蔡艳华 ，马冬梅 ，彭汝芳 ，俞海军 ，楚士晋 ，左 金
1 2
（ 西南科技大学材料科学与工程学院，四川 绵阳 621010； 中国空气动力研究与发展中心高速所，四川 绵阳
622661）
摘 要：超音速气流粉碎技术作为一种新型的材料深加工技术，具有无污染、耐热敏性、精度高等工艺特点，这
使得其应用研究领域不断拓宽。为此综述了超音速气流粉碎技术应用研究进展，概述了超音速气流粉碎技术的工
作原理和工艺特点；重点阐述了超音速气流粉碎技术在物料细化、食品加工、中药加工尤其是化学研究中的重要
应用及其优势，最后对今后的应用研究工作进行了展望。
关键词：超音速；气流粉碎；改性；化学研究
中图分类号：TQ 029 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2008）05–0671–05
New research progress of supersonic speed airflow grinding technology
1 1 1 1 1 2
CAI Yanhua ，MA Dongmei ，PENG Rufang ，YU Haijun ，CHU Shijin ，ZUO Jin
1
（ School of Material Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyan 621010，
2
Sichuan，China； China Aerodynamic Research & Development Center，Mianyang 622661，Sichuan，China ）
Abstract：Supersonic speed airflow grinding technology is a new type of materials processing
technology. It has specific advantages of cleanness，thermosensitive resistance，high precision，etc.，
which widens its scope of application. This paper reviews the research progress of the supersonic speed
airflow grinding technology. The working mechanisms and process characteristics of the supersonic
speed airflow grinding technology are reviewed. The emphasis is the application and advantages of
airflow grinding technology in materials refinement，food processing，particularly in the chemical
research. The research work in the future is predicted.
Key words：supersonic speed airflow；airflow grinding；modification；chemical research
期，新表面将倾向于沿颗粒内部原生微细裂纹或强 对乙酰氨基酚粒径达10 μm以下，人体对其的生物
[8]
度减弱的部位（即晶体缺陷形成处）生成，如果碰撞 利用率可达 99%以上。曾贵玉等 采用高速气流碰
的能量超过颗粒内部需要的能量，颗粒就将被粉碎。 撞法对三氨基三硝基苯（TATB）进行细化，借助扫
因此粉碎过程所损失的能量正是颗粒被粉碎的主要 描电镜对超细 TATB 粒子形貌进行表征。实验得到
2
原因，其具体粉碎过程是：气流在自身高压作用下 了平均粒径0.35 mm、计算比表面积21 m /g 以上的
强行通过粉碎室喷嘴时，将产生高达数百米甚至上 亚微米超细 TATB 粒子，粒子外形近球形。此外他
千米的高速气流，物料经负压的引射作用进入超音 们也进行了硅酸钙的超细粉碎，借助激光粒度仪和
速喷管，并在高速气流作用下被加速到一定的速度， 透射电镜对超细粒子粒径和形貌进行了表征，得到
由于气流喷嘴与粉碎室相应半径成一锐角，故高压 了平均粒径1.1 μm、粒径分布0.4～3 μm、粒子大
[9]
气流带着颗粒在粉碎室中作回转运动并形成强大旋 小形状基本一致的超细硅酸钙样品 。
[10]
转气流，使颗粒加速、混合并发生冲击、碰撞等行 郭兴忠等 采用流化床对撞式气流粉碎
为，粉碎合格的细小颗粒被气流推到旋风分离室中， （QLM280K）对工业用 SiC粉体进行超微化处理，
较粗的颗粒则继续在粉碎室中进行粉碎，从而达到 实验研究结果表明：工作压力愈高，SiC 粉体的超
粉碎目的。研究证明：80%以上的颗粒是依靠颗粒 微化效果愈明显。工作压力为 0.6 MPa时，超微化
间的相互冲击碰撞被粉碎的，只有不到20%的颗粒 前后 SiC粉体的平均粒径由3.01 μm降至0.75 μm，
是通过颗粒与粉碎室内壁的碰撞和摩擦被粉碎。 粒径小于2.5 μm的比例由82.86 %升至99.85 %，粒
根据超音速气流粉碎原理，其工艺具有如下重 径主要分布由0.4～1.5 μm和8～23 μm的双峰分布
[1－5]
要特征 ： 变为 0.4～1.2 μm 的单峰分布，分布宽度从 25.125
（1）耐热敏性 由于压缩空气在喷嘴处绝热膨 降到0.833；颗粒主要以片状、小块状存在，分布均
胀会使系统温度降低，所以整个粉碎空间是低温环 匀，超微化前存在的大块状颗粒基本消失，团聚现
[11]
境，颗粒的粉碎是在低温瞬间完成的，从而避免了 象明显减少。李朝端等 采用气流粉碎技术较好地
某些物质在粉碎过程中产生热量而破坏其化学成分 解决 UO2 粉末生产过程中产生的大颗粒粉末的破
的现象发生，尤其适用于热敏性物料的粉碎。 碎，确定了最佳气流粉碎条件：进料速度 100～150
（2）物理性 气流粉碎纯粹是物理行为，既没 kg/h，气流压力 0.65～0.75 MPa。
[12]
有其它物质掺入其中，也没有高温下的化学反应， 宋丽丽等 的研究结果表明：超微细粉碎后蒲
因而保持物料的原有天然性质。 公英药材粒度达5～20 μm，显微镜观察发现细胞基
（3）无污染性 因为超音速气流粉碎技术是根 本破壁，其代表性药效成分咖啡酸在水中和甲醇中
[13]
据物料的自磨原理而实现对物料的粉碎，粉碎的动 的溶出速度明显提高。李晓明等 报道，相同质量
力是空气。粉碎腔体对产品污染极少，粉碎是在负 的不同粒度的超微细决明子粉，其药效成分之一大
压状态下进行的，颗粒在粉碎过程中不发生任何泄 黄酚的提取率在一定范围内随粒度下降而增加。上
漏。只要空气经过净化，就不会造成新的污染源。 述研究表明：物料超微细化后有效成分的溶出量增
[14]
（4）精度高 通过调节分级机的转速和系统负 多，速度加快。苏瑞强等 以普通粉碎和超微粉碎
压等参数，可以控制产品粒径分布在很小的范围内， 的药材来制备六味地黄味丸，考察粉碎工艺技术对
并且分级机的调整是完全独立的，对一些有特殊要 六味地黄丸中指标成分丹皮酚溶出度的影响，结果
求的中药材加工十分有利。 显示后者的溶出度显著高于前者。超音速气流粉碎
[6]
龙涛等 采用超音速气流粉碎技术进行了阿奇 技术用于食品加工领域可以对食品原料进行微粒超
霉素微粉化实验，考察了进样速度、压缩空气压力、 微化处理，使其比表面积成倍增长，提高某些成分
粉碎次数及分散剂等因素对阿奇霉素微粉颗粒大小 的活性吸收率，并使食品的表面电荷、黏力发生变
[15]
和粒径分布的影响，并对微粉化后的粉体进行扫描 化。张峻等 报道利用气流式超微粉碎技术能将鲜
电镜、粒度、ZETA 电位及红外光谱分析。实验结 骨多级粉碎加工成超细骨泥或经脱水制成骨粉，加
果表明，采用超音速气流技术进行超细粉碎可使阿 工后的鲜骨能保持 95%以上的营养成分，并且营养
奇霉素微粉平均粒径达到 1.13 μm，粒径分布为 成分容易被人体直接吸收利用，吸收率达90%以上。
[16]
0.71～1.99 μm，粉碎后并未改变原料的化学成分和 翟文俊 将真空冷冻干燥后的柿子进行气流磨超
[7]
结构。于继明等 报道了超音速气流粉碎技术可使 微粉碎，并测定了冻干柿子超微粉的主要营养成分，研究结果显示：冻干加工后的柿子超微粉的氨基酸 酸盐为研究对象，通过添加硬脂酸并利用超音速气
总量增加了35%，且蛋白质的品质更优，其它营养 流粉碎技术产生的机械力诱导赋存在被粉碎断键的
成分损失甚微。 层状硅酸盐矿物、硬脂酸表面上的自由基或活性点
产生化学吸附，从而达到对层状硅酸盐矿物的改性；
2 超音速气流粉碎在化学研究中的应用
并进一步研究了经超音速气流机械力化学改性后的
2.1 化学改性中的应用 层状硅酸盐矿物粉体代替白炭黑用于橡胶制品，其
颗粒在超音速气流作用下会产生具有高活性的 复合材料力学性能明显优于未改性层状硅酸盐矿物
[20]
新鲜表面，在通过高湍流作用和力-化学效应，及时 粉体/橡胶复合材料。叶菁等 采用异丙基酞酸酯
地与改性剂产生化学键合或物理吸附，使超细粉碎 （NDZ-201）对滑石进行气流粉碎改性，通过浊度、
和表面改性一步完成。这种气流粉碎-表面改性一体 水渗透性、接触角的测试及红外光谱分析表明：改
化工艺可以有效克服气流粉碎和表面改性两种工艺 性后滑石粉体的疏水性增强，改性剂以化学吸附方
单独作用时改性剂与粉体表面亲和性差、附着作用 式包覆在滑石颗粒表面，实现了超细粉碎与表面改
弱且不均匀的缺点，可防止粉体颗粒在超细粉碎后 性同步进行的目的。
[21－22]
的团聚或由于吸附空气中的水分子等其它物质而使 宋功保等 以超声速超微气流粉碎分级机
粉体颗粒表面钝化。另外，在超细改性气流粉碎过 为基础，研制出了表面改性剂胶体粒子化装置。利
程中加入改性剂，不仅可实现对粉体表面的改性， 用该装置可以控制表面改性剂的用量大小、胶粒大
而且可平衡颗粒表面的不饱和成键力，使粉体粉碎 小及其分散程度；并可根据不同的生产目的将其安
良好。此外，将气流粉碎和表面改性结合在一起， 装在气流粉碎分级机的不同位置；胶体粒子化装置
两者相互促进，可明显降低能耗，提高生产效率。 结构简单，制造成本低，能保证改性剂的充分粒子
[17]
李珍等 借助超音速气流粉碎技术研究了硬脂酸 化及与粉体流的充分混合。利用此装置对重质碳酸
[CH(CH2)16COOH]对硅灰石的改性。由于硬脂酸中 钙进行改性，其产品的表面改性剂最终氧化分解温
的 COOH 在高速气流的作用下易于被裂开、断键， 度比传统工艺生产的改性产品高100 ℃左右，表面
当硬脂酸和硅灰石在相互碰撞、粉碎的过程中, 硬 改性剂与粉体表面结合的牢固程度也较高。
脂酸就会与硅灰石表面反应或产生化学吸附而紧密 2.2 化学反应中的应用
结合，使硅灰石表面从亲水性转变为疏水性，从而 对于传统无机固相反应而言，影响固相反应速
达到改性目的。并且经超音速气流粉碎技术改性后 率的主要应有下面3个因素：①反应物固体的表面
的硅灰石，其含硬脂酸约 2%，活化率接近 100%， 积和反应物间的接触面积；②生成物相的成核速度；
晶形为针、纤维状（见图 1）。 ③相界面间特别是通过生成物相层的离子扩散速
度。超音速气流粉碎技术能对物料进行充分破碎，
使得物料颗粒粒度细化、比表面大、反应物间的接
触面积大大增加，从而表面活性大大提高，这有利
于反应的发生。另外，超音速气流粉碎技术使混合
原料在撞击到靶之前会发生激烈的摩擦碰撞，使得
反应体系中各颗粒的粗糙峰充分接触，产生新生面；
在法向载荷作用下，粗糙峰彼此嵌入并产生很高的
接触应力和塑性变形，使实际接触面积增加；随着
图1 硅灰石形貌分析图 超细颗粒表面活性点的不断增多，使颗粒表面处于
亚稳高能活性状态，表面层能位更高，活化能更小，
此外，他们还研究了硬脂酸改性硅灰石对聚丙 表面活性更强，从而引起物质的分散性、吸附能力、
烯（PP）机械性能的影响。研究结果表明：当硬脂 离子交换和置换能力等表面物理化学性质的变化，
酸质量分数为 1.5%、硅灰石平均粒径为 13.35 μm 易于发生物理化学变化。此外，当离子型晶体受到
时，硬脂酸改性后的硅灰石/ PP 复合材料比纯 PP 摩擦和撞击等机械力作用时，离子间位置一旦发生
[18]
的拉伸强度提高 3.1 %，冲击强度提高 18.8% 。 滑动，位移仅 1/2 晶胞的长度时，原来的异性离子
[19]
吴翠玲等 以滑石、绢云母、高岭土等层状硅 间排列就变成同性离子的相邻排列，吸引力就会变成排斥力，这些效应都很容易引起化学键的断裂， 比，超音速气流粉碎技术制备Schiff碱无需溶剂，操
使体系发生化学反应。超音速气流携带颗粒撞靶的 作简单，反应时间短，转化率高。超音速气流粉碎技
冲力使得颗粒表面接触间分子剧烈的扩散，损失的 术应用于化学研究领域还处于起步阶段，其应用范围
机械能使得反应体系能量急剧增大，撞击产生的应 以及反应发生机理都还有待于进一步的研究与完善。
力使化合物键断裂，致使混合物在撞击到靶上时将
3 结 语
处于类离子体状态，为了降低反应体系的能量，体
系必然要重新组合生成更稳定、能量更低的物质。 随着超音速气流粉碎技术的不断发展，其在化学
本文作者所在课题组对超音速气流粉碎技术应 化工、矿物加工、食品加工以及材料科学等领域中已
用于化学反应进行了有益的尝试。采用超音速气流 显现出广阔的应用前景。进一步拓宽超音速气流粉碎
粉碎技术成功实现了超细碳酸钙的制备，实验研究 技术的应用范围，是科学技术自身发展的必然要求，
结果表明：在3 倍音速气流作用下，氯化钙和碳酸 具有十分重要的科学价值；相信随着超音速气流粉碎
钠反应 60 min，原料转化率即可达 100%，并且制 技术的不断发展以及其应用范围的拓宽，超音速气流
[23]
备的碳酸钙颗粒平均尺寸为 0.5 μm（见图 2） 。 粉碎技术必将发挥越来越重要的作用。
在制备超细碳酸钡的研究中发现，无水氯化钡
参 考 文 献
和碳酸钠只需反应 45min，原料即可完全转化，制
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[26－27] （下转第 714 页）
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1 超音速气流粉碎在物料细化加工
料产业而发展起来的新型粉碎工程技术，现已成为
中的应用
最重要的化工矿物及其它原材料深加工技术之一，
在超音速气流作用下，物料颗粒之间不仅要发
对现代高新技术产业的发展具有重要的意义。超音
生撞击，而且气流对物料颗粒也要产生冲击剪切作
速气流粉碎技术加工的粉体由于粉度细、分布窄、
用。同时物料还要与粉碎室发生冲击、摩擦、剪切
质量均匀、缺陷少，因而具有比表面积大、表面活
作用，其损失的能量将部分转化成为颗粒的内能和
性高、溶解度大、填充补强性能好等特性以及独特
表面能，从而导致颗粒比表面积和比表面能的增大，
的电性、磁性、光学性能，广泛应用与高科技陶瓷、
晶体晶格能迅速降低，并且在损失晶格能的位置将
微电子及信息材料、塑料、橡胶及复合材料填料、
产生晶体缺陷，出现机械化学激活作用。在粉碎初
润滑剂及高温润滑材料、精细磨料及研磨抛光剂、
造纸填料及涂料高级耐火材料及保温隔热材料等高
收稿日期：2007–12–13；修改稿日期：2008–01–21。
技术和新材料产业。伴随着科学技术的不断发展， 基金项目：四川省科技厅重点攻关项目（2006Z02-025）。
第一作者简介：蔡艳华（1982—），男，硕士，助教，研究方向为低
超音速气流粉碎技术的应用研究领域也得到了
热固相反应。E–mail caiyh651@163.com。联系人：彭汝芳，教授，
拓宽。
研究方向为富勒烯化学和固相反应。 |
