亞納米木粉的加工原理與運動分析1)

楊春梅 馬 巖 趙 越 孫永華

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

1 亞納米木粉的定義及加工形態分析

本研究定義納米和亞納米木粉的微粒包絡直徑尺寸應該為1 000～40 000 nm的范圍，1 000～8 000 nm的稱為納米木粉粒子，8 000～20 000 nm的稱為亞納米木粉粒子，20 000～40 000 nm的稱為超細木粉，超過40 000 nm的稱為普通木粉。由于木材細胞的直徑達到了30 000～120 000 nm，所以本研究所定義的木粉尺寸已經產生納米效應。對現階段木材加工工業來講，直徑小于8 000 nm的木粉加工成本非常高，在加工工藝上也很難達到要求，且沒有找到具體應用的方向，所以沒有開發價值;而直徑大于40 000 nm的微粒就進入普通木粉和砂光木粉的概念范疇。所以，對直徑為8 000～20 000 nm的亞納米木粉粒子的物理力學性能進行研究，將在納米家族中有著不可替代的意義。

8 000～40 000 nm粒度的木粉，可以作為一種新型生物降解材料。有研究表明，將不同比例的復合松樹木粉(WF)和商業淀粉醋酸纖維素混合，進行注塑形成裝飾材料，其機械和流變性能都有明顯的改善。并且隨著木粉目數的增加，拉伸強度和模量明顯改善;若木粉以微纖絲的形態出現，注塑成型的試樣將肯定表現出良好的機械性能。木材也將成為天然納米材料中加工成本低、來源廣泛、和其它材料親和力好的材料之一［2－3］。

在加工8 000～40 000 nm粒度的木粉時，如果采取不同的加工方法，可以形成不同結構的木粉，本研究討論切削法形成的亞納米木粉。亞納米木粉的粒度與形狀密切相關，需要進行綜合分析。定義亞納米木粉的端面尺度小于8 000 nm，由于木纖維的各向異性，形成的亞納米木粉微粒沿纖維長度方向的尺寸可能達到25 000 nm(見圖1)。

圖1 木粉微粒電鏡掃描圖

精細納米木粉的粒度小于2 000 nm，微粒沿纖維長度方向可以小于3 000 nm，形狀上接近正方形。

亞納米木粉制備是通過專用設計的設備，利用刀具以12000 r/min的高速切削將鋸末或是碎的木纖維沖擊打碎。設備采用高速電主軸直接帶動刀具以相同的速度旋轉，刀具磨出小楔角鋒利刀刃。鋸末被切削裂解成如圖3所示的截面形狀纖維。經過反復試驗對比，其粒度已經可以滿足液化的要求，并可以作為添加材料制成無醛木粉膠，其應用前景非常好。

圖2 精細納米木粉的粒度

圖3 切削木材裂解纖維的截面形狀

2 亞納米木粉加工設備的結構與原理

亞納米木粉加工設備從進料到出料，即從原料直接到成品，要經3臺風機和集料器分別從3處不同部位的出料口收集不同目數的木粉。加工設備的整體結構原理見圖 4［4］。

原料從進料口直接送入粉碎室篩網內，在粉碎室中初期主要由高速旋轉的刀具組與固定的刀具組構成剪切力而粉碎到超細木粉的粒度;當加工到粒度約1 mm后，主要受到剪碎與沖擊碰撞雙重作用力，并在此作用力下繼續粉碎。物料由于重力的作用，部分會逐漸沉積到粉碎室底部，此時被一號風機所產生的高速氣流帶出，通過進料管一將其重新輸送到粉碎室進行再次粉碎。

當物料加工到規定的粒度時，達到目數要求的木粉會通過粉碎室中的篩網在二號風機的負壓作用下過濾出來。特別細的木粉吸附在粉碎室內壁上，也有部分粉體吸附在篩網上，需要用刮板系統將其刮下并沉積到粉碎室底部，再由二號風機產生的高速氣流將其從出料管帶出。這些木粉通過集料管輸送至集料器二，即為成品，取出后可直接進行包裝。

3、貼近農機教學現場、農業生產現場和機具維修現場，課件制作素材來源廣泛。課件的制作需要素材，對于農機培訓來說，素材的來源應當是相當廣泛的。農機駕駛培訓中，教練的正確操作方法，可以拍成完整連貫的演示視頻，也可以抓重點動作拍攝細節。對于錯誤的操作動作，也可以在視頻中將其反映出來，避免教練純粹口頭講解、學員難以理解的情況出現。機具技術培訓中，可以將機具的各個細節組件和機構動作知識點的講解制作成視頻或PPT，在教學中播放。農田中農民作業和農機維修點的維修現場，經過長期跟蹤，也可以積累獲取大量生動素材。

受木材細胞結構的限制，納米木粉的大批量形成需要破胞得到，而對植物纖維破胞需要的破胞力非常大，設備的功耗也非常大。因此，在普通工藝下，亞納米木粉粉碎到一定粒度，達到其粉碎極限后，絕大部分無法繼續粉碎到納米級;但偶爾得到一點納米木粉是可能的。所以，在加工過程中會有一部分接近納米級的非常小的微粒，受到氣流的影響懸浮于粉碎室上部。這部分亞納米木粉被三號風機的低速氣流從粉碎室頂端的出料口三帶出，通過集料管直接輸送至集料器三。該部分木粉的粒徑預期能小于亞納米木粉。另外，還有一部分木粉為該設備工業化加工出粒度最大的微粒，或難以加工的樹皮鋸末，仍然由一號風機產生的高速氣流帶出，通過出料管一內的篩網的過濾，經集料管一輸送至集料器一中。整個粉碎過程與分級過程同步進行，動作一致，大大提高的機械效率與木粉細度。

圖4 切削法木粉裝備結構原理圖

3 亞納米木粉切削粉碎過程分析

本研究的亞納米木粉切削粉碎設備總的裝機容量15 kW，產量是30 kg/h。電主軸功率為2.2 kW，直接帶動4組刀盤進行超高速轉動。另外有蝸輪減速器1套，通過一對齒輪帶動刮板進行轉動。有3臺風機分別從3個不同的方向進行物料收集，3臺風機的風量分別由3個節流閥控制，風機一、三的風向分別由各自的三通球閥控制。進料口上有一電磁先導閥，用以加工結束后調節設備內外壓差。

木材在被打碎的過程中內部存在許多細微的裂紋，由于這些裂紋的存在，使得裂紋周圍產生應力集中。當應力達到材料的抗壓強度時，裂紋將擴展;當與原拉應力垂直的裂紋長度增加時，應力集中將更大。所以，材料中裂紋的擴展一旦開始，就必將導致木材的破壞。如果輸入裂紋尖端的能量超過裂紋擴展所需的表面能，則多余的輸入能量將轉化為動能促使裂紋擴展，其裂紋擴展速度為［5－8］:

式中:u為裂紋擴展速度;c為木材中的聲速;l、lc為裂紋長度及裂紋擴展臨界長度;k1為裂紋擴展速度系數。

設F為木材粉碎時新生表面積，則新生表面積生成的速度即為木材的粉碎速度v。

式中:v為木材粉碎速度;k2為與粉碎過程相關的系數;k為木材粉碎速度系數;k2為與粉碎過程相關的系數為木材密度。

另外，由于粉碎系統內氣流的循環應用，木粉顆粒均具備一定的運動速度，除與旋轉刀具和固定刀具之間的碰撞切削作用之外，顆粒與顆粒之間同樣存在著一定的碰撞速度。由于木粉顆粒的形狀極不規則，為了便于研究，一般將其表面積與體積折算為等表面積球的表面積與體積。假設木粉顆粒的理想形態為截頂圓錐體，直徑分別為Da和Db，當其達到破壞時，積蓄于該粒子單位質量的粉碎能E/Mp為［9－10］。

因此，

式中:E為彈性變形能;Mp為亞納米木粉的質量;n為Weibull分布函數均勻性系數;ρ為木粉密度;η為泊松比;Y為楊氏彈性模量;S為木材密度;v0為木粉顆粒的體積;Da為木粉顆粒的上端面直徑;Db為木粉顆粒的下端面直徑;L為木粉顆粒的長度;q=Da/Db。

假定木粉顆粒的運動能夠完全轉化為破碎能，則根據E=0.5MV2，可以得出，完全靠碰撞粉碎的顆粒達到破碎狀態所需的碰撞速度為:

物體產生一定的運動速度，可獲得強大的動能。物體產生強烈的碰撞而粉碎的原理一般應用于對撞式氣流磨的粉碎機上。在本設計中，木粉顆粒之間的碰撞作用僅為副粉碎作用。

4 亞納米木粉切削計算

粉碎過程是一個很復雜的過程，首先需要對粉碎過程做一定的假設使其在理想化的狀態下進行。在超細粉碎中，隨著粒徑的減小，被粉碎物料的結晶均勻性增加，顆粒強度增大，斷裂能提高，粉碎所需的機械應力也大大增加。因而粒度越細，粉碎的難度就越大。盡管本設計采用的刀具切削粉碎代替了研磨法，但粉碎過程中仍然會伴隨著大量的能量損失，再加上高速運動碰撞的木粉產生的靜電作用，將導致木粉顆粒相互團聚的趨勢逐漸增強。在這種狀態下，木粉的粉碎速度是最關鍵參數［11－13］。

木材中的聲速c=3 320 m/s。定義裂紋長度為木粉微粒長度，裂紋擴展臨界長度是木粉微粒長度的66%，由此可以求出裂紋擴展速度u=2 191 m/s。根據這個計算參數確定切削主軸的轉數12 000 r/min。

5 結束語

定義粒度在8 000～40 000 nm的木粉為亞納米木粉。本研究提出采用循環式切削粉碎與氣流分選相融合的亞納米木粉粉碎理論，在亞納米木粉的粉碎工藝中，將分級篩選設備與切削粉碎設備連為一體，不斷將已經達到目數要求的亞納米木粉濾出，未達到要求的再返回粉碎室進行N次加工。N次加工過程減輕了微細顆粒在粉碎中的團聚與干擾，提高了能量的利用率，同時也確保產品的細度和粒度分布的均勻性及亞納米木粉質量的一致性，并提高了加工效率。提出了切削主軸轉數的分析理論，并通過實際設計驗證了提出的理論。

［1］王慧，馬巖，楊春梅，等.納米木粉形成工藝和尺度計算方法［J］.木材加工機械，2005，16(6):11－14.

［2］趙廣杰.木材中的納米尺度、納米木材及木材—無機納米復合材料［J］.北京林業大學學報，2002，24(5):204－207.

［3］Liu L，Qi Z，Zhu X.Studies on nylon 6 clay nanocomposites by melt-intercalation process［J］.Journal of Applied Polymer Science，1999，71(7):1133－1138.

［4］孫永華，馬巖，楊春梅.亞納米木粉粉碎工藝及設備構成原理分析［J］.木材加工機械，2009，20(1):13－16.

［5］朱紀春，李庭壽，朱冬麟.QLM型對撞式氣流磨的粉碎機理與應用［J］.耐火材料，1996，30(3):158－159.

［6］劉維平，陳米宋.超細粉碎過程速度分析及粉體量計算［J］.南方冶金學院學報，2002，23(1):1－3.

［7］祁利民，劉雅琴，吳瀾爾.亞微米碳化硅超細粉體的制備及破碎機理探討［J］.粉末冶金技術，2003，21(4):206－208.

［8］陸厚根，粉體技術導論［M］.上海:同濟大學出版社，1998:115－123.

［9］鄭水林，孫成林.超細粉碎(一)［J］.中國粉體技術，1994，1(1):37－41.

［10］鄭水林，孫成林.超細粉碎(二)［J］.中國粉體技術，1995，1(2):39－44.

［11］Xie Hongyong.Mechanics and process engineering of powder and particles［J］.China Particuology，2003，1(5):229.

［12］陳志剛.豎軸式離心粉碎機的動態特性分析研究［D］.武漢:武漢大學，2004.

［13］謝洪勇，劉志軍.粉體力學與工程［M］.2版.北京:化學工業出版社，2007:202－206.