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 濟南 250100）

目前，隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，以及人民環(huán)保意識的增強，對循環(huán)經(jīng)濟的發(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。重金屬、硝酸鹽、農(nóng)藥及持久性有機污染物、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)過程中進行的破碎和運轉(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)，提升粉體的再生價值。通過對粉體的回收利用，制備多種復(fù)合物：多孔材料、建筑材料以及裝飾材料等等，提升其再利用價值。目前，對資源礦物粉體利用在土壤改良領(lǐng)域是一個新興發(fā)展熱點，例如：粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，未燃燒的有機物含碳量較高，易對環(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，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)濟價值。因此，充分利用這類的固廢材料，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)科技人員重點關(guān)注的技術(shù)之一。而這類粉體的加工質(zhì)量和細化程度是提高其應(yīng)用價值的重點關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中超細粉碎技術(shù)是目前該領(lǐng)域的一個重點發(fā)展方向。

超細粉碎技術(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)等超細礦物深粉碎加工，以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)不斷進步的一種工程技術(shù)。超細粉碎技術(shù)發(fā)展迅猛，在其飛速發(fā)展的同時，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，現(xiàn)已對我國高新技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重大戰(zhàn)略影響。因此，要對超細粉碎加工產(chǎn)品進一步研究強化，提高我國工業(yè)超細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)水平進一步得到提升，就要將超細顆粒粉碎加工技術(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 超細粉體的分類及制備方法

1.1 超細粉體的分類

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，我們對不同大小的細粉進行了分類，即 0.001～0.1 μm（超微細破碎粉）、0.1～10 μm（細微超細粉）和10～1000 μm（細粉）三種。由于粉碎技術(shù)上的限制，小于0.1 μm的超微細破碎粉，目前很難完全利用傳統(tǒng)機械化學(xué)粉碎法對其進行分級加工，需要同時采用其他可行的粉體物理或機械化學(xué)加工方法對其進行進一步分級加工；粉碎工業(yè)上一般主要采用各種傳統(tǒng)的粉碎或機械磨粉加工設(shè)備以及采用相應(yīng)的粉體分級加工設(shè)備等，對10～1000 μm的超細粉體物料進行分級加工；超細粉碎則定義：指對0.1～10 μm的超細顆粒粉體物料進行粉碎和采用相應(yīng)的粉體分級加工技術(shù)，廣泛的一般定義：指對10 μm各種超細粉體的粉碎和采用相應(yīng)的粉體分級加工技術(shù)，主要以機械法加工為主[1]。

1.2 超細粉體的制備方法

超細粉體的制備技術(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，使基本粒子向超細粉體顆粒進一步進行轉(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，或者采用機械粉碎的方法進一步對各種超細粉體材料進行細化。這種機械粉碎法是目前粉體工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用的超細粉體制備方法。目前，對機械粉碎法，根據(jù)超細粉碎生產(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。以高速運轉(zhuǎn)的機械自動沖擊筒式磨機、旋風(fēng)自動磨機、氣流式大型粉碎磨機為主的機械干式粉碎機等設(shè)備，還有干、濕兩用的機械旋轉(zhuǎn)筒式粉碎磨機、高壓機械射流筒式粉碎磨機、介質(zhì)物料攪拌筒式磨機等，而現(xiàn)在工業(yè)上多用濕式粉碎方式[2]。

1.3 超細粉碎技術(shù)發(fā)展歷程

上個世紀70年代末和80年代初，規(guī)?；蚬I(yè)化超粉碎技術(shù)在我國應(yīng)運而生，到目前為止，已經(jīng)有了幾十年的歷史。在這幾十年里，超細粉碎技術(shù)也逐步改進和完善：

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

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

③上個世紀九十年代中期以后，基本進入以自主創(chuàng)新開發(fā)和引進制造設(shè)備為主，引進技術(shù)為輔的發(fā)展階段。建立了許多國產(chǎn)高新技術(shù)和先進設(shè)備。我國超細粉碎設(shè)備技術(shù)與生產(chǎn)設(shè)備的研究發(fā)展主要經(jīng)歷了以上三個階段。

1995年至今，我國超細粉碎設(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)備的各項性能顯著提高，技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)基本滿足當(dāng)今時代發(fā)展的需要。超細粉碎加工技術(shù)不僅要求超細粉碎加工的粉體粒度細，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，對促進現(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世紀八十年代以來，對超細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、燒結(jié)溫度低，且加熱燒結(jié)后的固體結(jié)構(gòu)強度高、作為填充劑和補強劑，其反應(yīng)性能好，以及具有獨特的高導(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，超細粉體廣泛應(yīng)用于精細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。隨著我國對超細粉碎設(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粉體，但粉碎成本過高，至今未能廣泛應(yīng)用于超細粉體的工業(yè)化生產(chǎn)。

當(dāng)前，作為獲得高純度超細粉體的主要手段，仍然是新型機械粉碎研磨機，這種新型機械粉碎研磨機與采用顆粒粉體分級法的研磨粉碎技術(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，我國超細粉碎和分級設(shè)備加工生產(chǎn)的主要技術(shù)生產(chǎn)廠家，已達到近100多家，主要情況如下：

ⅰ、粉碎分級設(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)實現(xiàn)自給自足，尤其在氣體粉碎分級領(lǐng)域，能持續(xù)開發(fā)設(shè)計生產(chǎn)出各類新型的超細粉體的生產(chǎn)設(shè)備。經(jīng)過近二十年的堅持不懈的努力探索，已經(jīng)基本實現(xiàn)制造出各類精細分級的設(shè)備，在超細粉體發(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)的不斷進步，已經(jīng)明顯降低了超細粉碎研磨設(shè)備的綜合磨耗，并且絕大部分超細粉碎研磨設(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。能實現(xiàn)工業(yè)化、規(guī)模化超細粉體生產(chǎn)的有：活性氧化鋁、活性氫氧化鋁、氧化鎂、活性氫氧化鎂、超細粗重質(zhì)碳酸鈣、超細重質(zhì)滑石、超細重質(zhì)石墨、超粗重細高嶺土、超細重質(zhì)云母和超細重質(zhì)碳化硅等，其平均粒徑1μm左右。同時，超細粉碎設(shè)備制造技術(shù)進一步提升，達到國際水平，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：同一機型品種規(guī)格較少、系統(tǒng)化、信息化程度仍然跟不上時代需求，給專業(yè)性強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，缺乏競爭力。

ⅱ、設(shè)計投入少：一是專業(yè)人員總體數(shù)量少，二是專項研發(fā)經(jīng)費不足。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)人是搞破碎機設(shè)計的，而對粉碎機的相關(guān)理論和實踐不足；另一部分是水泥行業(yè)的研發(fā)人員，其對粉碎機的研究深度不夠。另外少量的是一些學(xué)化工機械的科技人員，主要研究壓力容器、機、泵、管、閥和儲罐，而對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)濟建設(shè)重點的轉(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、污染轉(zhuǎn)移等問題[4]：

ⅳ、缺乏國家標準和行業(yè)標準：缺乏統(tǒng)一權(quán)威的科學(xué)實驗和檢測方法，很多小型企業(yè)沒有企業(yè)標準，有的還沿用其他企業(yè)的行業(yè)標準，其原因是我國超細粉碎技術(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)間通過降低價格搶占市場，易引發(fā)惡性競爭，一定程度上妨礙了市場經(jīng)濟的良好發(fā)展。

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

2 超細粉碎設(shè)備現(xiàn)狀

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

2.1 沖擊式磨機

沖擊式研磨機是通過強烈的碰撞運動作用產(chǎn)生強大的沖擊力，從而完成對超細物料粉碎的機械設(shè)備，其工作原理是利用圍繞沿磨機水平軸或垂直旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體（棒、錘和超細物料粉碎葉片等），對需要破碎的超細物料研磨顆粒，產(chǎn)生強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器的器壁和固定體，來實現(xiàn)顆粒的粉碎。機器的出口產(chǎn)品粒度一般可以能達到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，沖擊式研磨機在高速運行研磨過程中，會出現(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，對研磨設(shè)備降溫，延長其壽命，這些改進技術(shù)進一步完善中[4]。

2.2 攪拌式磨機

攪拌磨機是通過電動攪拌機的軸向轉(zhuǎn)動，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烈碰撞作用，實現(xiàn)對礦物顆粒粉碎的機械設(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]。攪拌磨機也有優(yōu)點：噪聲低、動靜小、產(chǎn)品細度高、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

氣流磨機是壓縮空氣經(jīng)高速噴管產(chǎn)生的高速噴射氣流，帶動要粉碎的礦物顆粒圍繞著主軸加速轉(zhuǎn)動，并發(fā)生高速碰撞、摩擦剪切等強烈作用，形成超細粉碎物料的機械設(shè)備。產(chǎn)品成品粒度在1～30 μm范圍之間，加工進料粒度在正常情況下嚴格控制在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加工[5]。目前，我國氣流磨機制造設(shè)備的自動化生產(chǎn)管理標準較高，生產(chǎn)能力強，在當(dāng)今世界型號最全、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)新型的研磨機型較少[3]。

2.4 振動式磨機

振動磨機是利用一種研磨介質(zhì)在一個作高頻高速振動的筒體內(nèi)對易碎物料進行高速碰撞、研磨和剪切等機械作用，實現(xiàn)快速粉碎的機械設(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)的超細粉體材料的加工[5]。振動磨機的機械體積小、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，但具有工作噪音大、對研磨機械零件產(chǎn)品質(zhì)量性能要求高[6]。

3 超細粉體深加工技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)今，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人民對各類工業(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，對各類非金屬礦超細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、適用性廣泛的超細粉體，對超細粉體表面進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)是主要針對金屬類粉體表面進行改性處理的技術(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

金屬粉體材料對精細化工技術(shù)升級和促進有色金屬行業(yè)發(fā)展具有重要意義，因此對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[11]。

3.5 WPC強化處理技術(shù)

WPC強化處理技術(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到了A3相轉(zhuǎn)變（臨界）點以上，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反復(fù)處理，使材料微細化、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，對金屬粉體材料進行表面化學(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，增加了非極性基團的含量，同聚丙乙烯和聚苯乙烯等高聚物的相容性[12]。在強烈紅外線的照射下，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，增強活性炭材料在環(huán)境方面的應(yīng)用能力，提高了對有害化學(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，除了無機酸、堿、鹽外，還包括有機酸（金屬鹽）、偶聯(lián)劑和各種有機表面化學(xué)活性劑。目前，大部分表面改性劑我國可實現(xiàn)自給自足，但品種相對較少，與超細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]。

對于非金屬礦超細粉體的表面改性，目前仍存在的一些核心問題：

ⅰ、勞動強度高，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。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、臥式渦輪加熱高速混合器、反應(yīng)釜溫控攪拌反應(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

4.1 超細粉碎技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢

隨著高新技術(shù)和新材料的發(fā)展，對各種超細粉體產(chǎn)品需求不斷增加，對粒度劃分、形狀、純度、環(huán)境保護和資源節(jié)約提出了嚴格要求[6]。目前，超細粉體市場需求量快速增長，每年達近100萬的需求量，因此，對超細粉體生產(chǎn)技術(shù)提出更高要求如，一些應(yīng)用領(lǐng)域要求粉體尺寸達幾個μm：常用的球磨機無法達這個水平。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：

①政府主導(dǎo)、企業(yè)參與：順應(yīng)時代發(fā)展趨勢，實現(xiàn)降低能耗和節(jié)能減排的目標之下，達到超細粉碎技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級[3]。

②發(fā)展小型化、微型化的超細粉碎設(shè)備：就市場信息反饋而言，超細粉碎市場仍缺乏小型和微型設(shè)備，因為在航空航天、生物工程、醫(yī)療制藥等科研和應(yīng)用領(lǐng)域，微型化超細粉碎設(shè)備有廣泛市場。

③實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益雙雙豐收的企業(yè)經(jīng)營管理模式;隨著人民的環(huán)境保護權(quán)益意識的增強，對增加資源環(huán)境綜合利用率的要求更加迫切，因此，制造對資源環(huán)境影響小、又具有良好的經(jīng)濟效益的超細粉碎設(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，要充分考慮與周圍社會經(jīng)濟環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展、更新管理理念，創(chuàng)建經(jīng)濟效益和社會效益雙豐收的經(jīng)營管理模式，加快對廢棄物產(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)備運行效率。

④進一步提升檢測技術(shù)

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

⑤加強新型粉碎設(shè)備技術(shù)的研發(fā)

在充分借鑒其他相關(guān)學(xué)科知識的理論基礎(chǔ)上，進行不同學(xué)科交叉領(lǐng)域研究和技術(shù)融合。為了充分適應(yīng)不同超細物料，對合成設(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)等其他非機械力的超細物料粉碎設(shè)備技術(shù)[4]。

⑥加強自主創(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、節(jié)能減排、附加值高的超細粉碎機械設(shè)備。不斷加大同國內(nèi)對外超細粉碎企業(yè)自主創(chuàng)新技術(shù)交流合作，積極學(xué)習(xí)國外優(yōu)秀的先進技術(shù)和相關(guān)經(jīng)驗，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)計軟件應(yīng)用到超細粉碎產(chǎn)品中，實現(xiàn)超細粉碎設(shè)備的轉(zhuǎn)型升級，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)品的知識含量和信息含量的組合是競爭力強弱的內(nèi)在因素[3]。

4.2 表面改性的發(fā)展趨勢

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)濟價值都會得到很大提升，也能夠迎合現(xiàn)代經(jīng)濟社會對節(jié)能環(huán)保的需求，這一領(lǐng)域目前已成為最具市場發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域之一。因此，對粉體表面改性，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，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)的市場前景廣闊[17]。

發(fā)展趨勢：

①基礎(chǔ)理論研究：為實現(xiàn)粉體涂層表面快速改性，要對現(xiàn)有生產(chǎn)方法與技術(shù)進行重大改進，嚴格進行質(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，可以充分運用遠程智能控制技術(shù)和自動計算機控制技術(shù)對重要的質(zhì)量數(shù)據(jù)和用量數(shù)據(jù)進行精準的自動控制[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，因為。

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)展具有重要推動作用[19]。例如：在超細碳酸鈣應(yīng)用領(lǐng)域，SLG型連續(xù)式干法粉體表面改性機，在國內(nèi)率先具有自主知識產(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：表面活化和超細粉碎等過程一體化完成，達到粒子活化和超細化。

⑥制定新評價標準和方法：為了提升表面改性應(yīng)用效果，建立切實可行的科學(xué)評價方法[19]，通過建立規(guī)范的檢測表征方法和相關(guān)標準，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)計改性工藝和配方，到達最佳的應(yīng)用性能[16]。

5 結(jié)論

隨著我國社會循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，對資源礦物粉體行業(yè)發(fā)展提出了更高要求，這也促進了超細粉碎設(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破碎粉、細微超細粉和細粉三種。對于超微細破碎粉，需要同時采用物理或機械化學(xué)加工方法對其進行分級加工。

目前，對粉體粉碎常采用干法、濕法和干濕混合三種方法，利用的各種振動式磨機、沖擊式振動磨機、氣流式磨機、攪拌式磨機等都屬于超細粉碎研磨設(shè)備，超細粉碎技術(shù)發(fā)展在我國從上個世紀70年代末到現(xiàn)在，共經(jīng)歷了三個重要階段，從1995年至今，是超細粉碎設(shè)備技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展時期。粉碎分級設(shè)備在部分主要機型和生產(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)計投入少：相關(guān)的基礎(chǔ)研究深度不夠。

要實現(xiàn)超細粉體的最大綜合利用率，提升對循環(huán)經(jīng)濟的貢獻值，對各類非金屬礦超細粉體材料進行深加工，是當(dāng)前該領(lǐng)域的重點發(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，超細粉體市場需求量快速增長，每年達近100萬的需求量，今后重點發(fā)展是以政府主導(dǎo)、企業(yè)參與，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益雙雙豐收的企業(yè)經(jīng)營管理模式，進一步提升檢測技術(shù)，加強自主創(chuàng)新能力等方面，對于粉體改性深加工領(lǐng)域，則是加強相關(guān)基礎(chǔ)理論研究的同時，發(fā)展智能化表面改性技術(shù)和制定新評價標準和方法等方面。