粉体

固体颗粒的集合体

粉体是由许许多多小颗粒物质组成的集合体。其共同的特征是：具有许多不连续的面，比表面积大，由许多小颗粒物质组成。

颗粒

颗粒概念

与大块固体相比较，相对微小的固体称之为颗粒。根据其尺度的大小，常区分为颗粒（particle）、微米颗粒（micronparticle）、亚微米颗粒（sub-micronparticle）、超微颗粒（ultramicronparticle）、纳米颗粒（nano-particle）等等。这些词汇之间有一定的区别，正在建立相应的标准进行界定。通常粉体工程学研究的对象，是尺度界于10-9m到10-3m范围的颗粒。

随着科学观察和实际操作能力的提高，制备和使用这些微小颗粒的技术不断地从毫米走入微米，从微米走入纳米。即使还不知道颗粒微细化终点到哪里，但确实在不断逼近分子水平。20世纪90年代初，化学家关注的由60个碳原子组成的32面体的原子群等，一方面是分子簇，另一方面可以看到呈现具有粉体颗粒特性的状态，可以说人类的操作能力进入分子和颗粒连续的时代。

广义上说，颗粒不仅限于固体颗粒，还有液体颗粒、气体颗粒。如空气中分散的水滴（雾、云）；液体中分散的液滴（乳状液）；液体中分散的气泡（泡沫）；固体中分散的气孔等都可视为颗粒，它们都是“颗粒学”的研究对象。而粉体工程学的研究对象是大宗的固体颗粒集合体。

从颗粒存在形式上来区分，颗粒有单颗粒和由单颗粒聚集而成的团聚颗粒，单颗粒的性质取决于构成颗粒的原子和分子种类及其结晶或结合状态，这种结合状态取决于物质生成的反应条件或生成过程。从化学组成来分，颗粒有同一物质组成的单质颗粒和多种物质组成的多质颗粒。多质颗粒又分为由多个多种单质微颗粒组成的非均质复合颗粒和多种物质固溶在一起的均质复合颗粒之分。从性能的关联度来考虑，原子分子的相互作用决定了单颗粒，单颗粒之间的相互作用决定了团聚颗粒或复合颗粒的特性；团聚与复合颗粒的集合决定了粉体的宏观特性；粉体的宏观特性又影响到其加工处理过程和产品的品质。

颗粒特性

从粉体工程学广泛的应用领域来看，以微小颗粒的形式来处理固体物质具有如下显而易见的几方面的必要性与有利性：

1．比表面积增大促进溶解性和物质活性的提高，易于反应处理。

2．颗粒状态易于流动，可以精确计量控制供给与排出和成形。

3．实现分散、混合、均质化与梯度化，控制材料的组成与构造。

4．易于成分分离，有效地从天然资源或废弃物中分离有用成分。

如上所述，可以充分理解以颗粒或颗粒集合体形式处理物料的重要性。

颗粒的性质决定了粉体的性质，粉体工程学涉及的基本理论主要研究颗粒的体相性质（大小与分布、形状、比表面积、堆积特性、磁电热光等性质）；颗粒的表面与界面性质（表面的不饱和性、表面的非均质性、表面能等）；颗粒表面的润湿性（润湿类型、接触角与临界表面张力、亲液·疏液性等）；颗粒表面的动电性质（表面电荷起源、颗粒表面电位与吸附特性等）；颗粒表面的化学反应（类型与机理与反应动力学）等物性与特性。

与颗粒的关系

拆字思义，“粉”乃将米粉碎而成，“粒”乃米的独立存在，这两个字形象地表明了古人对粉体和颗粒的认识。一尺之棰，日取其半，万世不竭。这是《庄子·天下》中对物质微细化过程的直接描述，它形象简洁地阐明了颗粒无限可分的概念。《金刚经》也记录过释迦佛陀多次以恒河中沙尘颗粒个数来比喻宇宙之大：河中沙粒之多，再以一粒沙比喻成为一条河，又可以无穷无尽地放大到无垠的空间。

古代先贤早已对颗粒构成的大千世界有了清楚的认识，而且这种无限、不断可分与放大的“尽虚空，遍法界”的多尺度思想和宽广的意境对我们认识粉体、认识颗粒有着及其重要的启发作用。

人类对客观世界的认识是从微观、介观和宏观等不同层次上进行的，认知范围的扩大与内容的深入，不断增强着人类对掌控客观世界的能力。对于人们热心的粉体技术来说，从构成原子的微粒子到充满无数星球的天体群，都在不同尺度上反应了颗粒（个体）与粉体（群体）之间的密切关系。

概念

固体颗粒的集合体定义为粉体。表示粉体的词汇有粒体（granule），粉体（powder），粉粒体（particulatematter），大颗粒的集合体习惯上称之为粒体，小颗粒的集合体称之为粉体。

粉体是指离散状态下固体颗粒集合体的形态。但是粉体又具有流体的属性：没有具体的形状，可以流动飞扬等。正是粉体在加工、处理、使用方面表现出独特的性质和不可思议的现象，尽管在物理学上没有明确界定，我们认为“粉体”是物质存在状态的第4种形态（流体和固体之间的过渡状态）。这是在认识论层面上从各个领域归纳抽象出粉体和加工过程共性问题的基础。

粉体是由大量颗粒及颗粒间的空隙所构成的集合体，粉体的构成应该满足以下3个条件，①微观的基本单元是小固体颗粒；②宏观上是大量的颗粒的集合体；③颗粒之间有相互作用。

颗粒是构成粉体的最小单元，工程研究的对象多为粉体，进一步深入研究的对象则是微观的颗粒。颗粒微观尺度和结构的量变，必将带来粉体宏观特性的质变。

特性

粉体的特性包括颗粒物性和颗粒集合体的物性，这两方面是粉体材料引人注目的重要理由。

首先，分析一个颗粒微观尺度量变到宏观性能质变的例子。

表1表示出具有立方结晶格子的固体（假设原子间距为2×10-10m时）不断地被细化时，固体颗粒表面的原子数占固体颗粒整体原子数的比率。粒径在20μm颗粒表面的原子数占整体的比率几乎可以忽略；但是粒径小到2nm时，构成颗粒原子的半数在表面上，造成颗粒表面能的增加。这就是超微颗粒具有与通常固体不同物性的原因之一。反应性、吸附性等与表面相关的物理化学性质，随着粒径的变小而强化。

粒径细化将使材料表现出奇特的性质：通常金的熔点大约是1060℃，但当把金细化到3nm的程度时，在500℃左右就融化了；铁强磁性体具有无数个磁畴，但当铁颗粒细化到磁畴大小时则成为单磁畴构造，可以用作磁性记录材料。

固体颗粒细化时表现出的微颗粒物性，作为材料使用时具有多种优异性能。这种量变到质变的哲学思想，是粉体技术赖以立足的磐石。

表1固体被细化引起表面原子数比率变化

为了说明这一理论磐石的重要性，我们再来分析两个颗粒微观尺度量变到宏观性能质变的例子。

比表面积与活性：例如边长为25px的立方体颗粒，其比表面积是6×10-4m2，不断地将其细化，若细化成边长为1μm的立方体颗粒群时，总比表面积是6m2；若细化成边长为0.1μm的立方体颗粒群时，总比表面积是60m2；细化成边长为0.01μm的立方体颗粒群时，总比表面积是600m2。颗粒的细化导致比表面积急剧增大，将促进固体表面相关的反应。特别是当超微颗粒表面富于活性的情况下，效果会更明显。

粉体细化与流动：粉体在容器中呈静止状态，但受力后能像液体一样地流出。若施加强作用力使粉体分散，能像气体一样扩散。图1-1形象地描绘了这些特性，粉体表现出类似于固-液-气三态的行为，这一特性在材料加工和输送处理方面十分有利，雷同于自然界的“飞砂、沙丘与砂岩形成的过程”。

技术

沿革

粉体技术可以指粉状物质的加工处理思路软件和相关设备硬件的总成。自从人类社会的发端开始，粉体技术就与每个人息息相关，一刻也没有离开过，只不过是每个人是否明确清晰地感觉到和识别出来而已。粉体技术作为一门综合性技术，就是随着人类文明的发展而逐渐形成的。从原始人学会制造石器粉碎食物开始，就出现了粉碎技术的雏形。通过对粉体技术的感知、认知的变化，我们可以从加工业的发展特点来形容粉体技术过程——「构思颗粒、分析构成、加工粉体、制造产品、现实设想」。

从石器时代到铁器时代，粉体技术扮演着重要的角色，而系统整理这一系列技术的还是我国古代的《天工开物》一书，是它归纳分析形成粉体技术的雏形。西方工业革命对钢铁需求的快速增加，大规模地加工矿物粉体的相关工业已得到迅速地发展。针对粉体企业生产中出现的种种故障与危害，在物理和化学等学科不断进步的推动下，20世纪50年代对粉体过程现象与粉体技术理论的研究应运而生。20世纪60年代理论研究与生产应用的结合与发展，确立了粉体工程学科的作用与重要性。20世纪70年代为解决粉体相关产业存在的问题以及对新产品的研发，奠定了现代粉体技术的基础。

随着粉体技术的不断提高与积累以及微颗粒、超微颗粒材料制备与应用技术的发展，20世纪80年代粉体技术实现了超细化，相关理论也逐渐系统化；由于微颗粒、超微颗粒的行为与颗粒的行为差异较大，从而微颗粒、超微颗粒成为粉体科学重要的研究对象。20世纪90年代显微测试技术和计算机技术的飞速发展，促进了纳米粉体技术的诞生，纳米材料制备与应用技术又赋予粉体工程新的挑战和用武领域。21世纪颗粒微细化以及颗粒功能化与复合化的发展，为粉体技术在材料科学与工程领域的应用中开辟了新天地[5]：例如便于服用和可控溶解的缓释药物、延展性好不易脱落的化妆品、高生物利用度的超微粉体食品、高精度抛光的研磨粉、高纯材料制备的电子元件和各类能源材料，为高性能粉体的使用开拓了广阔的市场。

以粉体制备为例，古老的粉碎方式被粉碎（break-down）装备替代，已经工业化的超细搅拌磨突破了制备微粉的“3μm”粉碎极限，实现了亚微米级超微粉碎。精细化是一个突出特色，英语中“Fineparticlemustbefine”这句双关语的确说明了微细化与精细化的关系；超微颗粒的研究开发就是沿着这个方向发展的。以多尺度思想认识物质的结构，科技界已经将可操控的微颗粒尺度经历了从微米到纳米之后，正在向分子量级逼近；宏观世界和微观世界的界限逐渐模糊化。

随着材料及相关产业的科技进步，作为工业原料精细化加工处理的粉体技术应用范围也在不断地拓展，单纯的超细粉碎分级技术已经不能满足对终端制品性能的要求。人们不仅要求粉体原料具有微纳米级的超细粒度和理想的粒度分布，为了材料性能或粉体使用性能的提高，对粉体颗粒的成分、结构、形貌等也提出了日益严苛的要求。

发展趋势

社会的进步、科技的发展，人们期待着未来的粉体技术会更加完善。

1. 微细化

粉体技术最明确的一个发展方向是使颗粒更加微细化、更具有活性、更能发挥微粉特有的性能。近年来关于“超微颗粒”的研究开发就是沿着这个方向，以至于60个碳原子组成C60和70个碳原子组成的C70（即fullerene：碳原子排列成球壳状的分子）归入超微粉体。自古以来的粉体单元操作——粉碎法（breaking-down法）、化学或物理的粉体制备法（building-up法）以及反应工程中物质移动操作的析晶反应，都被包含在粉体技术制备领域中。

2.功能化与复合化

随着材料及相关产业的科技进步，粉体作为普通的工业原料，其加工处理技术日新月异，应用范围也在不断地拓展。单纯的超细粉碎、分级技术已经不能满足终端制品性能的要求，人们不仅要求粉体原料具有微纳米级的超细粒度和理想的粒度分布，也对粉体颗粒的成分、结构、形貌及特殊性能提出了日益严苛的要求。

通过表面改性或表面包覆，能够赋予复合颗粒及粉体①形态学的改善；②物理化学物性的改善；③力学物性的改善；④颗粒物性控制；⑤复合协同效应；⑥粉体的复合物质化等特殊的功能。

3.发展趋势

颗粒微细化作为粉体工程学科关键技术之一，科技进步对材料的微细化提出了更高的要求，涉及的课题及研究领域更广泛，如关于环境对策的粉体技术、关于资源能源的粉体技术、关于金属粉末成形的粉体技术等等，这一点不会改变。

如同制粉一样，自古以来就使用的与人类生活密切相关的粉体技术，在以信息技术为代表的各种现代化产业领域中，起着相当大的作用。“发展”重要，“可持续发展”更重要。与此同时，面对能源日渐枯竭、资源不断减少、环境严重污染，地球能否持续发展的紧迫局面，对于粉体技术来说，既是严峻的挑战，又是发展的机遇，粉体技术已担负起重大的、长远的责任。粉体技术在环境治理、生态保护、资源循环利用、废弃物再生、节能省能领域中，具有不可替代的作用。人类的生存对于粉体技术的依赖和期望越来越高，粉体技术的不断创新和应用将使各行各业发生根本性的变化。

粉体工程

将粉体加工技术与相关自然科学的理论应用到具体的粉体加工生产部门中所形成的综合知识和手段称之为粉体工程。粉体技术是解决具体技术问题的思想和技巧，而粉体工程则是以粉体技术为核心与相关技术组合，形成解决工程化生产问题的专业系统手段。作为材料类专业的学生，应该掌握这种工程化的粉体加工技术。

在实施特点上看，粉体工程是基于颗粒与粉体自身性质和过程现象，将系统化的知识和方法运用于工业生产中所采用的粉体应用技术的总称。以粉体特性为基础，掌握粉体现象，对粉体的加工过程实施不同的单元作业。从单元操作的纵向分类来看，粉体工程涵盖了破碎、粉碎、分级、贮存、充填、输送、造粒、混合、过滤、沉降、浓缩、集尘、干燥、溶解、析晶、分散、成形、烧成等。根据各个产业中粉体加工对象的不同，粉体工程学已广泛应用到建材、机械、能源、塑料、橡胶、矿山、冶金、医药、食品、饲料、农药、化肥、造纸、资源、环保、信息、航空、航天、交通等几乎国民经济发展的各个领域。

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