土壤改良用礦物粉體加工技術(shù)現(xiàn)狀

劉 青，李 剛，路 娜，張珂華，徐小藝，靳 濤

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

目前，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及人民環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提出了更高要求，但是工農(nóng)業(yè)的發(fā)展也造成了我國土壤嚴(yán)重的污染，污染退化具有多源、復(fù)合、量大、面廣、持久、毒害的現(xiàn)代環(huán)境污染特征，尤其是在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的地區(qū)，土壤退化已從局部蔓延到區(qū)域，從城郊延伸到鄉(xiāng)村，從單一污染擴(kuò)展到復(fù)合污染，從有毒有害污染發(fā)展至有毒有害污染與N、P營養(yǎng)污染的交叉，形成點(diǎn)源與面源污染共存，生活污染、農(nóng)業(yè)污染和工業(yè)污染疊加，各種新舊污染與二次污染相互復(fù)合或混合的態(tài)勢(shì)。重金屬、硝酸鹽、農(nóng)藥及持久性有機(jī)污染物、放射性核素、病原菌/病毒及異型生物質(zhì)等是重要的污染源。其中，工業(yè)的廢渣是一個(gè)重要的污染源，造成的污染顆粒有：粒徑大于75 μm的塵粒，粒徑為 1～75 μm的粉塵，以及更細(xì)微的粒徑小于1 μm的亞微粉塵，這幾種大多是由工業(yè)生產(chǎn)過程中進(jìn)行的破碎和運(yùn)轉(zhuǎn)方式等所產(chǎn)生。因此，為減少污染，提升粉體制備技術(shù)是資源礦物粉體領(lǐng)域發(fā)展的迫切要求：一方面提升粉體的利用效率和制備技術(shù)，一方面拓展粉體的適用行業(yè)，提升粉體的再生價(jià)值。通過對(duì)粉體的回收利用，制備多種復(fù)合物：多孔材料、建筑材料以及裝飾材料等等，提升其再利用價(jià)值。目前，對(duì)資源礦物粉體利用在土壤改良領(lǐng)域是一個(gè)新興發(fā)展熱點(diǎn)，例如：粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，未燃燒的有機(jī)物含碳量較高，易對(duì)環(huán)境造成污染。粉煤灰多由石英、莫來石等礦物晶體和玻璃體，以及少量未燃燒炭組成。粉煤灰化學(xué)成分與土壤相似，以易于結(jié)構(gòu)改性的鋁、硅為主，且富含植物生長所必需的中微量元素，具有制備土壤改良材料的天然優(yōu)勢(shì)，SiO2、Al2O3約占80%，含少量 Fe2O3、CaO、MgO、SO、TiO2、P2O5、MnO2和Na2O 等常量元素，以及 Li、Ga、Ge、V 和 U 等微量元素，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，充分利用這類的固廢材料，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)科技人員重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)之一。而這類粉體的加工質(zhì)量和細(xì)化程度是提高其應(yīng)用價(jià)值的重點(diǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中超細(xì)粉碎技術(shù)是目前該領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。

超細(xì)粉碎技術(shù)又稱超顆粒粉碎加工技術(shù)，顧名思義就是隨著我國新材料加工產(chǎn)業(yè)和其他現(xiàn)代工程高新技術(shù)的不斷發(fā)展，例如耐火材料、高聚物基金屬復(fù)合材料、新能源、生物化工和通用微電子、航空航天技術(shù)等超細(xì)礦物深粉碎加工，以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)不斷進(jìn)步的一種工程技術(shù)。超細(xì)粉碎技術(shù)發(fā)展迅猛，在其飛速發(fā)展的同時(shí)，也具有更大的提升空間，而伴隨該工程技術(shù)的不斷穩(wěn)步發(fā)展和創(chuàng)新改進(jìn)，現(xiàn)已對(duì)我國高新技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重大戰(zhàn)略影響。因此，要對(duì)超細(xì)粉碎加工產(chǎn)品進(jìn)一步研究強(qiáng)化，提高我國工業(yè)超細(xì)礦物粉碎資源的高附加值綜合利用技術(shù)水平，使工業(yè)超微粉碎深加工技術(shù)裝備生產(chǎn)技術(shù)水平進(jìn)一步得到提升，就要將超細(xì)顆粒粉碎加工技術(shù)設(shè)備的生產(chǎn)研制與研究開發(fā)應(yīng)用放在舉足輕重的戰(zhàn)略位置。

1 超細(xì)粉體的分類及制備方法

1.1 超細(xì)粉體的分類

根據(jù)粉體物理化學(xué)性質(zhì)、應(yīng)用性能和加工技術(shù)的不同，我們對(duì)不同大小的細(xì)粉進(jìn)行了分類，即 0.001～0.1 μm（超微細(xì)破碎粉）、0.1～10 μm（細(xì)微超細(xì)粉）和10～1000 μm（細(xì)粉）三種。由于粉碎技術(shù)上的限制，小于0.1 μm的超微細(xì)破碎粉，目前很難完全利用傳統(tǒng)機(jī)械化學(xué)粉碎法對(duì)其進(jìn)行分級(jí)加工，需要同時(shí)采用其他可行的粉體物理或機(jī)械化學(xué)加工方法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分級(jí)加工；粉碎工業(yè)上一般主要采用各種傳統(tǒng)的粉碎或機(jī)械磨粉加工設(shè)備以及采用相應(yīng)的粉體分級(jí)加工設(shè)備等，對(duì)10～1000 μm的超細(xì)粉體物料進(jìn)行分級(jí)加工；超細(xì)粉碎則定義：指對(duì)0.1～10 μm的超細(xì)顆粒粉體物料進(jìn)行粉碎和采用相應(yīng)的粉體分級(jí)加工技術(shù)，廣泛的一般定義：指對(duì)10 μm各種超細(xì)粉體的粉碎和采用相應(yīng)的粉體分級(jí)加工技術(shù)，主要以機(jī)械法加工為主[1]。

1.2 超細(xì)粉體的制備方法

超細(xì)粉體的制備技術(shù)通常有兩種：一種方法是從最基本的粒子（包括原子、分子、離子）顆粒出發(fā)、利用物理及其他化學(xué)上的方法，使基本粒子向超細(xì)粉體顆粒進(jìn)一步進(jìn)行轉(zhuǎn)化；另一種就是從粗糙的粒子材料出發(fā)，通過采用溶液加熱噴霧的方法，或者采用機(jī)械粉碎的方法進(jìn)一步對(duì)各種超細(xì)粉體材料進(jìn)行細(xì)化。這種機(jī)械粉碎法是目前粉體工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用的超細(xì)粉體制備方法。目前，對(duì)機(jī)械粉碎法，根據(jù)超細(xì)粉碎生產(chǎn)工藝和粉碎加工設(shè)備的不同，可以分為干法、濕法和干濕組合三種。以高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械自動(dòng)沖擊筒式磨機(jī)、旋風(fēng)自動(dòng)磨機(jī)、氣流式大型粉碎磨機(jī)為主的機(jī)械干式粉碎機(jī)等設(shè)備，還有干、濕兩用的機(jī)械旋轉(zhuǎn)筒式粉碎磨機(jī)、高壓機(jī)械射流筒式粉碎磨機(jī)、介質(zhì)物料攪拌筒式磨機(jī)等，而現(xiàn)在工業(yè)上多用濕式粉碎方式[2]。

1.3 超細(xì)粉碎技術(shù)發(fā)展歷程

上個(gè)世紀(jì)70年代末和80年代初，規(guī)模或工業(yè)化超粉碎技術(shù)在我國應(yīng)運(yùn)而生，到目前為止，已經(jīng)有了幾十年的歷史。在這幾十年里，超細(xì)粉碎技術(shù)也逐步改進(jìn)和完善：

①上世紀(jì)80年代初至80年代中期以前，引進(jìn)國外生產(chǎn)技術(shù)和粉碎設(shè)備制造為主，在超細(xì)粉碎技術(shù)和設(shè)備制造剛剛起步。當(dāng)時(shí)，意大利生產(chǎn)的超細(xì)氣流磨最先進(jìn)，所引進(jìn)的超細(xì)粉碎技術(shù)與設(shè)備主要應(yīng)用于遼寧海域滑石礦，生產(chǎn)微細(xì)的滑石粉。

② 上世紀(jì)80年代中期至90年代中期，是我國非金屬超細(xì)粉碎行業(yè)技術(shù)設(shè)備發(fā)展和粉碎設(shè)備設(shè)計(jì)制造的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期。主要的超細(xì)粉碎技術(shù)設(shè)備設(shè)計(jì)制造廠，基本上都建立起來，引進(jìn)國外設(shè)備和技術(shù)，加以探索和研究同步進(jìn)行。

③上個(gè)世紀(jì)九十年代中期以后，基本進(jìn)入以自主創(chuàng)新開發(fā)和引進(jìn)制造設(shè)備為主，引進(jìn)技術(shù)為輔的發(fā)展階段。建立了許多國產(chǎn)高新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備。我國超細(xì)粉碎設(shè)備技術(shù)與生產(chǎn)設(shè)備的研究發(fā)展主要經(jīng)歷了以上三個(gè)階段。

1995年至今，我國超細(xì)粉碎設(shè)備技術(shù)一直保持穩(wěn)步發(fā)展，專業(yè)技術(shù)人員一直努力探索和不斷完善，形成了一套完備的技術(shù)體系。與國外超細(xì)粉碎設(shè)備技術(shù)無論在生產(chǎn)設(shè)備上還是在技術(shù)上上的差距逐漸縮小，具有自主發(fā)明專利和自主開發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的粉碎設(shè)備技術(shù)數(shù)量越來越多，設(shè)備的各項(xiàng)性能顯著提高，技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)基本滿足當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的需要。超細(xì)粉碎加工技術(shù)不僅要求超細(xì)粉碎加工的粉體粒度細(xì)，粒度分布窄，而且要求其顆粒結(jié)構(gòu)具有一定的規(guī)則性，從而，使應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。超細(xì)粉碎技術(shù)原屬于非金屬礦深研磨加工的一種基礎(chǔ)技術(shù)工藝，現(xiàn)已發(fā)展成為重要的現(xiàn)代工業(yè)金屬礦物及其它新型原材料深研磨加工關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)促進(jìn)現(xiàn)代我國高新技術(shù)加工產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展及應(yīng)用具有重要意義[2]。

20世紀(jì)八十年代以來，對(duì)超細(xì)粉體的需求越來越大，其具有表面活性高，比表面積大，化學(xué)反應(yīng)速度快、溶解性強(qiáng)、燒結(jié)溫度低，且加熱燒結(jié)后的固體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、作為填充劑和補(bǔ)強(qiáng)劑，其反應(yīng)性能好，以及具有獨(dú)特的高導(dǎo)電性、磁性、光學(xué)反應(yīng)性能等諸多物理和化學(xué)特性。因此，超細(xì)粉體廣泛應(yīng)用于精細(xì)化研磨料及其他研磨產(chǎn)品的拋光劑、造紙專用填料、涂料和塑料填料、耐火材料、隔熱材料、陶瓷、微電子及其他應(yīng)用信息技術(shù)復(fù)合材料的原料或填料。隨著我國對(duì)超細(xì)粉碎設(shè)備的制造技術(shù)上的研究需求越來越高。目前，通過采用現(xiàn)代化學(xué)合成法技術(shù)可獲得高純度新型超細(xì)粉體，但粉碎成本過高，至今未能廣泛應(yīng)用于超細(xì)粉體的工業(yè)化生產(chǎn)。

當(dāng)前，作為獲得高純度超細(xì)粉體的主要手段，仍然是新型機(jī)械粉碎研磨機(jī)，這種新型機(jī)械粉碎研磨機(jī)與采用顆粒粉體分級(jí)法的研磨粉碎技術(shù)的相關(guān)研究，工作難度不斷更加大，研究的深度也隨之深入。據(jù)目前統(tǒng)計(jì)，我國超細(xì)粉碎和分級(jí)設(shè)備加工生產(chǎn)的主要技術(shù)生產(chǎn)廠家，已達(dá)到近100多家，主要情況如下：

ⅰ、粉碎分級(jí)設(shè)備主要生產(chǎn)工藝類型和國外生產(chǎn)設(shè)備類型相差不大，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自給自足，尤其在氣體粉碎分級(jí)領(lǐng)域，能持續(xù)開發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出各類新型的超細(xì)粉體的生產(chǎn)設(shè)備。經(jīng)過近二十年的堅(jiān)持不懈的努力探索，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)制造出各類精細(xì)分級(jí)的設(shè)備，在超細(xì)粉體發(fā)展行業(yè)占有一席之地。

ⅱ、由于非金屬材料生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，已經(jīng)明顯降低了超細(xì)粉碎研磨設(shè)備的綜合磨耗，并且絕大部分超細(xì)粉碎研磨設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成功出口到很多發(fā)展中國家。能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、規(guī)模化超細(xì)粉體生產(chǎn)的有：活性氧化鋁、活性氫氧化鋁、氧化鎂、活性氫氧化鎂、超細(xì)粗重質(zhì)碳酸鈣、超細(xì)重質(zhì)滑石、超細(xì)重質(zhì)石墨、超粗重細(xì)高嶺土、超細(xì)重質(zhì)云母和超細(xì)重質(zhì)碳化硅等，其平均粒徑1μm左右。同時(shí)，超細(xì)粉碎設(shè)備制造技術(shù)進(jìn)一步提升，達(dá)到國際水平，無論產(chǎn)品綜合能耗、耐磨性、工業(yè)配套設(shè)備，還是最終的粉碎能力技術(shù)，明顯縮小了與國外先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備及其綜合應(yīng)用性能的差距[3]。

但是，所仍存在的差距：

ⅰ、設(shè)備品種不多：同一機(jī)型品種規(guī)格較少、系統(tǒng)化、信息化程度仍然跟不上時(shí)代需求，給專業(yè)性強(qiáng)的用戶帶來極大不便，主要集中在中型設(shè)備，既缺少大型設(shè)備也缺少小型設(shè)備，缺乏競(jìng)爭力。

ⅱ、設(shè)計(jì)投入少：一是專業(yè)人員總體數(shù)量少，二是專項(xiàng)研發(fā)經(jīng)費(fèi)不足。而現(xiàn)有的設(shè)備人員主要由兩大部分組成：一是以礦業(yè)為主的研發(fā)人員，其大多數(shù)人是搞破碎機(jī)設(shè)計(jì)的，而對(duì)粉碎機(jī)的相關(guān)理論和實(shí)踐不足；另一部分是水泥行業(yè)的研發(fā)人員，其對(duì)粉碎機(jī)的研究深度不夠。另外少量的是一些學(xué)化工機(jī)械的科技人員，主要研究壓力容器、機(jī)、泵、管、閥和儲(chǔ)罐，而對(duì)粉碎的基本原理及相關(guān)設(shè)備制造技術(shù)的研究不夠[4]。

ⅲ、地域發(fā)展不平衡：長江三角、珠江三角區(qū)域發(fā)展得比較迅猛，西部發(fā)展緩慢，但是隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)重點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，粉體行業(yè)在西部將有著廣闊前景，但要防止資源浪費(fèi)、污染轉(zhuǎn)移等問題[4]：

ⅳ、缺乏國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：缺乏統(tǒng)一權(quán)威的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)方法，很多小型企業(yè)沒有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有的還沿用其他企業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其原因是我國超細(xì)粉碎技術(shù)發(fā)展較晚，基礎(chǔ)不夠牢固，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不高，企業(yè)間通過降低價(jià)格搶占市場(chǎng)，易引發(fā)惡性競(jìng)爭，一定程度上妨礙了市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的良好發(fā)展。

ⅴ、設(shè)計(jì)技術(shù)落后：專業(yè)人員老齡化嚴(yán)重，尤其是高技術(shù)型專家研究人員偏少，使得設(shè)計(jì)水平和效率偏低[3]。

2 超細(xì)粉碎設(shè)備現(xiàn)狀

目前，經(jīng)常用到的各種振動(dòng)式磨機(jī)、沖擊式振動(dòng)磨機(jī)、氣流式磨機(jī)、攪拌式磨機(jī)等，都屬于超細(xì)粉碎研磨設(shè)備，已經(jīng)廣泛投入市場(chǎng)，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到一定的先進(jìn)水平，可以充分滿足目前市場(chǎng)需求[1][2]。

2.1 沖擊式磨機(jī)

沖擊式研磨機(jī)是通過強(qiáng)烈的碰撞運(yùn)動(dòng)作用產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，從而完成對(duì)超細(xì)物料粉碎的機(jī)械設(shè)備，其工作原理是利用圍繞沿磨機(jī)水平軸或垂直旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體（棒、錘和超細(xì)物料粉碎葉片等），對(duì)需要破碎的超細(xì)物料研磨顆粒，產(chǎn)生強(qiáng)烈的器壁橫向剪切作用和直接碰撞沖擊所產(chǎn)生的縱向作用，使得要粉碎的顆粒猛烈沖撞機(jī)器的器壁和固定體，來實(shí)現(xiàn)顆粒的粉碎。機(jī)器的出口產(chǎn)品粒度一般可以能達(dá)到3～74 μm，入口物料粒徑一般在8 mm以內(nèi)，這種設(shè)備構(gòu)造簡單、操作便捷、安裝緊密、占地空間小、可調(diào)節(jié)細(xì)度、工作效率較高，廣泛用于滑石、方解石等中檔厚度硬物的粉碎。但也有些不足，沖擊式研磨機(jī)在高速運(yùn)行研磨過程中，會(huì)出現(xiàn)過度產(chǎn)熱現(xiàn)象，造成溫度過高，因此，為盡量避免零件過熱磨損，需采用一種抗壓耐磨性能好的研磨材料，也可考慮使用增加冷卻水的方式，對(duì)研磨設(shè)備降溫，延長其壽命，這些改進(jìn)技術(shù)進(jìn)一步完善中[4]。

2.2 攪拌式磨機(jī)

攪拌磨機(jī)是通過電動(dòng)攪拌機(jī)的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，高速攪拌筒體內(nèi)的礦物顆粒和其他高硬度的研磨介質(zhì)，依賴研磨介質(zhì)的高硬度和其間的強(qiáng)烈碰撞作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦物顆粒粉碎的機(jī)械設(shè)備，這種設(shè)備具有良好發(fā)展前景，產(chǎn)品粒度在0.1～45 μm之間，入料粒徑一般在3 mm以內(nèi)，一般可用來加工大多數(shù)非金屬礦：滑石粉、重質(zhì)碳酸鈣、高嶺土、石墨和膨潤土等，也可制備各種彩色顏料：雄黃、孔雀綠、朱砂、紅土、硅灰石、重晶石粉和云母粉等，這些類型的顏料多為氧化物、硅酸鹽、硼酸鹽、鉬酸鹽、鉻酸鹽、硫酸鹽、釩酸鹽、鐵氰酸鹽、磷酸鹽、硫化物、氫氧化物和金屬等[5]。攪拌磨機(jī)也有優(yōu)點(diǎn)：噪聲低、動(dòng)靜小、產(chǎn)品細(xì)度高、可自由調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單、操作容易，而且工作效率高、顆粒大小分布均勻；而缺陷主要在于在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，大都需要采用濕滑石粉進(jìn)行研磨，在產(chǎn)品后續(xù)的生產(chǎn)過程中，需要固-液相分離，增加干燥成本[5]。

2.3 氣流式磨機(jī)

氣流磨機(jī)是壓縮空氣經(jīng)高速噴管產(chǎn)生的高速噴射氣流，帶動(dòng)要粉碎的礦物顆粒圍繞著主軸加速轉(zhuǎn)動(dòng)，并發(fā)生高速碰撞、摩擦剪切等強(qiáng)烈作用，形成超細(xì)粉碎物料的機(jī)械設(shè)備。產(chǎn)品成品粒度在1～30 μm范圍之間，加工進(jìn)料粒度在正常情況下嚴(yán)格控制在1 mm以下，可廣泛用于稀土、各種硬質(zhì)大理石、高嶺土和滑石等中等硬度的非金屬礦物等材料的超細(xì)加工[5]。目前，我國氣流磨機(jī)制造設(shè)備的自動(dòng)化生產(chǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)較高，生產(chǎn)能力強(qiáng)，在當(dāng)今世界型號(hào)最全、技術(shù)較為成熟。但美中不足的是設(shè)備單位生產(chǎn)能耗大、內(nèi)部零件材料磨損較大、機(jī)械設(shè)備體積大、適合的研磨產(chǎn)品種類較少，原料的硬度要求高，完全自主創(chuàng)新型的研磨機(jī)型較少[3]。

2.4 振動(dòng)式磨機(jī)

振動(dòng)磨機(jī)是利用一種研磨介質(zhì)在一個(gè)作高頻高速振動(dòng)的筒體內(nèi)對(duì)易碎物料進(jìn)行高速碰撞、研磨和剪切等機(jī)械作用，實(shí)現(xiàn)快速粉碎的機(jī)械設(shè)備。研磨介質(zhì)主要是棒狀或球狀的高硬度碳化硅等物體，產(chǎn)品粒度在1～74 μm之間，入料粒徑一般在6 mm范圍以內(nèi)，可廣泛應(yīng)用在石油化工、建材、陶瓷、耐火材料和其他非金屬礦等材料行業(yè)的超細(xì)粉體材料的加工[5]。振動(dòng)磨機(jī)的機(jī)械體積小、產(chǎn)量高、能耗低、操作簡單、維修方便、產(chǎn)品粒度均勻等優(yōu)點(diǎn)，但具有工作噪音大、對(duì)研磨機(jī)械零件產(chǎn)品質(zhì)量性能要求高[6]。

3 超細(xì)粉體深加工技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)今，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民對(duì)各類工業(yè)和民用產(chǎn)品性能要求越來越高，提升生活質(zhì)量的意識(shí)愈來愈普及，因此，與人們生活相關(guān)的各化工技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)各類非金屬礦超細(xì)粉體材料的性能提出了更高要求，使得粉體深加工技術(shù)引起科技界的廣泛重視，要獲得物理和化學(xué)性能優(yōu)異、適用性廣泛的超細(xì)粉體，對(duì)超細(xì)粉體表面進(jìn)行改性處理是目前最重要的粉體深加工技術(shù)之一，主要包括物理、化學(xué)表面改性、粉體復(fù)合加工。對(duì)于表面改性技術(shù)，主要應(yīng)用的方法有表面熱處理、表面涂覆物理改性法、氣相沉積改性法、高能改性、微波改性和等離子改性法等方法[7]。

3.1 熱處理

熱處理技術(shù)是主要針對(duì)金屬類粉體表面進(jìn)行改性處理的技術(shù)，其中有滲碳、滲氮、碳氮共滲以及回火、淬火、退火等等熱處理改性技術(shù)。通過熱處理，改變了材料表面層的相組織形態(tài)、類型以及成分。提高了材料硬度、韌性以及抗疲勞、潤滑、耐磨損等性能[8]。

3.2 表面涂覆

金屬粉體材料對(duì)精細(xì)化工技術(shù)升級(jí)和促進(jìn)有色金屬行業(yè)發(fā)展具有重要意義，因此對(duì)金屬材料表面處理以適應(yīng)工業(yè)上的應(yīng)用要求，也愈加迫切。表面涂覆就是利用多種方法，在基體材料表面獲得一定厚度的性能優(yōu)異的表層材料，常見的涂覆方法主要有：濕式陰極電鍍法、濕式陽極電鍍法、化學(xué)電鍍法（如：用氧化磷酸鹽及氧化鉻酸鹽進(jìn)行電鍍）、熱浸渡法、噴鍍法等方法[9]。

3.3 物理氣相沉積法

物理氣相沉積法（PVD）是應(yīng)用其他方法在各種低溫下不能得到表面涂層，而采用的一種方法。將各種金屬粉體或其離子化合物，在真空中蒸發(fā)，進(jìn)而將這些金屬離子氣體直接沉積在材料的表面，從而形成金屬涂覆膜，目前常用的有真空鍍膜法、濺射法[10]。

3.4 化學(xué)氣相沉積法（CAD）

CAD處理方法是利用各種反應(yīng)體系在氣相中產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，所合成的化合物在基體材料表面沉積形成一層表面涂層的方法，廣泛應(yīng)用于各種物質(zhì)：有機(jī)碳化物、氮化物或者氧化物等的沉積。主要包括熱CAD法、光CAD法、等離子體CAD方法。與這種方法的效果相比PAD方法更優(yōu)良，加工溫度更高，且表層材料和基體材料間的相容性更好。但CAD處理后的材料存在易變形的缺點(diǎn)[11]。

3.5 WPC強(qiáng)化處理技術(shù)

WPC強(qiáng)化處理技術(shù)是利用高速微粒子撞擊基體材料表面，從而獲得高硬度表面涂層材料的方法。在100m/s以上的高速微細(xì)顆粒的撞擊下，基體材料表面附近的氣體溫度快速上升并達(dá)到了A3相轉(zhuǎn)變（臨界）點(diǎn)以上，從而使基體材料產(chǎn)生馬氏體化相變、組織致密化，可直接獲得一種高硬度、高韌性的復(fù)合材料。通過急冷急熱的一個(gè)反復(fù)處理，使材料微細(xì)化、有效延長壽命。

3.6 高能改性法

隨著現(xiàn)代制備技術(shù)和自動(dòng)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，粉體表面改性技術(shù)和操作工藝也得到了很快的發(fā)展，促進(jìn)了工業(yè)化制品的質(zhì)量提升。該方法主要是在輻射紫外線、紅外線、電暈電磁放電、等離子體電磁輻射和其他電子束電磁輻射的綜合作用下，對(duì)金屬粉體材料進(jìn)行表面化學(xué)改性的一種方法。如：在低溫條件下，經(jīng)過ArC3H6等離子處理的碳酸鈣，能有效改變碳酸鈣的表面化學(xué)特性，增加了非極性基團(tuán)的含量，同聚丙乙烯和聚苯乙烯等高聚物的相容性[12]。在強(qiáng)烈紅外線的照射下，在炭黑表面能接枝聚苯乙烯等聚合物可大大提高炭黑在液相介質(zhì)中的分散性。

3.7 微波輔助改性

微波輔助改性是在加熱的條件下，材料表面分子和和微波相互作用，來實(shí)現(xiàn)材料表面分子的化學(xué)改性的方法。在分子反應(yīng)水平，極性分子物質(zhì)能夠吸收不同能量的微波再轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱能。根據(jù)不同的改性劑（無機(jī)酸、堿和鹽），結(jié)合微波技術(shù)，可分為微波輔助酸、堿和鹽改性方法。在生物炭制備技術(shù)中，結(jié)合微波輔助改性，可以大大增加活化炭表面的吸附點(diǎn)，增強(qiáng)活性炭材料在環(huán)境方面的應(yīng)用能力，提高了對(duì)有害化學(xué)物質(zhì)的吸附能力[13]。在微波輻射的條件下，多孔二氧化硅表面被激活氧化，在水介質(zhì)作用下，表面各種羥基的含量明顯增加。在微波輔助改性中使用的表面化學(xué)改性劑，除了無機(jī)酸、堿、鹽外，還包括有機(jī)酸（金屬鹽）、偶聯(lián)劑和各種有機(jī)表面化學(xué)活性劑。目前，大部分表面改性劑我國可實(shí)現(xiàn)自給自足，但品種相對(duì)較少，與超細(xì)粉體表面改性的需要還有一定差距。

3.8 等離子體改性

等離子體是物質(zhì)的第四種狀態(tài)，其中含有電子、離子、原子、光子等高能粒子，，這些高能粒子作用在材料表面，將改變材料表面的性質(zhì)，尤其在聚合物材料改性領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用，如：可發(fā)生熱侵蝕、蒸發(fā)、交聯(lián)、降解和氧化等化學(xué)過程[14]。

對(duì)于非金屬礦超細(xì)粉體的表面改性，目前仍存在的一些核心問題：

ⅰ、勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低，創(chuàng)新性技術(shù)缺乏，難以適應(yīng)大規(guī)?；a(chǎn)的需求。

ⅱ、工藝操作復(fù)雜，一般不適用于各種小規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

ⅲ、大部分改性設(shè)備為間歇式設(shè)備，存在加熱效果差、產(chǎn)量低、能耗高、自動(dòng)化程度低、易造成環(huán)境污染等一些問題。連續(xù)性加熱改性設(shè)備和國外同類型產(chǎn)品還存在明顯差距[15]。此外，自主創(chuàng)新能力差，設(shè)備大多從其他行業(yè)引進(jìn)。尤其一些關(guān)鍵零部件和設(shè)備，如：無高速渦輪加熱溫控器、沖擊式高速渦輪式研磨機(jī)、臥式渦輪加熱高速混合器、反應(yīng)釜溫控?cái)嚢璺磻?yīng)器等[16]。

4 我國非金屬礦粉體深加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 超細(xì)粉碎技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)

隨著高新技術(shù)和新材料的發(fā)展，對(duì)各種超細(xì)粉體產(chǎn)品需求不斷增加，對(duì)粒度劃分、形狀、純度、環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約提出了嚴(yán)格要求[6]。目前，超細(xì)粉體市場(chǎng)需求量快速增長，每年達(dá)近100萬的需求量，因此，對(duì)超細(xì)粉體生產(chǎn)技術(shù)提出更高要求如，一些應(yīng)用領(lǐng)域要求粉體尺寸達(dá)幾個(gè)μm：常用的球磨機(jī)無法達(dá)這個(gè)水平。因此，需要規(guī)?；⒅悄芑呐涮自O(shè)備，來生產(chǎn)并穩(wěn)定單位產(chǎn)品質(zhì)量，還有些應(yīng)用領(lǐng)域，要求特除晶型和功能的粉體，如針狀、片狀和具有韌性的粉體，這些特除要求就需要特除設(shè)備來生產(chǎn)[17]。

發(fā)展趨勢(shì)：

①政府主導(dǎo)、企業(yè)參與：順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)降低能耗和節(jié)能減排的目標(biāo)之下，達(dá)到超細(xì)粉碎技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)[3]。

②發(fā)展小型化、微型化的超細(xì)粉碎設(shè)備：就市場(chǎng)信息反饋而言，超細(xì)粉碎市場(chǎng)仍缺乏小型和微型設(shè)備，因?yàn)樵诤娇蘸教?、生物工程、醫(yī)療制藥等科研和應(yīng)用領(lǐng)域，微型化超細(xì)粉碎設(shè)備有廣泛市場(chǎng)。

③實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益雙雙豐收的企業(yè)經(jīng)營管理模式;隨著人民的環(huán)境保護(hù)權(quán)益意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)增加資源環(huán)境綜合利用率的要求更加迫切，因此，制造對(duì)資源環(huán)境影響小、又具有良好的經(jīng)濟(jì)效益的超細(xì)粉碎設(shè)備是目前生產(chǎn)企業(yè)的緊迫任務(wù)，企業(yè)在研發(fā)設(shè)備時(shí)，要充分考慮與周圍社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展、更新管理理念，創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益雙豐收的經(jīng)營管理模式，加快對(duì)廢棄物產(chǎn)量少、原材料消耗少、單位能耗少的制造技術(shù)的研發(fā)投入[4]，開發(fā)多功能一體化設(shè)備，提升設(shè)備運(yùn)行效率。

④進(jìn)一步提升檢測(cè)技術(shù)

超細(xì)粉碎粒度檢測(cè)與控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超細(xì)粉工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的重要條件之一。首先，檢測(cè)儀器設(shè)備類型和相關(guān)檢測(cè)條件對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。其次，要準(zhǔn)確無誤地對(duì)超細(xì)粉體尺寸、比表面電荷等各種特性的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，這對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)用的儀器和相關(guān)條件要求極其嚴(yán)格。尤其是連續(xù)化生產(chǎn)，是否實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)地對(duì)產(chǎn)品細(xì)度和質(zhì)量的全自動(dòng)控制，將成為是未來的主要發(fā)展方向[3]。

⑤加強(qiáng)新型粉碎設(shè)備技術(shù)的研發(fā)

在充分借鑒其他相關(guān)學(xué)科知識(shí)的理論基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同學(xué)科交叉領(lǐng)域研究和技術(shù)融合。為了充分適應(yīng)不同超細(xì)物料，對(duì)合成設(shè)備粉碎性能的不同要求，積極探索應(yīng)用化學(xué)物理合成粉碎法技術(shù)等其他非機(jī)械力的超細(xì)物料粉碎設(shè)備技術(shù)[4]。

⑥加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力：在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)優(yōu)化工藝流程，不斷創(chuàng)新、提高新技術(shù)開發(fā)能力，開發(fā)、綠色環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排、附加值高的超細(xì)粉碎機(jī)械設(shè)備。不斷加大同國內(nèi)對(duì)外超細(xì)粉碎企業(yè)自主創(chuàng)新技術(shù)交流合作，積極學(xué)習(xí)國外優(yōu)秀的先進(jìn)技術(shù)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，逐步提高自主創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)能力。將現(xiàn)代三維設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用到超細(xì)粉碎產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)超細(xì)粉碎設(shè)備的轉(zhuǎn)型升級(jí)，縮短產(chǎn)品周期，利用信息網(wǎng)絡(luò)加速技術(shù)創(chuàng)新，再制造產(chǎn)品的知識(shí)含量和信息含量的組合是競(jìng)爭力強(qiáng)弱的內(nèi)在因素[3]。

4.2 表面改性的發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國現(xiàn)代高分子技術(shù)和新材料制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是現(xiàn)代功能性新材料制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，非金屬礦物粉體表面改性產(chǎn)品逐漸興起。非金屬礦物粉體表面改性后，應(yīng)用性能和經(jīng)濟(jì)價(jià)值都會(huì)得到很大提升，也能夠迎合現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)節(jié)能環(huán)保的需求，這一領(lǐng)域目前已成為最具市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域之一。因此，對(duì)粉體表面改性，越來越受到相關(guān)技術(shù)人員的高度重視。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在未來的10年里，表面改性產(chǎn)品將以10%左右的平均速度持續(xù)增長，所以表面改性技術(shù)的市場(chǎng)前景廣闊[17]。

發(fā)展趨勢(shì)：

①基礎(chǔ)理論研究：為實(shí)現(xiàn)粉體涂層表面快速改性，要對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)方法與技術(shù)進(jìn)行重大改進(jìn)，嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量控制，大大降低生產(chǎn)成本。研究分析改性理論，創(chuàng)新改性技術(shù)，提升實(shí)際應(yīng)用的效果，開發(fā)功能型、特色型和高附加值型產(chǎn)品。

②研究成本低、效能高的固體改性劑。根據(jù)某些特殊的固體改性應(yīng)用要求，開發(fā)一些具有特殊應(yīng)用功能的固體改性劑，以增加表面活性劑的種類和性能。首先，通過這些技術(shù)革新可以降低生產(chǎn)過程成本。其次，充分利用中國化工材料科學(xué)和"互聯(lián)網(wǎng)+"的各種大數(shù)據(jù)信息技術(shù)，研究開發(fā)各種應(yīng)用性能好和低成本的新型表面改性劑。適應(yīng)于特殊領(lǐng)域[18]。

③發(fā)展智能化表面改性技術(shù)。為了降低改性劑的用量，實(shí)現(xiàn)改性的單分子層面吸附、、提高改性產(chǎn)品的質(zhì)量，可以充分運(yùn)用遠(yuǎn)程智能控制技術(shù)和自動(dòng)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)對(duì)重要的質(zhì)量數(shù)據(jù)和用量數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的自動(dòng)控制[18]；例如：鋁的表面改性需要高溫加熱，要消耗大量電能和熱能，所以，要降低能耗首先優(yōu)化表面改性的設(shè)備和工藝，在降低能耗方面顯得尤為重要，因?yàn)椤?/p>

④加大自主創(chuàng)新力度，研發(fā)連續(xù)式改性技術(shù)：開發(fā)大型連續(xù)粉體表面改性集成制造技術(shù)，對(duì)非金屬礦物粉體表面改性技術(shù)提高和深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要推動(dòng)作用[19]。例如：在超細(xì)碳酸鈣應(yīng)用領(lǐng)域，SLG型連續(xù)式干法粉體表面改性機(jī)，在國內(nèi)率先具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在輕質(zhì)碳酸鈣的工業(yè)化生產(chǎn)以及干法連續(xù)表面改性技術(shù)中也已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位[20，21]。

⑤改進(jìn)處理工藝過程，發(fā)展簡單工藝與“復(fù)合”工藝相結(jié)合的處理工藝手段。為了在同一種工藝過程中達(dá)到多元化的目的，需要將晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和表面改性結(jié)合在一起。例如：表面活化和超細(xì)粉碎等過程一體化完成，達(dá)到粒子活化和超細(xì)化。

⑥制定新評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法：為了提升表面改性應(yīng)用效果，建立切實(shí)可行的科學(xué)評(píng)價(jià)方法[19]，通過建立規(guī)范的檢測(cè)表征方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以大大減輕技術(shù)人員的工作量和提高改性工藝和配方應(yīng)用的可行性，甚至可以通過利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)，大數(shù)據(jù)手段重新設(shè)計(jì)改性工藝和配方，到達(dá)最佳的應(yīng)用性能[16]。

5 結(jié)論

隨著我國社會(huì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)資源礦物粉體行業(yè)發(fā)展提出了更高要求，這也促進(jìn)了超細(xì)粉碎設(shè)備制造技術(shù)和粉體改性技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)粉體物理化學(xué)性質(zhì)、應(yīng)用性能和加工技術(shù)的不同，非金屬礦物粉體可分為超微細(xì)破碎粉、細(xì)微超細(xì)粉和細(xì)粉三種。對(duì)于超微細(xì)破碎粉，需要同時(shí)采用物理或機(jī)械化學(xué)加工方法對(duì)其進(jìn)行分級(jí)加工。

目前，對(duì)粉體粉碎常采用干法、濕法和干濕混合三種方法，利用的各種振動(dòng)式磨機(jī)、沖擊式振動(dòng)磨機(jī)、氣流式磨機(jī)、攪拌式磨機(jī)等都屬于超細(xì)粉碎研磨設(shè)備，超細(xì)粉碎技術(shù)發(fā)展在我國從上個(gè)世紀(jì)70年代末到現(xiàn)在，共經(jīng)歷了三個(gè)重要階段，從1995年至今，是超細(xì)粉碎設(shè)備技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期。粉碎分級(jí)設(shè)備在部分主要機(jī)型和生產(chǎn)工藝上和國外生產(chǎn)設(shè)備類型相差不大，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自給自足，但是，仍存在不少的差距：主要表現(xiàn)在設(shè)備品種不多、單位能耗高、設(shè)計(jì)投入少：相關(guān)的基礎(chǔ)研究深度不夠。

要實(shí)現(xiàn)超細(xì)粉體的最大綜合利用率，提升對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)值，對(duì)各類非金屬礦超細(xì)粉體材料進(jìn)行深加工，是當(dāng)前該領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向，主要包括物理、化學(xué)表面改性、粉體復(fù)合加工。對(duì)于表面改性技術(shù)，主要應(yīng)用的方法有表面物理改性法、沉積改性法、高能改性、微波改性和等離子改性法等方法。

隨著高新技術(shù)和新材料的發(fā)展，超細(xì)粉體市場(chǎng)需求量快速增長，每年達(dá)近100萬的需求量，今后重點(diǎn)發(fā)展是以政府主導(dǎo)、企業(yè)參與，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益雙雙豐收的企業(yè)經(jīng)營管理模式，進(jìn)一步提升檢測(cè)技術(shù)，加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力等方面，對(duì)于粉體改性深加工領(lǐng)域，則是加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)理論研究的同時(shí)，發(fā)展智能化表面改性技術(shù)和制定新評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法等方面。