湿法制备纳米级负离子粉体的研究及应用
李 书，葛晓陵，蒋士忠
（华东理工大学，上海 200237）
摘要：详细论述了超细湿法加工制备纳米级功能负离子的原理和方法，且介绍了纳米级功能负离子的性质、功能及其在工程中的应用。
关键字：纳米；电气石；制备
0引言
　　纳米颗粒的制备是纳米技术研究中的重要组成部分。目前，纳米颗粒的制备大多采用化学法，通过控制化学反应生成的速率来达到控制颗粒生核、长大及其粒径分布。对单一元素的纳米颗粒制备也有通过高温加热使之从回转变为液相、气相，然后控制快速冷却、雾化等方法制备纳米颗粒。这些工作，为纳米材料从实验室走向市场打下了基础。然而，我国真正走向市场的纳米材料目前仍不多。除了材料制备工艺本身不完善外，还受材料性能、储存、使用中的分散，以及它的市场价位等诸多因素的影响。另外，在工业放大时还存在着放大难、成本高、产率低、副产品多，甚至还有污染等。在超细材料的制备工艺中，除了化学法外，还有物理法，即高速粉碎的方法。它是通过高速粉碎使矿物由大变小，直至超细。这种方法，价格低廉、工艺简单、无污染、易工业放大，是目前我国非金属矿产资源加工的主要方法，也是我国近年来发展最为迅速的超细加工工艺。然而，这种加工方法仅能将颗粒粉碎到微米级或亚微米级，达到纳米级是世界超细加工领域一直追求的目标。本文选择被超细加工的对象为电气石。电气石是我国云南、新疆等地区特有的宝石级矿藏。它有一种特殊的功能，即热电效应。在接受周围能量时，它能够和周围环境能量交换，电离周围空气，激发空气中电子的放出，从而产生负离子，即空气负离子。空气负离子被喻为空气维生素，或生长素，是人类提神醒脑保健空气，负离子对人体健康具有极大的作用。

　　 1 纳米级负离子的制备采用湿法超细加工的方法。湿法超细加工与干法超细加工相比，具有加工成本低、工艺参数易控制等优点。湿法分级可获得粒度很细的产品，而且产品的粒度分布范围可控制的比较窄。主要运用离心力分级原理，采用离心机作为主要的分级设备，通过控制适当的工艺条件及分离粒径实现固体悬浮液中固体颗粒的分级。该机的结构原理如图1所示。离心机内单个颗粒的运动轨迹受力如图2所示。
　　分级时，含固体颗粒的悬浮液从离心机顶部的进料口沿中心管向下运动，进入下腔，在旋转离心力的作用下，均匀地以稳定的速度进入以角速度为W高速旋转的转鼓内，当大颗粒进入转鼓时，大颗粒因质量大，离心力大，较易克服和摆脱拽滞阻力，且受布朗运动的影响小，可在较短的时间内获得较大的离心加速度而率先达转鼓内壁边缘沉降。而小颗粒虽然在离心力场中径向运动能力也等到了加强，但加速慢，受滞阻力和布朗运动的影响较大，到达转鼓内壁边缘所需的时间长，这样当同一物质的颗粒群沿轴向运动到转鼓上出料口时，粒子在转鼓内运动的最终结果是：到达转鼓壁边缘的大颗粒因附壁而发生沉降，在分离腔内液体中的其它颗粒，则按粒径的大小从转鼓到轴心依次分布。
为研究方便，提出如下的假设进行简化：

超细粒子是单一的球体；

　在离心力场中，颗粒在轨迹上任意一点相应半径R处的力与离心力处于随机变化过程，并忽略惯性力的影响；

液体的轴向运动为活塞流，并忽略端效应，同时颗粒与液体间没有滑动，流体与转鼓间无相对运动；

则离心分级机内粒子P受到的离心力Fc为
　　上式表明，对于一定的颗粒及一定的介质，其受到的离心力随旋转半径R和旋转角速度W增大而增大，W的增大效果最明显。在离心沉降过程中，同一颗粒所受到介质的阻力F9为：

式中：m—粒子质量（kg）;
R—粒子的径向位置（m）；
d—颗粒直径(m)；
Ps—粒子的浓度(kg/m3)；
Po—介质密度(kg/m3);
W—分级腔的旋转角速度(rad/s);
K—阻力系数；
Vx—颗粒的径向运动速度(m/s);
　　当介质的阻力与离心达到达到平衡时，颗粒在离心力场的沉降速度最大值且为恒速Vox,Vor可由下式导出：Fc=Fp
固体颗粒的离心沉降速度Vox可用下式表示：
层流区

式中：Vox—颗粒的离心沉降速度(m/s);
Vt—颗粒的重力沉降速度(m/s)；
Fx—分离因数；
R—颗粒相对于转轴中心的径向位置（m）；
W—转鼓的旋转角速度(rad/s)；
D—颗粒的直径(m)；
N—液体介质的粘度(Pas);
g—重力加速度(m/s2);
Ps—固相密度(kg/m3)；
Po—流体密度；
　　离心分级机内的流场可为过渡区和湍流区，在这两个区内的颗粒沉降速度各不相同。
由于在液体中的运动的细微颗粒具有很低的沉降雷诺数，如果进料浮流中固相质量分数很低，颗粒之间的作用可以忽略，则可认为颗粒处于层流区。据此假设，可推出颗粒从分级转鼓进料口沉降到转鼓内壁时间t为：

式中：R2——转鼓的旋转半径（m）;
R1—转鼓内液体进料处的旋转半径（自由液面半径）（m）；
颗粒在转鼓内的停留时间t0为
To=V/Q
式中：Q—液体的流量(m3/h);
V—转鼓的有效容积（m3）；
　　要使粒径小于d的粒子能从转鼓流出，就必须使直径为d的颗粒从进料点经分离区到达转鼓内壁而沉降的时间，恰好等于颗粒在转鼓内的停留时间，即

　　由于通常分级时采用水为液体介质，且分级机是固定的，因此上述式中V、R2、R1、n、P0都是定值。对上式进行处理可得出的颗粒直径为：

　　从上述诸式均可得出：对于确定的物料，可以通过改变分级机的转速和流量来控制流出颗粒的直径，从而实现超细物料的分级。
　　离心分级机用于超细粉体分级时，必须以水作为介质，而且必须将超细粉体均匀地分散于水中制成悬浮液才可进行分级处理。其分级时的工艺流程见图3。

　　本文通过湿法加工中各个操作参数的变化以及助磨剂的选择，将320目的负离子电气石颗粒加工到2um以下，其中会产生一定量的0。1um以下的纳米超细颗粒。先将电气石与磨球按一定比例放入球磨机磨一定的时间后，取出将其置入离心机中，采用高速离心固/液分级技术，将1um以下的固/液混合物分级出来，然后再经过二次分级，将0.1um以下的纳米颗粒分级出来。采用特种固/液分离技术，将经过二次分级后的纳米超细颗粒和液相分离。由于很细，悬浮在液相中很难再分离，再加上经过二次分级后，固/液含量比很小，一般压滤、离心的方法很难得到高质量分数的纳米颗粒滤饼。采用特殊的分离方法，可将固/液比提高到0.4~0.7以上，然后直接进行干燥处理。
　　用LS激光粒度分析仪测出的电气石样品的平均粒度约为0.117um左右，纳米级颗粒（≤100nm）的何种百分比约占总何种的30%左右。
2 负离子的工程应用
　　纳米负离子粉体具有很大的市场前景：

　　它可以添加在化纤中，织成纤织物，做成人体服饰，在人体能量的作用下，不断地产生负离子。对促进人体皮肤新陈代谢、提神醒脑、消除人体异味，具有一定作用。它是我国功能性保健服饰的发展方向。例如将负离子超细粉体制成母粒在纺丝时加到纤维中即可制成各种规格的负离子功能纤维，与棉纺制成袜子、内衣等，纺成无纺布制成保健保暖内衣，作为枕头、被子、床垫的填充料，交织后制成室内装饰材料等。例如由于负离子纤维具有清除异味、良好的远红外辐射及保暖率，当制成七孔负离子纤维时纤维的蓬松度大大提高，在羽绒制品上可以替代部分羽绒。将七孔负离子制成一定厚度的无纺布作为羽绒制品的内衬，外部填充羽绒，覆上内外面料即制成了具有七孔负离子高蓬松的羽绒制品。此外，它还可以做成各种纤维装饰面料，对保持室内清新，消除室内烟、油味具有一定作用。

　　可以添加到油漆、涂料、木板粘剂中，对促进甲醛的释放，保持室内装修后空气的清新，不断释放负离子等具有一定的作用。因此，经过添加纳米负离子处理的油漆、涂料等新产品是我国室内装修业发慌绿色环保产品的主要方向之一。
若将该工艺推广到非金属矿行业，尤其是纳米高岭土、纳米碳酸钙等行业，就可在非金属矿深加工领域翻开新的一页。直接通过粉碎分级工艺来达到纳米级的技术目前在世界上尚未见报道。

　　3 结语纳米级功能负离子的制备技术难点是在二次超细分级技术中，将超细加工的负离子电气石粉体分级到0.1um以下。以及在固/液分离技术中，将经过分级后含纳米颗粒的低质量分数固/液提高到0.4~0.7之间，进行烘干（或喷雾干燥）。影响离心分离机分级效果的因素很多，其主要因素有：物料的特性、工艺条件及设备结构等，其中工艺条件影响最明显，关键是悬浮中固体颗粒的质量分数、进料流量、分级机的转速等参数的影响。我们将在今后的实验和生产实践中不断的摸索、探究、总结经验，寻找出各控制因素与影响因素的最佳结合点，旨在使纳米级功能负离子的生产扩大化，探索生产性能优良并具有经济意义的纳米材料。