Измельчение как способ получения наноразмерных материалов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Общетехнические дисциплины
Год издания: 2013
Кол-во страниц: 33
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
Артикул: 620291.01.99
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 28.03.01: Нанотехнологии и микросистемная техника
- 28.03.02: Наноинженерия
- 28.03.03: Наноматериалы
- ВО - Магистратура
- 28.04.01: Нанотехнологии и микросистемная техника
- 28.04.02: Наноинженерия
- 28.04.03: Наноматериалы
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИИ» (ФГБОУ ВПО «МГУДТ») ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ КАК СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Методические указания. Учебно-методический комплекс по направлению подготовки 240100.68 Химическая технология Москва 2013
УДК 621.3 (075) И 37 ИЗ7 Измельчение как способ получения наноразмерных материалов: Методическое пособие./ Сост. Серенко О.А., Полухина Л.М., Евсюкова Н.В., Островский Ю.К. - М.: РИО МГУДТ, 2013.-32 стр. Рецензент: проф. Родэ С.В. (ФГБОУ ВПО «МГУДТ») Методические указания предназначены для обучающихся по направлению подготовки 240100.68 Химическая технология очной формы обучения и будут использованы при изучении дисциплины «Механо-химические методы получения наноразмерных частиц и наноматериалов». Методическое пособие включает введение, теоретические основы процесса измельчения, описание оборудования, используемого для получения наноразмерных материалов, математическое описание энергозатрат процесса измельчения. В конце работы представлена тематика практических занятий и контрольные вопросы по теме. Пособие позволяет расширить представления обучающихся о возможности и способах получения наноразмерных материалов, более детально познакомиться с оборудованием, применяемым для измельчения. УДК 621.3 (075) Подготовлено к печати на кафедре технологии полимерных пленочных материалов и искусственной кожи. Печатается в авторской редакции.
СОДЕРЖАНИЕ Стр. Основные определения и термины 2 Введение 4 1 Общее назначение и классификация способов 5 измельчения 2 Оборудование для тонкого измельчения 8 3 Криогенное измельчение 16 4 Альтернативные методы получения высокодисперсных 17 материалов 5 Теоретические основы измельчения 19 6 Математическое моделирование измельчения 23 7 Некоторые примеры нанопорошков, полученных 26 методом измельчения 8 Практические занятия 28 9 Контрольные вопросы 28 10 Список рекомендуемой литературы 29 з
Основные определения и термины Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы (зёрна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100нм; Нанотехнологии - технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы; Нанообъекты (наночастицы) - объекты (частицы), имеющие характерный размер приблизительно в 1-100 нанометров хотя бы по одному измерению; Нанопорошки - это порошки с характерными наноразмерами, при которых скачкообразно меняются какие-то их свойства; Нанокомпозиты - многофазные твердые материалы, где хотя бы одна из фаз имеет средний размер кристаллитов (зерен) в нанодиапазоне (до 100 нм), или структуры, имеющие повторяющиеся наноразмерные промежутки между различными фазами. Эти структуры составляют композит; Наноструктурированные материалы - конденсированные материалы, полностью или частично состоящие из структурных элементов (частиц, зерен, кристаллитов, волокон, прутков, слоев) с характерными размерами от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров; Диспергирование - тонкое измельчение твёрдых тел или жидкостей, в результате чего получают порошки, суспензии или эмульсии (эмульгирование, или эмульгация). При диспергировании твердых тел происходит их механическое разрушение; Дезагрегация - процесс, обратный агрегации, разрушение, разделение или распад чего-либо на отдельные части; Агрегация - процесс слипания с образованием агрегата; Сегрегация - процесс, приводящий к разделению смесей на отдельные фракции или компоненты; 4
Зёрна - однородная часть твердого тела, имеющая отчетливо различимые границы, наблюдаемые при помощи оптической или электронной микроскопии; единичный элемент поликристаллического материала; Монокристал - отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств; Кристаллические сростки - в широком смысле сростки кристаллов друг с другом. Различают сростки кристаллов одного и того же вещества и различных веществ, закономерные, полузакономерные, или приближенно-закономерные и незакономерные; WC-Co - композиционный гетерогенный материал, состоящий из вольфрама, углерода и кобальта; Плазма - частично или полностью ионизованный газ, образуемый в результате термической ионизации атомов и молекул при высоких температурах, под действием электромагнитных полей большой напряженности; Преципитация - осаждение (от лат. praecipitatio -стремительное падение вниз); Лазер - устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, химическую, тепловую и др.) в энергию когерентного электромагного излучения, в основе работы лазера лежит процесс вынужденного испускания электромагного излучения (фотонов) атомами и другими квантовыми системами, находящимися в возбужденных состояниях; Кавитация - образование газовых пузырьков в жидкости; Легирование - введение в металлический расплав или шихту элементов, повышающих механические, физические и химические свойства основного металла; Интерметаллиды - химические соединения двух или нескольких металлов между собой; 5
Самосборка - процесс образования упорядоченной надмолекулярной структуры, в которой принимают участие элементы исходной структуры. ВВЕДЕНИЕ В настоящее время наблюдается интенсивный рост научных исследований в области создания наноматериалов и разработки нанотехнологий. Обуславливается это тем, что, обладая своеобразной структурой, наноматериалы проявляют уникальные свойства. Основные отличительные свойства наноматериалов составляют: суперминиатюрность, позволяющая на единице площади разместить большое количество функциональных нанообъектов или проникать им в недоступные для других веществ части материала; большая площадь поверхности, ускоряющая взаимодействие между наноматериалами и средой, в которую они помещены; отсутствие точечных дефектов, вследствие чего прочность наноматериалов в десятки раз превышает прочность стали. Различают два основных направления синтеза нанообъектов -«снизу - вверх» и «сверху - вниз». В первом случае нанообъекты получают из атомов, молекул и других мельчайших частиц за счёт самоорганизации и самосборки. Во втором - вещество диспергируют за счёт интенсивных механических, физических или химических воздействий. Механическое измельчение реализует принцип получения нанообъектов «сверху - вниз» и осуществляется в основном путем дробления и истирания твердых материалов. Измельчение, многократно увеличивая поверхность контакта материала, способствует ускорению разнообразных тепломассообменных и химических процессов. Перевод традиционных технологий получения порошков в разряд нанотехнологий требует решения ряда проблем. Одна из них состоит в обеспечении высокой степени измельчения. Степень б
измельчения зависит от свойств материала, типа используемого для этой цели оборудования, режимов измельчения и особенно его продолжительности. Последняя, например, для шаровых вибромельниц, которые отличаются высокой интенсивностью измельчения, может достигать 300 часов. Средние размеры частиц нанопорошков, получаемых механическим измельчением, составляют от 2 до 200 нм. При длительном измельчении возможен механохимический синтез материалов. Таким способом, например, получают нанокомпозитную смесь WC-Co при совместном помоле крупных порошков W, С и Со. В методическом пособии представлен раздел по измельчению твёрдых тел в соответствии с рабочей программой курса «Механохимические методы получения наноразмерных частиц и наноматериалов» для магистрантов, обучающихся по программе «Химическая технология наноматериалов и нанотехнологии». Рассмотрены вопросы, касающиеся физических основ и моделирования процесса измельчения; требований, предъявляемых к продуктам измельчения; представления о конструкции оборудования и примеры получения нанопорошков при тонком измельчении. Пособие включает план практического занятия по теме и вопросы по контролю степени усвоения материала. 1. ОБЩЕЕ НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ Под измельчением (диспергированием) твёрдых материалов (ТМ) понимают направленное уменьшение их размеров путём механического (реже - какого-либо иного) воздействия [1]. Общее назначение процессов измельчения: - увеличение поверхности контакта измельчаемого материала для дальнейшего осуществления ряда химических, физических, физико-химических процессов, если именно поверхность межфазного 7
контакта определяет интенсивность процесса в целом (наномодифицирование поверхности, гетерогенные катализаторы и т.д.); - применение ТМ в последующих конкретных технологических процессах, если их возможно осуществить только в тонкоизмельчённом состоянии (составление композиций и др.); выделение ("вскрытие") целевого компонента, изначально существующего в твёрдом композиционном материале (например, процессы вторичной переработки в полимерных технологиях). Процессы измельчения условно классифицируют по размерам (начальному dH и конечному dK) зёрен, кусков, частиц ТМ (табл. 1). Таблица 1. Классы измельчения твёрдых материалов Класс измельчения dH, мм dK, мм крупное 1000 250 Дробление среднее 250 20 мелкое 20 1-5 грубый 1-5 0.1-0.04 Помол средний 0.1-0.04 0.02-0.015 мелкий 0.1-0.04 0.015-0.005 коллоидный <0.1 <0.001 Рис. 1. Основные способы измельчения: а — раздавливание, б — изгиб (иначе — разламывание), в — раскалывание, г—удар, д — истирание. 8
Более обоснованной является классификация по способам измельчения (Рис. 1). В измельчителях разрушение материала, как правило, происходит одновременно несколькими способами, так что следует говорить о комбинированном воздействии с преобладанием какого-либо одного или двух-трёх способов. При этом выбор способа (соответственно - типа измельчителя) определяется свойствами материала и отчасти исходным и конечным размерами. Так, для твёрдых и хрупких материалов применяют раздавливание в сочетании с раскалыванием и (или) изгибом, а для мягких и вязких предпочитают истирание в сочетании с раздавливанием и (или) ударом либо изгибом. Необходимо отметить, что изгиб и раскалывание можно реализовать по отношению к достаточно крупным исходным частицам. Чаще всего для крупного и среднего измельчения применяют машины, использующие преимущественно раздавливание, раскалывание, изгиб и удар, а для мелкого измельчения и помола -истирание и удар. Анализируя классы измельчения можно отметить, что при коллоидном помоле (dK< 0.001мм) можно получить наноразмерные частицы. 2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ Процесс измельчения включен во многие технологические схемы получения наноструктурированных материалов, так как от величины удельной поверхности зависят скорость гетерогенных химических процессов и интенсивность многих операций, сопровождающихся массообменом. От размера частиц во многом зависит однородность смешения при подготовке различных формовочных смесей, а также условия их последующего гранулирования и таблетирования. Для измельчения используют различные мельницы, выбор которых для 9
конкретных процессов определяется необходимой степенью измельчения, размером исходных частиц материала, его физико-химическими свойствами. Последние во многом обуславливают выбор способа измельчения. Материалы, подвергаемые помолу, можно условно разбить на 3 группы. Первая группа - материалы, состоящие из крупных монокристаллов и кристаллических сростков. Разрушения при измельчении происходят в основном в местах сращивания кристаллов или по плоскостям кристаллической решетки. Помол таких материалов целесообразно проводить на барабанных шаровых, вибрационных или роликовых мельницах, а для тонкого помола использовать струйные мельницы. Ко второй группе можно отнести материалы, состоящие из мелкокристаллических частиц с размером 1-5 мкм, которые образуют крупные зерна из слабоагрегированных частиц. При их измельчении происходит лишь дезагрегация материала до сравнительно крупных зерен. Для помола целесообразно использовать ударно-центробежные мельницы. К третьей группе относят материалы, содержащие спекшиеся частицы после термообработки. Для их измельчения следует применять мокрые шаровые и струйные мельницы. Конструкции, методы расчета и вопросы эксплуатации помольно-дробильного оборудования подробно рассмотрены в работах [2,3,4]. Считаем возможным в данном пособии ознакомить магистранта с принципами работы некоторых типов наиболее распространенных мельниц для тонкого измельчения. Шаровые мельницы - на них можно проводить помол не только сухих материалов, но и суспензий. В шаровых мельницах материал подвергается многократному воздействию мелющих тел (стальные, чугунные, фарфоровые, керамические шары) при вращении пустотелого барабана, частично заполненного материалом, подлежащим помолу, и мелющими телами. Мельницы (рис.2) 10
применяют для тонкого измельчения материалов первой группы, для тонкой дезагрегации материалов третьей группы в виде водных суспензий. Достоинство шаровых мельниц: простота устройства, удобства в эксплуатации, высокая однородность получаемых смесей. Недостатками являются большая продолжительность процесса (существенно увеличивается загрязненность материала продуктами износа шаров), затрудненность тонкого измельчения, недостаточное использование объема кюветы (40-45%), неоднородность размеров частиц размолотого материала. Рис. 2. Шаровая мельница, предназначенная для сухого помола Вибрационные мельницы представляют собой частный случай шаровой мельницы. Вибрационные мельницы состоят из цилиндрического барабана, совершающего 3000-6000 колебаний в минуту с небольшой амплитудой. Барабан на 70-80 % загружен мелющими телами (шарики из карбида вольфрама, стали, фарфора диаметром 6-18 мм) и измельчаемым материалом. За счет ударов и истирания обеспечивают получение целевой фракции (0,03-0,1 мм) практически для любых материалов. Основной недостаток вибромельниц - малый срок службы корпуса, опор, большой разогрев и шум во время работы. В усовершенствованных вибромельницах, барабаны небольшого 11