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胡荣泽教授:我国粉体技术与产业发展方向


来源:中国粉体网

粉体技术包括:制备、加工、测试。制备有各种物理、化学、机械方法,加工作业有粉碎、分级、分散、混合、制粒、表面处理、流态化、干燥、成形、烧结、除尘、粉尘爆炸、输运、储存、包装等,测试是对粉体各种几何、力学、物理、化学性能的表征。

粉体产业遍布国民经济各个部门:水泥、陶瓷、耐火材料、食品、饮料、香料、糖、咖啡、茶、盐、饲料、农药、中西药、废弃物、气溶胶、污水处理、催化剂、染料、涂料、化妆品、塑料、橡胶、电池、洗涤剂、牙膏、纸、搪瓷、磨料、粉末冶金、煤、硬质合金、矿粉、抗菌剂、纳米粉、光催化剂、火药、集束弹等。

粉体技术是粉体行业的共性技术,先进的粉体技术可能是从某个粉体产业部门先发展起来的,如粉末注射成形最早是从塑料行业先发展起来的。在解决了粘结剂后,很快扩展到粉末冶金、陶瓷行业,成为可制备三维复杂形状的一种节能、节材、大批量生产的加工工艺,目前在汽车零部件、办公用品、计算机、手机、首饰、医疗器械、体育用品等有广泛应用。



北京粉体技术协会理事长 胡荣泽教授


因此,各粉体产业的发展必推动粉体技术的发展,目前有哪些值得关注的粉体产业呢?这些产业发展对粉体技术又有些什么需求呢?本文将逐一加以介绍,限于学识,由于涉及的知识面太广,有不当之处,敬请谅解。

1.能源

当今能源问题已成攸关人类生存的大问题,石油天然气资源很快就会枯竭。人们出行用汽车、取暖有热电厂,所排放的废气,环境污染严重,不但气温升高、海平面上升,据介绍新生婴儿的残病比例逐年上升。改变能源结构已成刻不容缓的大事,太阳能、风能、核能、氢电池的利用已成为迫切需要解决的课题。

1.1太阳能电池

太阳能电池由转换效率η衡量,与半导体禁带宽度Eg有关,在Eg为1.5eV时,可获最大值:


其中:E是光电动势; I是光电流强度;  是光入射通量; S是相关灵敏度。

太阳能电池有三种类型:硅太阳能电池,薄膜太阳能电池,PN异结太阳能电池。

具体地说:①单晶硅太阳能电池,硅Eg为1.1eV,转换效率η为18%,易掺杂,缺点是价格贵,使用寿命短;

②多晶硅太阳能电池,转换效率η仅为2~8%,经表面改性可提高到13.4%,价格便宜,易获得,缺点是不容易控制均匀性;

③非晶硅太阳能电池,η为10%,当与晶体硅组成异结结构η可达20.7%,性能稳定,表面复合速率低,成本低;

④化合物半导体薄膜太阳能电池,GaAs,CdTe,CuInSe2(CIS)等半导体,禁带宽度在1~1.6间,与太阳光匹配好,且吸收系数大,几个微米厚即可。CIS的η可达18.8%,,CdTe的η可达16%,InGaP/GaAs的η可达30%,适合空间飞行器电源;

⑤陶瓷太阳能电池,金属——氧化物——半导体(MoS)太阳能电池的η可达20%,但工艺复杂。

1.2 燃料电池

燃料(即氢)由储氢材料提供(负极),氧化剂(通常用空气中氧)通过正极提供,燃料与负极催化电解形成电子和离子,负极催化剂通常是Pt、Ni、Wc等,电子通过外电路用于负载,离子通过电解质到达正极形成H2O和CO2,电介质浸泡在多孔隔膜中,按电介质不同,燃料电池可分5类:KOH,H2PO4,质子交换膜,K2/Li2CO3,固体氧化物。

燃料电池应用在电动汽车上,有的国家,电动汽车已开始批量生产。

1.3 储氢材料

储氢材料不但应用在燃料电池上作为氢源,在蓄热、热泵、氢压缩机等方面也有广泛应用,原因是储氢材料中氢以原子态储存,储氢密度比液氢还高,释放需经扩散、相变、化合等过程,受热效应、速度的制约,不易爆炸,安全系数高。

储氢材料有二类元素构成:A类如稀土、Ti、Zr、Ca、Mg、V、Nb等,主要是储氢,与氢反应放热(ΔH<0);b类是难于形成氢化物的金属,如ni、fe、co、mn、cu、al、cr等,氢溶于这些金属为吸热反应(δh>0)。目前应用的储氢材料由这二类元素构成为AB5、AB2、AB、A2B等类型。原材料经熔炼(感应炉或等离子电弧炉)直接由氩气雾化得到储氢材料合金粉,或铸锭,后经破碎、磨碎得到合金粉。

①蓄热应用,利用两种储氢材料,其中一种储氢,另一种蓄热,后者流向前者时蓄热,反方向流动时放热。利用前者把工业废热、地热、太阳能蓄热,需要时反方向流动再放热利用。

②热泵,由同一温度但分解压不同的两种储氢材料组成热力学循环系统,利用平衡压差驱动氢气运动,使两种合金分别处于吸氢和放氢状态,从而达到制冷制热的目的。这种热泵的优点是明显的:无运动部件,也就没有磨损、噪声、腐蚀等问题,也不会有氟利昂破坏大气层的问题。

③氢压缩机,利用低温热源和高温热源改变氢化物温度,从而产生压力,推动活塞,将热能转换为机械能。这种氢压缩机体积小,无振动,又可利用废热,经多段压缩可产生高压。

2.纳米颗粒与纳米技术

纳米技术是指对1~100nm尺度下进行测量、设计和操控的技术,纳米粉体(如纳米晶体、纳米管等)和纳米生物马达乃是纳米尺度下的初级组装,高级组装要求把分子组装成有用的物体,使用结束后,又把物体分解为分子。

在生命体中已实现了这种高级组装,因为纳米技术完成高级组装的第一步,是对生命体过程中自组织、亚细胞过程和系统生物(如神经系统的生物过程)的揭示和了解。单分子测量正实现对分子马达、酶反应、蛋白质动力学、DNA转录和细胞信号进行直接观察,并测定体内细胞的化学组成。

德国的Nanobionet能力联网认为目前可供开发的纳米技术产业领域为:分子医学、药物、抗菌涂层、光催化和功能化纺织品等。
著名商业经济杂志“Forbes”已连续三年对全球纳米科技产品分别进行了评选(见下表),通过选出的这30项纳米产品,初步可看出目前全球市场较为成熟的纳米技术产品,以及未来几年可能最为活跃的纳米产品领域,以帮助广大消费者鉴别真伪“纳米产品”。


分子医学纳米技术有三个方向:①了解亚细胞结构和疾病的分子起因之间的关系;②复制传感系统(皮肤、耳、眼、鼻、手脚等)和制作相应传感器;③了解细胞的能源供应和转换。

目前医学上比较现实的纳米技术研究有:①纳米药物传送;②假肢和植体(如臀部替代物、电子眼、电子鼻等仿生纳米材料);③诊断上运用悬臂生物传感器、各类扫描探针、芯片实验技术等。

药物传送系统(DDS)一直是药物研究的重要课题,从传统的口服、注射、植入及透皮缓控释制剂,到纳米颗粒和纳米药物制剂的纳米给药系统,使智能式药物释放成为可能,所谓智能式药物释放有三种类型:外部调节式(外部信号主要有光、电、热、磁、超声波、pH等)、自调节式(通过病人发病时特异信号)和靶向式(定向释放),如药物共轭的量子点作为药物载体(一般应<10nm大小),像4nm大小的Cd-Se量子点(外包一层ZnS),能发蓝光,容易由荧光细胞分离系统分析,同时量子点还易与生物分子(如DNA、RNA)接上。类似的量子点还有,如表面涂银的金纳米粒,荧光检测的灵敏度可提高50倍。此外,纳米管和纳米线也可作为药物载体,它对单分子的氧化、还原反应,会引起电阻或电导变化。

假肢和植体的例子更多了,如铂同位素植入肿瘤部位;能与骨组织形成牢固的化学键结合的生物活性陶瓷粉——羟基磷灰石;合成高分子材料用于人体组织的缝合和植入物(如人工心脏、肾、食道等),由于高分子可降解,用完即可被机体吸收。

3. 抗菌材料和环境治理

3.1 上世纪80年代后发展起来的无机抗菌材料分下面三大类:

①银、铜、锌金属系,如磷酸盐(磷酸钛盐、磷酸锆、磷酸银等)、硅酸盐(沸石、粘土矿、硅胶、硅铝酸镁等)及其他(活性炭、氧化钛、铬盐、可溶性玻璃等);

②氧化物/天然系,如氧化镁、氧化银、氧化锌、扇贝牡蛎等钙制剂、天然矿石;

③氧化物光催化系,如氧化钛。

抗菌材料市场日本最大,2001年统计,日本为100,欧美则为5,我国仅0.1~1。在日本主要开发电器抗菌材料,如抗菌洗衣机、抗菌空调、抗菌冰箱、抗菌电话,还有电饭锅,换气扇,食品工业上抗菌干燥机用量也大。在欧美主要在玩具、日用品终端产品上用。我国在卫生陶瓷、墙面砖、保鲜膜、抗菌纤维等方面已有一定生产规模,实际上有许多市场急待开发,如我国每年消费10亿支牙刷,按卫生部要求每45天应换一下,这个数量就要翻10倍了,如果改用抗菌牙刷,就可大大节省;还如牛奶是许多家庭天天要喝的,可惜由于包装袋不抗菌,因细菌数量超标每年要倒掉几百吨牛奶;还如熟肉制品,每次市场抽查总有30%不合格,最多的大肠菌超标160多倍。有人估计,光是饮料包装市场,抗菌材料就有1000亿的市场。不用说浴室卫生间,厨房用抗菌瓷砖、抗菌内衣裤、袜子、毛巾、胸罩(以防螨虫和真菌繁殖)市场大得更为惊人。

3.2 和银、铜、锌系的抗菌原理不同,光催化材料(如TiO2类半导体)通过分解有机物(包括细菌)达到抗菌和环境净化。除此之外,光催化材料在水分解制氢、太阳能电池、污水处理、光催化化学反应等方面都有应用。

光分解反应的典型例子是卤化银成像过程:

植物中的叶绿素就是光触媒,光合作用是叶绿素在阳光作用下使CO2与H2O反应生成淀粉和氧气,叶绿素本身并不发生变化。

半导体分为三类:

①氧化型半导体,如WO3、Fe2O3、MoS2等,在光照下水氧化放出氧气;

②还原型半导体,如CdSe,在光照下使水还原放出氢气;

③氧化还原型半导体,如TiO2、CdS等在光照下同时放出氧气和氢气。

TiO2表面在光作用下,正空穴和光催化过程中产生的各种自由基具有非常强的氧化能力,几乎可以氧化所有的有机物(包括细菌),使有机物分解完全矿化为CO2和H2O,由于无毒、价廉、高光催化活性、化学性质稳定(抗酸碱等),以TiO2为基础的光催化剂是目前公认的性能优良的光催化剂,特别是纳米TiO2,光生载流子迁移的距离就短,不用扩散就可转移到颗粒表面,缺点是TiO2的宽带隙,只能响应紫外线和近紫外线,从而应用受到限制。为了拓展光响应,抑制电子空穴的复合,目前研究上采用很多方法,如①SnO2修饰TiO2,宽带隙修饰宽带隙;②CdS修饰TiO2,窄带隙修饰宽带隙;③表面沉积金属;④非金属掺杂,可改善TiO2可见光区的光催化活性,如掺杂N,使TiO2在可见光区拓展到520nm波长;⑤孔洞结构。

光催化在环境治理方面应用,除了有机废料分解,抗菌、防霉、除臭,还有:①光致超亲水性,碰到水在表面形成均匀水膜,看起来像没有水存在一样,因此可制作自清洁车窗、墙面,可防雾浊,易清洗,防结冰,防污;②污水处理,污水指生活用水、工业用水、农业用水排泄物,会有表面活性剂、防腐剂、有机肥料、有机磷杀虫剂、除草剂、染料、有毒金属离子等,目前污水处理大多采用过滤、吸附、高级氧化和生物细菌分解等办法。TiO2的光催化,以太阳能为光源,水为介质,在常温常压下进行,将污染物直接矿化为CO2和H2O,适合大规模处理,问题是光催化反应器的设计,用玻璃纤维比用如活性炭、沸石作载体好,有利光渗透和光催化剂的固定,特别是光纤的运用,效率更高;③空气净化,室内有害气体(如甲醛、烟雾、CO、NO等)、汽车尾气和工厂排放烟气中除了颗粒物,主要是氮氧化合物和硫氧化合物,单独由光催化处理很难满足空气净化过程中快速除去这些有害气体的要求。因此,目前的技术采用可生成紫外线—臭氧的设备,加上光催化剂和金属催化剂,生成O3、H2O2等大量的羟基自由基,与有机污染物一接触即可反应,在美国市场上推出的采用光氢离子化技术的空气净化器,我国市场上也有自己专利的臭氧光活化空气净化器。类似的这种高级氧化过程有:UV/ H2O2,UV/ H2O2/ O3,UV/ H2O2/ UV,UV/ H2O2/ Fe2+等(注:UV——紫外线),可大大提高光催化效率,反应速度极高(反应速率常数达1011数量级)。

4. 生物资源与生物粉体

生物资源包括:植物资源、动物资源、微生物资源三大块,具体地说有:农副产品;饲料;中草药;保健品;微生物及经处理的有机固体废物。

农副产品种类繁多:淀粉、油脂、蛋白质、水果、蔬菜、陆生动物、水产。

生物资源的加工对象不外于:叶、茎、根、种子、果、骨、肉,加工得到的粉体,可通称生物粉体,除了水产品中鱼骨、珍珠。陆生动物骨头,质地较硬,其它加工对象质地皆软。

目前,我国粮食、油料、水果、肉类、水产品等产量均居世界第一,但转化率低,粮食加工约45%,水果5%,蔬菜1%,肉类3%~4%,水产品30%。平均转化率约30%左右,而发达国家为80%以上;发达国家的农产品产值一般为农业产值的2~3倍,而我国仅为85%。农业部在“全国农产品加工发展目标”中指出:一是除了减少农产品收获后损失,必须提高农产品转化率,今后3年力争转化率由30%提高到55%;二是优化加工结构,提高产品质量,增强国际竞争力。

可见,农副产品深加工,中草药、保健品等领域的生物粉体加工,都涉及破碎、超细粉碎、干燥、选粒、分级、分离、过滤、改性、包装、输送、储存、测试等操作系统,它为生物粉体加工提供必要的技术支撑。

对中草药加工,目前有个误区,以为加工微细了,不但可口服,也可注射;最近市面上双黄连注射的中毒事件,说明光粉碎细了还应注意药效,中草药成份比较复杂,有些成份太细了,会引起中毒。中草药现代化不光是加工问题,还应与医药人员配合药效实验。

生物粉体的粗碎,由于大多数质地较软,采取切碎和磨碎(对土豆类块茎)办法,如豆浆机、榨汁机、绞肉机一类机械。按2006年中国粉体企业大全,我国从事粉碎企业有612家,但对生产生物粉体粗碎设备的企业搜集的不多。生物粉体越细,其附加值就越高,口感也细腻,有利于人体吸收,并且干法生产比湿法生产好,如三七粉粒度达360μm;超细破壁粉碎的灵芝孢子粉(3~11μm),药效会更好;速溶茶叶粉1~20μm,可保持原味,清香;南瓜粉、山楂粉、菠菜粉粒度都在10~200μm间,口感很好。我国食品机械加工设备,每年出口量很大,如碾磨机、搅拌机、榨汁器、干燥机等。现在是方便食品风靡世界,预测全球方便食品到2010年在整个食品工业中产值份额将从上世纪90年代5%增长到13%左右。

生物资源应包括微生物,微生物是对所有形体微小(<0.1mm),单细胞或个体结构简单的多细胞,以及非细胞结构的低等生物的总称,其特点是:①分布极广,空气、土壤、江河湖海中都有,且种类繁多;②代谢类型多,代谢能力强,微生物几乎能分解地球上一切有机物;③生长旺盛,繁殖快,容易培养,按细胞分裂一次/20分钟,1天内即可繁殖72代;④容易发生变异,利用这一点,发酵产品如抗生素、青霉素产量提高很快。

两千多年前,古人就会利用人、动物粪便渗上土,自然发酵,第二年就是很好的有机肥料;酒的酿造我国的历史更早了,可能不低于7千年。酶制剂是上世纪60年代后发展的,已有100多种商品,如蛋白酯、脂肪酶等。现代医学离不开微生物制品,维生素、抗生素、干扰素、甾体药物等以及基因工程菌生产的药物,如胰岛素、生长激素、白细胞介素等。微生物在其他方面应用也越来越广:处理垃圾,使固体污染物降解;污水处理;利用微生物溶浸金属是近30年发展起来的新工艺,从开始溶浸铜、铀、金发展到溶浸钴、镍、锰、锌、钛等20多种稀有和名贵金属。微生物在石油、勘探、开采、脱硫脱蜡等方面已有广泛应用。微生物在农业方面应用有:提高土壤的生物活性、生产微生物肥料、生产微生物饲料(如作物的杆、稻草经发酵处理)、生产微生物农药、沼气发酵和食用微生物的栽培。

20世纪70年代兴起的以微生物为主角的基因工程,将对控制生物遗传性状、防病治病,美化环境及各种微生物产品提供美好前景。

【胡荣泽教授简介】
胡荣泽教授,1939年出生奉化江口,1956年奉化一中毕业,1961年毕业于东北大学,分配到北京钢铁研究总院工作,教授级高级工程师,1999年退休。现担任中国颗粒学会颗粒测试专业委员会主任,北京粉体技术协会理事长,“中国粉体技术”杂志主编。曾获国家发明一等奖、二等奖,国防科工委军功章一枚,国防工办成果奖和湖南省科技大会奖,国家科委的表彰奖状和国家发明四等奖,冶金部科技进步二等奖等。1983年筹建中国颗粒学会和1998年筹建中国粉体工业协会,皆是主要发起人之一。
1961年,从东北工学院(现东北大学)毕业后,就一直在北京钢铁研究总院工作。自60年代到80年代初,参与多项国家重大科研项目,如分离膜、涡轮发动机叶片、微波吸收材料等,从事材料的性能测试和基础研究工作。其中分离膜专题的乙种和丁种分获国家发明一等奖和二等奖,在该专题中,他先后担任力学、物理专业组长。
80年代中期至今,参加国家高科技863项目研究,担任新材料领域“新材料检测评价技术”专题组长,获新材料领域专家委员会和国家科委的表彰奖状。同时,他还参加国家攻关项目“吸波材料”的机理研究,其中“毫米波——厘米波双功能隐身材料在导弹车上应用研究”项目获冶金部科技成果二等奖。
这几年,他还参加2项国家自然科学基金项目:“小金属颗粒的电子结构”和“有序金属间化合物的电子结构与材料物性的研究”。除了基础研究发表多篇有价值论文,他对材料的性能测试,特别是粉末性能测试和评价技术方面,在国内外有一定的知名度,有很多开创性工作。这方面概括起来主要有:60年代到70年代中期,先后主持或与外单位合作研制成我国的第一台“热解吸色谱仪”、第一台“气泡仪”、第一台“Fisher仪”,无论是在仪器结构还是方法原理上,他都有很多创造性工作;1975~1977年主编了我国第一本粒度和孔径测试方面专著,即“粉末颗粒和孔隙的测量”。在国际上,由他首次推导出气泡法测量大孔分布的解析公式和沉降分析粒度的线性代数式;1979~1980年,制订“粉末流动性”国家标准,他担任技术指导,由于采用国产金刚砂替代资源已贫乏的土耳其砂,该项目获有色金属总公司科技进步四等奖;1984~1991年系统地研究了颗粒形状的Fourier表征,提出了对称谱概念,可定量地统计描述一种粉末的整体颗粒形状,这比以往仅对单个颗粒的描述前进了一大步,为此还研制成我国第一台测量粒度分布和颗粒形状的TV图像分析仪,并重新定义了颗粒表面粗糙度概念;1987~1990年研究了超细颗粒的一次粒度测量,巧妙地解决了超细粉不好分散的难点。为了对比测试,在国内第一次用穆斯堡谱测量铁磁性超细粉粒度分布;1989~1990年完成了“平均径的矩理论”和“适合多孔体的气体吸附方程”2篇论文。前文应用矩理论自然地表达出各种平均径,并证明了几个重要的数学等式和不等式。后一文提出了适合多孔体的气体吸附方程,可解释吸附——脱附的滞回现象;1988~1992年研究了分维表征超细粉的团聚性,解决了分形的测试问题;1990~1995年完成863项目“非氧化物超细粉氧含量分析方法研究”,是该课题组长之一。 
自1983年始,已先后组织了4届全国颗粒测试学术会议;自1988年始,先后组织了3届全国超细颗粒学术讨论会。自1991年至今,由他发起组织出版了一本杂志:《中国粉体技术》,这本杂志得到颗粒界同仁一致好评。1983年由全国10个单位组成了“中国颗粒学会筹备组”,在郭慕孙先生领导下,他作为筹备组秘书长,为中国颗粒学会1986年正式成立做了很多有益的工作。历年来,发表论文60余篇,出版著作6本。

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