粉体加工技术的研究与进展

粉体加工技术的研究与进展

摘要:非金属矿物粉体是现代新材料的重要组成部分之一, 在现代产业发展中起重要作用。二十多年来, 我国非金属矿物粉体的加工技术有了显著进步。非金属矿物粉体工业已形成相当的规模, 各类非金属矿物粉体的年总产量达上亿吨, 已经在高技术新材料产业以及造纸、塑料、橡胶、涂料、建材、冶金、轻工、化工等传统产业及环保产业得到广泛应用。未来非金属矿物粉体加工技术的发展趋势是以市场为导向, 以提升非金属矿物材料的功能或应用性能为目的, 发展新方法、新工艺和新设备。

关键词：粉体加工；非金属；环境保护

1.现代产业发展与非金属矿物粉体材料

现代科技革命和产业发展，尤其是高技术和新材料产业的发展开创了广泛应用非金属矿物材料的新时代，功能性非金属矿物粉体材料已视为新材料的重要组成部分之一，在现代产业发展中起重要作用。

进人21世纪，化工、机械、能源、汽车、轻工、冶金、建材等传统产业将引人新技术和使用新材料，进行技术革新和产业升级。这些技术进步与产业升级也与非金属矿物粉体材料密切相关。例如，造纸工业的技术进步和产品结构调整需要大量高纯、超细的重质碳酸钙、高岭土等高白度非金属矿物颜料和填料;高分子材料(塑料、橡胶、胶戮剂等)

的技术进步以及工程塑料、塑钢门窗等高分子基复合材料的兴起需要数以百万吨计的超细和活性碳酸钙、高岭土、滑石、针状硅灰石、云母、透闪石、二氧化硅、氢氧化镁、氢氧化铝等功能填料;汽车面漆、乳胶漆等高档油漆以及防腐蚀和辐射、道路发光、吸波等特种涂料需要大量的珠光云母、着色云母、超细和高白度碳酸钙、超细二氧化硅和玻璃微珠、针状超细硅灰石、超细和高白度锻烧高岭土、有机膨润土等非金属矿物颜料、填料和增勃剂;冶金工业的技术进步和产品结构调整需要高品质的以硅线石、红柱石、蓝晶石等高铝矿物为原料的高铝耐火材料和以镁(菱镁矿)和碳(石墨)为原料的镁碳复合材料;新型建材的发展需要以硅藻土、超细石英粉、石灰粉、针状硅灰石等为原料的微孔硅钙板、膨胀珍珠岩、轻质保温隔热材料，等等;石化工业的技术进步和产业升级需要大量具有特定孔径分布、活性和选择性好的沸石和高岭土催化剂、载体以及以膨润土为原料的活性白土;机电工业的技术进步需要以碎云母为原料制造的云母纸和云母板绝缘材料、高性能的柔性石墨密封材料、石墨盘根;汽车工业的发展需要大量以石棉、石墨、针状硅灰石等非金属矿为基料的摩擦材料和以超细碳酸钙、高岭土、珠光云母等为颜料和填料的汽车专用涂料;功能性化学纤维的发展需要金红石(二氧化钦)、二氧化硅、氧化铝、云母、电气石、石墨等超细、分散性和相容性好的非金属矿物填料。

环境保护是人类21世纪面临的重大挑战之一，它直接关系到人类的生存和经济社会的可持续发展。随着人类环保意识的增强和全球环保标准及要求的提高，环保产业将成为21世纪最重要的新兴产业之一。

许多非金属矿物材料，如硅藻土、沸石、膨润土、凹凸棒石、海泡石等经过加工(提纯、表面处理和复合)具有选择性吸附有害及各种有机和无机污染物的功能，而且具有原料易得、本身不产生二次污染等优点。因此，环保产业将是21世纪非金属矿物粉体材料的另一个重要应用领域。

2.我国非金属矿物粉体材料的加工应用现状

非金属矿物粉体材料，尤其是功能性超细粉体材料的大规模生产和工业应用始于第二次世界大战之后。由于工业化进程滞后于工业发达国家，我国非金属矿物粉体材料的大规模生产和工业应用实际是从20世纪70年代末或80年代初开始的。经过二十多年的发展，尤其是90年代以来的发展，我国非金属矿物粉体材料的加工和应用已形成相当的规模。在普通或大宗产品方面不仅能基本满足国内市场所需，而且还能出口创汇。应该看到, 我国非金属矿物粉体工业, 虽然规模较大,在国家的经济建设中起到不可或缺的作用, 但是, 它的科技含量和产品档

次还不高, 我国仍有一些非金属矿物粉体, 特别是与现代高技术和新

材料发展相关的非金属矿物深加工粉体产品要依赖进口。特别一提的是我国是目前世界上石墨产量和出口量最大的国家, 如此高的进口增长

速度说明我国石墨深加工或制品不能满足国内市场所需。目前我国非金属矿物粉体材料的基本现状是:

(1)矿石的粉碎与分级(包括超细粉碎和精细分级)、矿物选矿提纯、矿物粉体的表面或界面改性、脱水干燥、造粒技术与设备等已基本能满足非金属矿物粉体材料加工的需要。

(2)自改革开放以来，伴随我国经济体制的改革及非金属矿应用领域、用量和国际贸易量的不断扩大，除国家归口非金属矿管理的建材部门外，我国非金属矿物粉体材料的开发和生产扩展到地矿、冶金、化工、煤炭、核工业、轻工、有色、电子、机械制造、农业等多个工业部门和各个省、市、自治区。全国各部门和各地方根据各自的需求、资源特点及市场发展，开发和生产不同品种的非金属矿产品，逐渐形成了以建材为主，各部门和各地方共同开发生产的格局。其特点是生产企业数量多，总的生产能力和产量较大，但是单个企业的生产规模相对较小。

(3)非金属矿物粉体材料已广泛应用于陶瓷、耐火材料、冶金、建材、石化、电力、电子、造纸、涂料、塑料、橡胶、食品、药品、化妆品、服装、环保等领域。

3.非金属矿物粉体材料加工与应用技术的发展趋势

非金属矿物粉体材料在现代高技术新材料中的广泛应用是以其特

有的功能为前提的，因此功能化始终是非金属矿物粉体材料的发展方向和粉体加工技术永远追求的目标。

影响非金属矿物粉体材料功能性的主要因素是结构、纯度或化学成分、粒度和形状，表面或界面的物理化学性质等。

对于非金属矿物来说，纯度在很多情况下指其矿物组成，而非化学组成;正是矿物组成决定矿物的结构。有许多非金属矿物的化学成分基本相近，但矿物组成和结构相去甚远，因此其功能或应用性能也就相差甚远，例如石英和硅藻土，化学成分虽都是二氧化硅，但前者为晶质结

构(硅氧四面体)，而后者为结构复杂的非晶质多孔结构，因此它们的应用性能或功能很不相同。矿物组成、化学成分和结构对非金属矿物材料功能的影响还与矿物的纯度有关。在很多情况下，为了充分发挥非金属矿物材料的功能，必须对矿物原料进行选矿提纯，特别是当矿物原料中杂质较多，且这种杂质对于非金属矿物材料某一主要功能有不利影响时。因此，选矿提纯技术对非金属矿物功能的发挥是十分必要的。

21世纪无论是新兴的高技术和新材料产业、环保产业还是传统产业都将对非金属矿物材料的纯度提出更高的要求。而随着非金属矿物材料纯度要求的提高，精选提纯技术的难度也将增加，另外资源的贫化和资源综合利用率要求的提高也将增加精选提纯技术的难度。因此，微细粒选矿提纯和综合力场(重力、离心力、磁力、电力、化学力)精选技术将成为未来非金属矿提纯技术的主要发展趋势，涉及的非金属矿物将包括石墨、石英、高岭土、云母、滑石、硅藻土、错英砂、硅灰石、重晶石、金红石、膨润土、萤石、硅线石、红柱石、蓝晶石、电气石等。

矿物原料的粒度大小和粒度分布及颗粒形状对非金属矿物材料的

功能或功能的发挥有很大影响，许多非金属矿物粉体材料的功能，如在高聚物基复合材料中的增强或补强性、陶瓷材料的强度和韧性、作为造纸和涂料颜料的遮盖率以及粉体材料的电性、磁性、光性、吸波与屏蔽、催化、吸附、流变、抗(杀)菌、脱色、粘结等都与其粒度大小、粒度分布及颗粒形状有关。多数非金属矿物功能性的发挥有赖于粒度大小、分布及粒形。由于超细粉体具有比表面积大、表面活性高、化学反应速度快、烧结温度低且烧结体强度高、填充补强性能好、遮盖率高等优良的

物理化学性能，因此，许多应用领域要求非金属矿物原(材)料的粒度微细(微米或亚微米);部分领域不仅要求粒度超细而且要求粒度分布范围窄。21世纪市场对各类非金属矿超细粉体材料的需求量将显著增大，因此未来粉碎与分级技术发展的重点将是超细粉碎和精细分级技术以及

特殊粒形(如片状、针状、球状等)粉体的加工技术。

非金属矿物材料的很多功能取决于矿物原料的表面或界面性质，如吸附、催化、电性、光性、流变、分散及与材料中其它组分的相容性等。矿物的表面性质既与先天因素，即矿物的组成、化学成分和结构有关，也与加工技术有关。许多应用领域都对非金属矿物材料的表面或界面性质有特殊要求，如高聚物基复合材料(塑料、橡胶、胶豁剂等)、多相复合陶瓷材料、油漆涂料、生物医学材料、化纤等要求非金属矿物粉体材料表面或界面与有机或无机基料(高聚物、陶瓷胚料、油性漆、水性漆、化学纤维等)及生物基体有良好的相容性;石化工业用的沸石和高岭土

催化剂或载体要有特定的孔径分布和较高的比表面积，4A分子筛要有一定的钙离子吸附能力，炼油脱色用的活性白土(膨润土)以及啤酒过滤用的硅藻土要有较强的表面吸附能力;用于水处理的硅藻精土对有机、无机污染物及重金属离子等有选择性吸附的能力;等等。虽然粉体材料表面改性技术的发展较晚，但由于可提高或改善非金属矿物粉体材料与填充或复合基料的相容性，对提高现代高聚物/无机复合材料、多相复合陶瓷材料、高档或特种油漆涂料、功能性纤维等的性能等具有重要意义。因此，粉体表面改性或活化技术将成为非金属矿物粉体材料最主要的深加工技术之一。

4.结语

自改革开放以来，我国的非金属工业虽然取得了很大发展，加工技术也有了很大进步，但仍然面临很多挑战。我国非金属矿深加工产业虽然有了较大的发展，但有些所谓的深加工产品却找不到市场，企业经营很困难;我们每年向国外出口大量的非金属矿产品，有些矿种的出口量居世界第一，但国内相关企业却还须进口深加工产品，有些深加工产品甚至是用我国出口的原料或初加工产品深加工后回销的。所以我国的一些企业在开发资源和上项目时，需要多注意认真研究市场、如何从产品功能上满足市场要求、如何通过应用研究挖掘和提升产品的功能和应用性能。