材料研發的基礎 —粉體技術最新動向

刊登日期:2014/12/22
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固態微粒子之集合體稱為粉體。粉體為靜態之固體,具有極大的比表面積 (即每單位質量的表面積),於適當受力下可呈現猶如液體般之流動或如同氣體般之分散特性。粉體特性相當程度取決於個別組成粒子本身的性質,然而粒子集結後之集合體卻往往顯現出粒子原本未曾展現之特質。此外,當塊材或大型粒子被超微細化乃至奈米化的過程中,亦經常展現出迴異於原材料之特質,呈現出截然不同的物性或表面特性。基於以上原因,粉體可依材料形態之不同,變化出許多不同的特性,故可開發出許多原材料不曾擁有的新功能。由於粉體材料使用方便,從基礎至尖端領域,其應用極為廣泛。

粉體製造技術是未來材料開發的關鍵技術之一,其中尤以實際應用於材料開發時,能依使用目的自由控制個別粒子乃至集合體的結構為首要的基礎技術。為了如實依目的製作個別粒子或粉體,經常需整合應用各種粉體操作技術。最常使用者首推「粉碎」與「分級」。此二者可用以控制粒子集合體的平均粒徑與分佈,以利於所得粉體之後續轉製成目的材料的「形式」。此處的「形式」並非僅就粒子形狀而言,尚且包含以下諸多可能,例如多個粒子的複合化、粒子在液體中的分散(漿料)、將粒子集結成大粒子(造粒)、將粒子集合體加工為成形材料,或將粒子燒結以形成固體狀材料等。為了製作出要求的「形式」,除了進行粉碎、分級外,尚且包括漿料分散、混合、造粒、乾燥、成形、燒結等各種粉體操作,統稱為「粉體製造程序」。

省略熱能製程,藉由非加熱之機械方法控制粒子‧材料的微細結構是「粉體製造程序」目前發展的主流。此方法係利用機械原理將粒子細碎粉碎。粉碎過程,除了將粒子微細化之外,也同步提高了粒子的表面活性,若能有效運用,即可於不額外消耗能量狀況下以單一製程( One Step Process )完成粒子聚合而製成複合粒子。應用此製程可製作具各式結構的複合粒子,例如在粒子表面複合化微粒子的「被覆型複合粒子」,或是聚集數種微粒子以形成單顆複合粒子的「內分散型複合粒子」。已實施的應用例有介電物質中的 BaTiO3、鋰離子二次電池中的LiCoO2/LiMnPO4/LiFePO4 /LiNi0.5Mn1.5O4、燃料電池( SOFC )中的 La0.8Sr0.2MnO3( LSM )等,其中,應用於鋰離子二次電池正極活性物質的奈米粒子為組合了複合化功能的粒子,個別粒子除為奈米尺寸外,同時兼具有多孔性質。

由於奈米粒子具附著凝集性,較微粉體更難處理。應用單一製程造粒,一步到位,可提升粒子的製程處理性,同時也提高了電極的充填密度。粉體技術是支撐汽車、電子、化學、醫藥、食品等產業的重要基礎技術。近年來要求提高粉體製程的生產性與經濟性的聲浪漸起,以提高最終產品的品質、附加價值為訴求,許多新式粉體製程設備紛紛問世。以下就原理、結構、特色,扼要敘述粉體製程設備。

微粉碎設備
粉碎為對粒子施加衝擊、壓縮、切斷、磨碎等外力,以減少粒子尺寸的機械操作,是提高粒子功能的最基本處理方法。以增加比表面積、提高分散性/溶解性、改善燒結均一性/成型性為目的,除了微細且微粒子均勻的基本要求外,對於防止金屬污染的結構(全陶瓷結構)、二氧化碳減排節能製程的需求更為迫切。粉碎方法可區分為乾式粉碎與溼式粉碎(表一)。

工業製程中多採用乾式粉碎,以下介紹三種研磨機。
1. 高速旋轉衝擊式研磨機
可內藏分級機構的衝擊式粉碎機。其內部結構簡圖如圖一所示-由粉碎錘、內襯、分級旋轉子組成,為兼具粉碎與分級功能的效率結構。原料進料後,經由旋轉速度100 m/s以上之旋轉粉碎錘以及與周圍內襯間的相對衝擊作用而粉碎,而後藉高速旋轉分級,藉由離心力與粒子間的吸引力的平衡進行分級,只讓符合設定粒徑的微粒子通過分級旋轉子,最後由過濾袋連續取得粉碎品。高速旋轉衝擊式研磨機對不同原料的處理能力如表二所示。


圖一、高速旋轉衝擊式研磨機的基本結構

2. 標靶噴射研磨機
利用壓縮空氣進行微粉碎,應用於較高速旋轉衝擊式研磨機更為微細之數微米級的微粉碎。噴射研磨機可分為---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方檔案。

編譯:李守仁 /健行科技大學;白立文/工研院材化所
★完整檔案內容請見下方附檔。


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