“粉末是恶魔”？粉体技术就是要解决它！-沈阳佳美机械-贾工18540392125

“粉体”是指由固体颗粒组成的集合体，这一术语通常用于描述那些单个颗粒尺寸较小的物质。通过将固体制成粉体，可以使其悬浮在液体或气体中，从而使其能够像气体或液体一样被加以利用。此外，粉体化还能显著增加其比表面积，进而促进与气体之间的反应以及吸附、脱附等发生在固体表面的各种过程。粉体在我们的生活中扮演着极其重要的角色，其应用领域极为广泛。然而，由于粉体无处不在，作为一项专业技术的粉体技术似乎并未得到足够的重视。

虽然将固体制成粉末可以使其更易于处理，但同时也会带来一些新的问题。例如，即使将固体粉碎成粉末，如果粉碎得过于细小，粉末颗粒之间反而容易相互粘附，形成含有大量空隙的团聚块状结构，从而导致粉末容易堵塞等问题。此外，在尝试将粉末与液体混合时，粉末表面可能难以与液体充分融合，也会引发各种麻烦。正因为存在这些难以处理的情况，日本业界就有“粉末是恶魔”的说法。

粉体技术正是为了解决粉体所存在的问题并充分发挥其优势而开发的技术。只有充分认识并合理运用这些技术，才能实现对粉体的自由、高效操控。本文核心内容是由中国粉体网选自日本粉体工业技术协会前任会长（也是日本粉体工学会及日本能源学会的前会长）——牧野尚夫根据典型的粉体处理流程，对各种粉体操作技术的原理及其应用背景的介绍。希望这些内容能对中国粉体工业界更有效地利用粉体技术有所帮助。

粉体操作的流程与分类

按照“从原料开始制备粉体→从生成的粉体中筛选或回收所需粉体→调整其使用条件→将其转化为新的颗粒形态→最终进行储存”的逻辑顺序，典型的粉体加工流程如下：

首先作为原料的固体，被送往用于制造粉末的“破碎·研磨”设备。这类设备可分为在气体环境中进行的干式破碎和在液体环境中进行的湿式破碎两种类型。在回收通过这些设备制造出的粉末时，如果需要仅筛选出符合特定物理性能要求的颗粒，就会使用“分级·筛选·筛分”设备；而如果希望回收通过干式工艺生成的所有粉末，则会使用“集尘”设备。

在利用通过干式分级装备或集尘装备等收集到的粉末时，需要将其与液体混合后使用，这一过程涉及“溶解”操作。与此相关的技术还包括：对于无法完全混合的两种液体，通过将其中一种液体转化为微小颗粒并将其混入另一种液体中的“乳化”装备；以及当溶解在液体中的溶质超过其饱和溶解度而发生析出时所使用的“结晶”装备等。

在利用干式方法回收粉末时，多种粉末的“混合”装备以及用于在气体中悬浮状态下处理粉末的“分散”装备至关重要。分散装备不仅适用于干式工艺，也适用于粉末与液体混合的湿式工艺。此外，在促进这些混合与分散过程中，“搅拌”装备同样发挥着重要作用。

用于从液体中分离并回收粉体的“湿法处理”技术包括过滤、压榨和膜分离等。此外，虽然从粉体的角度来看属于不同类别，但从液体中微粒的角度来看，通过产生微小气泡来引发各种变化的“微气泡”技术也取得了显著进展。

为了将经过湿法处理和调整后的粉体颗粒转化为干燥状态以便使用，“干燥技术”至关重要。在该技术中，需要高效地向粉体层传递热量。与这种干燥技术类似，从粉体与周围环境之间的热交换角度来看，人们也在研究用于从粉体中吸收热量的“冷却技术”。

在利用经过这样处理的粉末时，不仅可以直接以粉末本身的状态使用，还会采取多种方式对其进行加工处理，使其呈现出不同的形态。首先，为了将粉末与液体或气体混合并实现均匀分散，可以采用“混合（混炼）”和“捏合”等技术。

此外，还有诸如通过将粉末聚集起来形成新颗粒的“造粒”技术、对粉末颗粒表面进行处理以提升使用便利性的“涂层”和“表面改性”技术；以及在制药领域中广泛应用的、用于固化粉末聚集体的“成型”技术、“压片”技术，以及将颗粒层逐层堆叠的“层压加工”技术等，这些也都是将粉末应用于各个领域时的关键技术。

在将粉体集合体成型后，通过“烧结”技术对其进行高温处理，以实现形状的稳定化并赋予新的性能，这也是粉体处理过程中非常重要的环节。同样，利用高温的另一种操作是“焚烧”技术，该技术用于燃烧粉状燃料或废弃物等，在许多领域都得到了广泛应用。

在粉体及其成型体的储存、运输和供应过程中，为了便于操作，相关技术不断得到发展，包括用于“包装”的技术、用于将物料“填充”到容器中的技术，以及用于对这些物料进行“计量”的技术。

以上流程在实际情况中可能会有所不同，通常也只是选取部分必要的操作步骤来应用。但将整个粉末处理技术流程整合为一个统一的体系，有助于更好地理解整个处理过程。

为了高效且可靠地操作这些流程，需要运用“仪表技术”来检测设备的相关参数并控制各个工序；同时，还需要借助“工程技术”将多种技术组合起来，构建完整的工厂系统。此外，由于粉粒体具有粒径、密度、形状、表面积以及在流体中的浓度等多种需要测量的特性，因此相关“粉粒体测量设备”的研发工作也正在积极推进中。

1）粉体处理

为了将粉体原料准确无误地输送到所需位置，需要从储存粉体的储罐开始，配备用于定量供应的装备，以及将粉体从供应点运输到使用场所的输送设备等。由于粉体容易飞散，通常会装入袋子等容器中，因此在某些情况下还需要进行拆袋操作。在这些操作过程中，粉体可能会在管道内发生凝聚导致堵塞，因此相应的防堵塞技术也十分重要。在粉体处理领域，不仅开发了这些单独的要素技术，还包括实现顺畅操作所需的各种配套技术，涵盖了广泛的研发方向。

2）破碎·粉碎

破碎和粉碎装备用于将固体破碎成粉末。实现这一过程所采用的力量形式包括压缩（挤压）、剪切（切割）、冲击（敲击）以及研磨（摩擦），这些作用可以单独使用，也可以通过多种方式组合起来共同发挥作用。

粉碎装备通常根据所生产粉末的粒径进行分类：粗粉粉碎的粒径范围为10厘米级别；中粉粉碎的粒径范围为毫米级别；微粉粉碎的粒径要求在100微米以下；超微粉粉碎的粒径则需达到10微米以下。

根据操作介质的不同，这类装备还可分为干式粉碎（在气体环境中进行）和湿式粉碎（在液体环境中进行）。此外，将已经凝聚成块状的粉末颗粒重新分散成单个颗粒的过程被称为解聚。

3）分级、筛选、过滤

分级、选别和筛分操作都是从整个粉体中分离出具有所需特性的粉体（如粒径、密度、磁性等）的过程。分级是指根据这些特性将粉体分成多个等级的操作，通常依据粒径来进行分级。粒径分级的方法包括利用流体力学的干法以及使用筛子的湿法；每种方法又可分为在气体中进行的干式工艺和在液体中进行的湿式工艺。选别操作（或称分离/杂质去除操作）则用于将具有不同特性的两种粉体分离，例如高密度粉与低密度粉的分离，或者磁性物质与非磁性物质的分离，目的是回收所需物质或去除不需要的外来物质。

4）集尘

集尘是一种在不将悬浮在气体中的粉尘排出到外部环境的情况下，对其进行分离和回收的操作方法。其原理是通过使粉尘颗粒在气体中的运动方式与气体本身的运动方式不同来实现分离。分离过程可以利用多种因素：作用于粉尘颗粒上的加速度（如重力加速度、离心加速度）、颗粒自身的惯性力、颗粒在气体中的扩散运动，以及颗粒所受到的静电力等。这些分离机制往往与颗粒直径有关，因此，在集尘设备中，根据所采用的分离原理不同，颗粒直径与集尘性能之间的关系也会有所差异。

5）结晶、乳化、溶解

当溶解在液体中的溶质浓度超过该液体中的饱和溶解度时，无法完全溶解的部分会以微小颗粒的形式析出。这种在液体中生成颗粒的过程称为结晶（晶析）。另外，在像水和油这样无法相互溶解的溶液中，如果其中一种液体以微粒状态分散在另一种液体中，这种现象称为乳液，而生成乳液的过程则称为乳化。与结晶相反，溶质溶解在液体中的过程则称为溶解。

6）混合、搅拌、分散

当使用不同种类的粉末颗粒进行混合时，通常要求这些颗粒能够均匀地混合在一起。粉末混合的原理包括对流混合、扩散混合和剪切混合。具体的混合方法有多种，例如通过旋转容器本身来实现混合；或者在容器固定不动的情况下，利用机械手段对内部粉末进行搅拌；还有通过从容器底部通入气流来使粉末流动从而实现混合。此外，在将粉末分散到气体或液体等流体中的过程中，防止粉末凝聚并使其在流体中均匀分布的技术尤为重要。为了促进这种混合与分散过程，人们经常采用搅拌粉末层或含有颗粒的流体的方法。

7）湿式处理

从液体中分离所含颗粒、调节颗粒浓度等一系列技术被称为湿法处理。湿法处理包括利用金网、膜等过滤材料分离液体中颗粒的过滤技术，以及为进一步降低过滤后颗粒物质中的液体含量而采用的压榨或脱水技术。在不使用过滤材料的方法中，还有利用颗粒物质与流体不同的物理性质（如沉降速度）将其分离成浓缩部分和稀释部分的浓缩与固液分离技术。此外，由于液体中产生气泡可能会引发各种问题，因此去除气泡的脱泡技术也同样至关重要。

8）微纳气泡

与上述的脱泡技术相反，另一种技术则是通过在液体中主动生成极微小的气泡（称为“细气泡”），利用这些气泡的独特功能（如生物活性化、清洁或杀菌等）来为各种产业带来价值。细气泡在许多领域都受到了广泛关注，包括水处理、农业、食品加工，以及液晶和半导体等功能性材料领域。

9）干燥·冷却

当将经过湿法处理的粉末在干燥状态下使用时，需要进行干燥处理。通常通过向粉末传递热量来实现干燥，而干燥技术的分类也基于这种热传递的方式。具体而言，干燥方法主要包括：利用加热气体与粉末接触进行对流传热的方式；不直接让气体接触粉末，而是通过提高粉末接触面的温度来进行传导传热的方式；以及利用高温物体发出的红外线等辐射进行辐射传热的方式。

此外，还根据实际使用条件开发出了多种复合干燥技术，例如通过降低压力使干燥在较低温度下也能进行的真空干燥技术、用于干燥冷冻状态粉末的真空冷冻干燥技术，以及利用超临界流体进行干燥的技术等。与向粉末传递热量的干燥操作相反，也有从粉末中吸收热量的冷却技术正在被研究与应用。

10）混合与捏合

混合是指在粉末周围加入液体或浆料并使其均匀分散的操作；而捏合则是在此过程中，通过湿润颗粒表面来创造高固体浓度环境的工艺。混合的机制与普通混合类似，包括利用对流、扩散和剪切作用。常见的设备类型有：旋转容器的方式、容器固定但内部装有螺旋桨或搅拌叶片进行搅拌的方式，以及不使用容器而是通过旋转滚筒之间进行混合的方式。

11）造粒、涂层及表面改性

在利用粉体时，不仅会直接使用原始的一次颗粒，还经常基于这些颗粒制造出新的颗粒进行应用。在这种情况下，会采用造粒、涂层和表面改性等技术。造粒是一种通过使粉体颗粒聚集来形成较大颗粒的技术，可分为两种类型：一种是向运动中的粉体中添加粘合剂以促进颗粒生长的自团聚造粒；另一种是对目标粉体进行压实等操作以实现造粒的强制造粒。涂层则是通过用不同物质在粉体表面形成一层来改变其表面特性的工艺。表面改性则是通过对粉体表面进行物理或化学处理来改变其性质的方法，而涂层技术也属于表面改性的范畴之一。

12）成型与锻造

将经过造粒处理的粉末调整成所需的形状这一过程被称为“成形”。成形方法有多种，包括：通过加压使粉末成型的压制成形法；将粉末与液体混合制成浆状，然后注入用石膏制成的模具中，待液体被石膏吸收后干燥，从而形成所需形状的铸造成形法；将浆状物质以薄层形式连续浇铸的带状成形法；利用带有特定形状模具的圆柱体进行挤压成型的挤出成形法；以及利用高速高压将材料注入模具中成型的注塑成形法。此外，在制药领域，用于制造药片的压制成形过程被称为“压片”。

13）层压加工技术

层叠加工技术是一种通过浆料涂层或气体中微粒沉积等方式在粉末层上形成薄膜的操作方法，它在实现粉末材料功能并将其应用于实际部件方面具有重要意义。例如，三维打印机通过将原始形状数据化为薄板集合体的形式，利用粉末、纸张等材料进行二维加工来再现三维结构，这也属于层叠加工技术的应用实例之一。

14）烧制/焚烧

在粉体集合体中，为了实现化学反应或烧结等目的而进行高温加热处理的过程称为烧成。在进行烧成时，需要根据具体对象调整温度、压力、气氛和时间等条件。烧成的加热方法包括利用燃料燃烧产生的热量进行加热，以及利用电炉等电能进行加热；当需要精确控制温度时，通常会选择电加热方式。与烧成类似但同样采用高温处理的还有焚烧技术，该技术通过高温燃烧碳基燃料或废弃物来利用所产生的热量，同时还有助于减少固体废弃物的体积。

15）包装、灌装、计量

由于粉体容易飞散等特性，与其储存和管理相关的技术也显得尤为重要。在将所需量的粉体集中包装的技术、能够高效将粉体填充到目标容器中的技术，以及用于精确控制填充量的计量技术等方面，各项技术都在不断实现高性能化。

16）仪表技术

与气体或液体相比，粉体表现出更为复杂的行为特性，因此其操作过程的控制变得极为复杂，同时相关参数的测量也常常面临诸多困难。为了准确监测粉体操作过程的运行状态，并在测量各种参数的同时将其调节至最佳状态，开发结合了测量与控制功能的先进仪表技术至关重要。

此外，在测量过程中，通常需要通过抽取部分粉体来进行检测，以确保所得数据能够代表整个粉体的特性；因此，采样技术的重要性显著提升。另外，在粉体操作过程中，对工厂周围环境的监测同样十分重要，这些相关技术也在不断得到改进和发展。

17）工程学

粉末处理过程并非仅依靠上述某一项操作技术就能完成，实际应用中会采用多种不同的工艺流程。这些流程可能是基于上述的全流程，也可能是将若干操作技术组合而成的。为了将这些构成要素合理搭配，构建出一个整体性能优异的系统，工程技术至关重要。此外，除了工程技术本身的研究外，还需要将相关技术具体化为设备安装方案（即工厂建设技术），并将其扩展到整个工厂的建造过程中，从而形成一个完整的综合性系统。

18）其他

在涉及粉体操作的设备方面，仅根据之前提到的主要工艺流程来分类，显然无法涵盖所有相关设备。例如，还有许多与回收、杀菌等技术相关的设备；用于防止粉尘爆炸的防爆安全设备；用于分离过程的筛网和滤布制造技术；以及用于储存粉体的容器（如罐体、容器等）；此外还包括保温、隔热或隔音装备，以及密封装备等。通过这些技术的应用，粉体工艺的应用范围将进一步扩大，同时这些技术本身也将变得更加易于使用。

以上是粉体处理技术的相关介绍，但在各种操作中，如设备运行状态监控、性能评估及控制等方面，粉体检测仪器都起着至关重要的作用。在粉体测量过程中，需要测量的项目繁多：从构成粉体的单个颗粒的粒径、形状、密度、比表面积等物理性质，到颗粒集合体的堆积密度、安息角、粘附力等特性；再进一步扩展到将粉体制成浆液后的粘度、浓度，以及粉体的润湿性、保水性、电导率、热导率、磁学性能等。针对这些不同的粉体物理性质，相关检测设备也在持续进行着积极的技术创新。

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