胃肠刺激性小、毒副作用小、生物利用度高、具有靶向性和缓释功能等,一直是各国研究的热点。

用于药物微粉化的传统粉碎设备不能用于制备纳米药物,如胶体磨或气流磨等。气流粉碎机制得的药物粉体粒径一般在0. 1~20 μ m,其中仅有很小一部分是纳米级的。然而,使用砂磨机研磨足够的时间后,能够制得纳米混悬液。

生产过程中,将药物粗粉置于含表面活性剂/稳定剂的溶液中,经高速搅拌得到粗混悬液。然后其经砂磨机研磨,固体颗粒粒径逐渐减小至纳米级别,得到纳米混悬液。其中,产品细度主要由两个基本参数决定一-应力强度 ,和接触点数目。应力强度取决于研磨珠动能,能量足够高才能达到研磨效果。接触点数目决定了材料和研磨珠作用的次数,接触点数目足够多时产品才能达到良好的粒径分布。为增加接触点数目,可采用更小的研磨珠。

九、水基油墨

作为新“绿色”材料,水基油墨无挥发性有机溶剂,常用于丝网印刷中。水基油墨具有优良的环保性能和较大的商业价值。水基油墨能够缓解现阶段包装印刷行业存在的环境污染问题,对水基油墨的研磨分散成为了目前的关注问题。.

研究人员研究了卧式砂磨机、纳米砂磨机和篮式砂磨机3种设备的研磨效果,研磨效率从高到低依次为:纳米砂磨机、卧式砂磨机和篮式砂磨机。通过实验发现:使用某型纳米砂磨机以道次研磨的方式,研磨转子线速度为18m/s,时间设置为5h,研磨介质为碳化钨,冷却水温为10°C时,是溶剂和水基油墨分散研磨的最佳条件。

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