Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Измельчение как способ получения наноразмерных материалов

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 620291.01.99
Серенко, О. А. Измельчение как способ получения наноразмерных материалов [Электронный ресурс] : метод. пособие / О. А. Серенко, Л. М. Полухина. - Москва : РИО МГУДТ, 2013. - 33 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/474732 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
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