超細(xì)粉體表征方法及應(yīng)用進(jìn)展

馮文超，張雯雯，冀雅文，朱紅琴，劉旭強(qiáng)，蔣麗紅*

（1.昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南昆明650500；2.云南瑞升煙草技術(shù)（集團(tuán)）有限公司，云南昆明650106）

超細(xì)粉體表征方法及應(yīng)用進(jìn)展

馮文超1，2，張雯雯1，冀雅文1，2，朱紅琴1，2，劉旭強(qiáng)1，2，蔣麗紅1*

（1.昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南昆明650500；2.云南瑞升煙草技術(shù)（集團(tuán)）有限公司，云南昆明650106）

介紹了超細(xì)粉體的表征方法，同時(shí)綜述了超細(xì)粉體材料在電子信息、軍事、輕工、化工、中醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)及食品等方面的應(yīng)用，展望了超細(xì)粉體材料的發(fā)展前景。

超細(xì)粉體；表征；應(yīng)用

超細(xì)粉體（又稱超細(xì)粉體），通常是指粒徑在1250目（10μm）以下的粉體，又可分為微米粉體、亞微米粉體和納米粉體，當(dāng)固形物質(zhì)粉碎至微米甚至納米尺寸時(shí)，該粉體的物理、化學(xué)特性都發(fā)生極大的變化。超細(xì)粉體技術(shù)起源于二十世紀(jì)70年代中期，自80年代成為各國研究的重點(diǎn)，國外對超細(xì)粉體技術(shù)非常重視，并先后建立了粉體研究機(jī)構(gòu)，在我國自上世紀(jì)80、90年代開始才逐步受到越來越多研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)重視[1]。目前，人們已將超細(xì)粉體的研究成果轉(zhuǎn)化到電子信息、化工、輕工、冶金、復(fù)合材料、核技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)以及國防尖端技術(shù)等領(lǐng)域，大大推進(jìn)了這些領(lǐng)域的發(fā)展[2]。

隨著超細(xì)粉體材料研究的深化，其地位在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域越來越重要，今后在各行業(yè)尤其是一些新興高科技領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。

1 超細(xì)粉體的表征方法

超細(xì)粉體的表征是進(jìn)行粉體分析研究和加工應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括粒度分析、比表面積的測定、化學(xué)成分及物理結(jié)構(gòu)的表征和團(tuán)聚體的表征等[3]。

1.1 超細(xì)粉體的粒度分析

顆粒粒度是指物料經(jīng)過細(xì)分散后尺寸的狀態(tài)[3]，可以用于超細(xì)粉體粒度分析的主要方法有：激光衍射散射法、沉降法、電阻法和電鏡法。

1.1.1 激光衍射散射法激光衍射散射法[4]中應(yīng)用最多的是激光衍射粒度儀，該儀器在假定粉體顆粒為球形、單分散條件基礎(chǔ)上，利用光的散射現(xiàn)象測量顆粒大小，顆粒尺寸越大，散射角越?。活w粒尺寸越小，散射角越大。其優(yōu)點(diǎn)是：測量范圍廣（0.5～300μm）、結(jié)果精確度高、測量時(shí)間短、操作方便、能得到樣品體積的分布。缺點(diǎn)是：對于檢測器的要求高、不同儀器檢測結(jié)果對比性差、分辨率較低、不適于測量粒度分布范圍很窄的樣品。

1.1.2 沉降法沉降法在油漆和陶瓷行業(yè)是一個傳統(tǒng)的測量方法，測量范圍一般為44μm以上[5]；用于沉降法的儀器造價(jià)雖然較低，但與激光粒度儀相比，其測量時(shí)間長、速度慢，不利于重復(fù)分析，測量結(jié)果往往手操作手法及環(huán)境溫度影響，對于2μm以下的顆粒會因布朗運(yùn)動導(dǎo)致測量結(jié)果偏小[6]。

1.1.3 電阻法又叫庫爾特法，適合于測量粒度均勻（即粒度分布范圍窄）的粉體樣品，也適用于測量水中稀少的固體顆粒的大小和個數(shù)，所測的粒徑為等效電阻徑，測試所用的介質(zhì)通常是導(dǎo)電性能較好的生理鹽水[5]。與其他粒度測定方法相比，庫爾特法分辨率最高，而且測量時(shí)間短、重復(fù)性和代表性較好、操作簡便誤差較小；缺點(diǎn)是：動態(tài)范圍較小、易被顆粒堵塞使測量中止、測量下限不夠小，一般測量下限為1μm。

1.1.4 電鏡法電鏡[7]主要分為掃描電鏡、透射電鏡、掃描隧道電鏡等。通過電鏡掃描，可以直觀的觀測到顆粒形狀信息，試驗(yàn)過程中要求顆粒處于良好的分散狀態(tài)；要獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，需要大量的電鏡圖片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[5]。

1.2 比表面積的測量方法

在材料細(xì)分散的制備中，由于顆粒尺寸越來越小，形成了越來越多顆粒表面，引起表面能的巨大變化，用比表面積的概念把顆粒表面積與顆粒尺寸聯(lián)系起來，即[8]：體積比表面積=顆?？偙砻娣e/顆?？傮w積；質(zhì)量比表面積=顆?？偙砻娣e/顆?？傎|(zhì)量。

在實(shí)際應(yīng)用中，粉體的比表面積可以通過浸濕熱法、吸附法以及透過法幾種方法來測量，采取哪種方法要根據(jù)測量要求和物料、設(shè)備等條件決定[3]。

1.3 化學(xué)成分和物理結(jié)構(gòu)的表征方法

經(jīng)典的化學(xué)分析方法分析準(zhǔn)確，但是受限于化學(xué)穩(wěn)定性好的粉體材料。相比之下，儀器分析顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。掃描電子顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)是景深大、圖像立體、放大倍數(shù)高、制樣簡單、樣品的電子損傷小，可直接探測樣品表面成分，對微區(qū)的化學(xué)成分進(jìn)行分析。結(jié)合X射線多晶衍射法所建立的物相分析，可彌補(bǔ)一般的化學(xué)分析、原子光譜分析都只能確定樣品中存在哪些元素，而不能確定這些元素組成了哪些物相的問題。

1.4 團(tuán)聚態(tài)的表征

團(tuán)聚體的性質(zhì)可分為團(tuán)聚體的尺寸、形狀、分布、含量；團(tuán)聚體的氣孔率、氣孔尺寸及分布；團(tuán)聚體的密度、內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度；團(tuán)聚體內(nèi)一次顆粒之間的鍵合性質(zhì)等[3]。目前常用的團(tuán)聚體表征方法主要有顯微結(jié)構(gòu)觀察法、素胚密度-壓力法以及壓汞法等[8]。

2 超細(xì)粉體的應(yīng)用進(jìn)展

超細(xì)粉體材料經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到各行各業(yè)中，如電子信息、輕工、化工、軍事、中醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)及食品等。

2.1 在電子信息行業(yè)中的應(yīng)用

在電子信息行業(yè)中，超細(xì)粉主要用于制備磁記錄材料、電子漿料以及電子陶瓷材料。

采用超細(xì)粉體制備的磁記錄材料具有穩(wěn)定性好、圖像清晰、信噪比高、失真小等優(yōu)點(diǎn)[9]。在磁記錄元件的涂層中用LaF3超細(xì)粉作為固體潤滑劑，可使涂層及磁頭壽命大幅提高[10]。用于導(dǎo)電漿的導(dǎo)電性粉末有Au、Pt、Pd、Ag、Cu、Ni等；用于介電漿的粉末有BaTiO3、TiO2等；用于電阻漿的粉末有RuO2、MoO3、LaB6、C等[2]。我國自行生產(chǎn)的電子漿料遠(yuǎn)不能滿足要求，每年要依靠一定數(shù)量進(jìn)口電子漿料，電子漿料是未來超細(xì)粉重要的應(yīng)用之一。在電子陶瓷材料方面，通常是以BaTiO3或鈦酸鍶鋇為主要成分，添加其他微量元素，具有優(yōu)良的光、電、磁性能，廣泛用于電容器、電光器件、鐵電存儲器等電子元件的制備。

2.2 在軍事工業(yè)中的應(yīng)用

在軍事工業(yè)中，超細(xì)粉體由于表面積增大，活性增強(qiáng)，各種反應(yīng)易于進(jìn)行，而且反應(yīng)充分，因此，采用超細(xì)燃料加入火箭推進(jìn)劑中，可以大大提高推進(jìn)劑的燃燒速率，改善藥體的力學(xué)性能，從而提高火箭發(fā)動機(jī)的命中精度和威力，對實(shí)現(xiàn)國防現(xiàn)代化極為重要[11]。

2.3 在輕工、化工中的應(yīng)用

由氮化硅超細(xì)粉為原料制造的復(fù)合材料材，抗裂系數(shù)、抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度和硬度都都較好，在各工業(yè)行業(yè)中制造滑動軸承、滾動軸承用滾珠、俄羅斯產(chǎn)離心泵用端部密封件、切削工具、耐磨噴嘴、透平的葉片及耐火制品等[12]。

采用TiO2超細(xì)粉制成的超細(xì)薄膜光電性能好，用于新型太陽能電池，不僅能滿足薄膜電極要有一定的厚度、大面積平整度好以及粗糙度因子高等要求，而且所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡單，操作方便，具有較高的實(shí)用價(jià)值[13,14]。

隨著化學(xué)工業(yè)對環(huán)保意識的提高，超細(xì)粉體材料用作廢氣、廢水處理將成為未來環(huán)境保護(hù)發(fā)展的趨勢。

2.4 在中醫(yī)藥行業(yè)中的應(yīng)用

超細(xì)粉體中藥制劑優(yōu)勢在于，有利于提高藥物的生物利用率，如一些貴重的中藥材人參、鹿茸等；提高藥效減少用藥量、節(jié)約資源以及改善口感等[15,16]。對羚羊角、六味地黃丸、人參、紅參、西洋參、三七等的超細(xì)粉研究表明浸出量明顯優(yōu)于其傳統(tǒng)飲片化，但微粉化使沉香的揮發(fā)性成分損失較重，說明對于不同藥材的粉碎粒度，應(yīng)該視藥材的性質(zhì)而定，而且超細(xì)粉體技術(shù)與普通粉碎技術(shù)在提取時(shí)間、提取方法、顯微鑒別等方面均有差異[15,17-19]。

目前，對微粉化的單味藥及復(fù)方的藥理研究不夠深入，很少進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)比較，而且微粉化對藥物毒理作用的影響尚未進(jìn)行研究，粒徑與劑量、療效之間的關(guān)系及其安全性的考察亟待研究[20]。

2.5 在農(nóng)業(yè)及食品工業(yè)中的應(yīng)用

農(nóng)藥原料加工成超細(xì)粉后，其均勻性、分散性得到改善，且超細(xì)粉體表面活性強(qiáng)，在農(nóng)副產(chǎn)品和環(huán)境中分解的速率快，使農(nóng)藥殘留量下降，最終減少了污染，給藥接觸面積大大減少農(nóng)藥的使用量，比表面積大、吸附能力強(qiáng)、耐雨水沖刷，可以保持農(nóng)藥的長效；果蔬超細(xì)粉可作為食品原料添加到糖果、糕點(diǎn)、果凍、果醬、冰淇淋、奶制品、方便食品等多種食品中，增加食品的營養(yǎng)，增進(jìn)食品的色香味，改善食品的品質(zhì)，增添食品的品種[2]。對造紙法再造煙葉中加入超細(xì)碳酸鈣，可以使再造煙葉抗張強(qiáng)度降低，緊度降低，疏松度升高，厚度增大，同時(shí)降低造紙能耗，節(jié)約成本[21]。

超細(xì)粉體技術(shù)用于低檔茶葉，可擴(kuò)大茶葉資源的利用范圍，改善食用品質(zhì)；增進(jìn)生物體對功能成分的吸收；提高功能成分活性和生物利用度，同時(shí)降低功能性物質(zhì)在食品中的用量；優(yōu)良的固香性、分散性和溶解性可充分保證原料成分的完整性[22]。

3 超細(xì)粉體應(yīng)用前景展望

目前，超細(xì)粉體技術(shù)尚處于起步階段，在優(yōu)勢突出的同時(shí)也存在一些有待解決的問題，在行業(yè)起步晚、起點(diǎn)低的情況下，國內(nèi)超細(xì)粉體加工技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量及理論研究等與先進(jìn)國家相比尚有一定的差距。隨著研究的深化及拓展，未來超細(xì)粉體要達(dá)到規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，與新材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化工、軍工、電子、航天等領(lǐng)域的交融使得其應(yīng)用具有廣闊的前景。

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Characterization methods and application progress on ultrafine powder

FENG Wen-chao1,2，ZHANG Wen-wen1，JI Ya-wen1,2，ZHU Hong-qin1,2，LIU Xu-qiang1,2，JIANG Li-hong1*
（1.Faculty of Chemical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China；2.Yunnan Reascend Tobacco Technology（Group）Co.,Ltd.,Kunming 650106,China）

The characterization methods of ultrafine powder was introduced.Meanwhile,the applications in electronic information,military,light industry,chemical industry,medicine,agriculture and food were introduced and the development of the ultrafine powder materials was prospected.

ultrafine powder；characterization；application

TB383

A

1002-1124（2014）03-0033-03

2013-12-16

馮文超（1983-），男，在讀碩士研究生，主要從煙草新材料、新技術(shù)相關(guān)研究。

蔣麗紅（1968-），女，博士，教授，主要從事精細(xì)化工產(chǎn)品及相關(guān)研究。