超細(xì)二硫化鉬粉碎工藝研究

余昊馳 余昊華 余紹火

摘要：二硫化鉬是一種新型固體潤滑材料。由于其S-Mo-S特殊的層狀結(jié)構(gòu)和極低的層間結(jié)合力，其粉末具有獨(dú)特而優(yōu)異的機(jī)械、物理和化學(xué)性能，被譽(yù)為“固體潤滑之王”。是航空航天、軍工、核工業(yè)及重大工程、土木工程等高科技領(lǐng)域的高級固體潤滑材料。

關(guān)鍵詞：超細(xì);二硫化鉬;粉碎工藝;研究

引言

由于二硫化鉬粉體表面能較低，具有較強(qiáng)的親水性，需對其進(jìn)行表面改性，改變顆粒表面的吸附層物化性質(zhì)，使其表面的親水性變?yōu)橛H油性，使二硫化鉬粉體更易分散在基礎(chǔ)油中，提高潤滑脂的潤滑性能。

1二硫化鉬的基本性質(zhì)及應(yīng)用

二硫化鉬，金屬光澤，黑色粉末，六方晶系，層狀結(jié)構(gòu)。二硫化鉬與石墨烯具有相似的結(jié)構(gòu)和性能，層與層之間只有微弱的范德華力，鍵能很低，層與層之間容易脫離，摩擦因數(shù)很低。二硫化鉬具有良好的耐熱性和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，不溶于稀酸和水，但溶于王水和熱的濃硫酸。因具有這些特性，近年來二硫化鉬作為高新技術(shù)材料備受關(guān)注，廣泛應(yīng)用于光電器件、機(jī)械潤滑、催化、半導(dǎo)體材料等領(lǐng)域。納米二硫化鉬相比于普通二硫化鉬具有更優(yōu)越的性能，在航空航天、軍事等領(lǐng)域起到重要作用。納米級二硫化鉬比表面積更大，更易于吸附氣體粒子，故對光和氣體有著較高的敏感性，因此也應(yīng)用于檢測方面。但二硫化鉬的導(dǎo)電性差，這也限制了它的應(yīng)用。將二硫化鉬與其他材料（如石墨烯等碳材），復(fù)合可以得到有更大電流放電、高比容量等優(yōu)異電學(xué)性能的復(fù)合材料。

2流化床氣流粉碎機(jī)工作原理

流化床氣流粉碎機(jī)是一種利用高速氣流來實(shí)現(xiàn)物料超細(xì)粉碎的設(shè)備。它由螺旋加料器、粉碎噴嘴、分級機(jī)等組成。物料通過螺旋加料器進(jìn)入粉碎室，空壓機(jī)提供的壓縮空氣經(jīng)過冷凍、過濾、干燥后，經(jīng)粉碎機(jī)噴嘴形成超音速氣流射入粉碎室，使物料呈流態(tài)化，被加速的物料在數(shù)個(gè)噴嘴的噴射氣流交匯點(diǎn)匯合，產(chǎn)生劇烈的碰撞、摩擦、剪切而達(dá)到顆粒的超細(xì)粉碎。粉碎后的物料被上升的氣流輸送至葉輪分級區(qū)內(nèi)，在分級輪離心力和風(fēng)機(jī)抽力的作用下，實(shí)現(xiàn)粗細(xì)粉的分離，粗粉因自身的重力返回粉碎室繼續(xù)粉碎，合格的細(xì)粉隨氣流進(jìn)入旋風(fēng)收集器，微細(xì)粉塵由袋式除塵器收集，凈化的氣體由引風(fēng)機(jī)排出。

3二硫化鉬粉碎工藝

3.1流化床的應(yīng)用

通過對流化床氣流粉碎機(jī)的噴嘴、腔體和分級機(jī)進(jìn)行改進(jìn)達(dá)到生產(chǎn)出超細(xì)二硫化鉬粉的目的。（1）將粉碎機(jī)噴嘴孔徑由10mm減小為7mm，提高了粉碎時(shí)壓縮空氣的動(dòng)能，使產(chǎn)品粒度D50由1.2μm降低至1.1μm左右。（2）加高粉碎機(jī)腔體高度，增加物料上升高度，使產(chǎn)品粉碎粒度繼續(xù)降低至D500.9μm左右。（3）最后更換轉(zhuǎn)速更高的分級機(jī)，提高了產(chǎn)品粒度的分級效果，最終超細(xì)粉產(chǎn)品的粒度可達(dá)D500.7μm左右。（4）在粉碎氣壓一定時(shí)，分級機(jī)轉(zhuǎn)速是影響粉碎粒度最重要的因素。建議在確保安全及保護(hù)設(shè)備性能的前提下，優(yōu)先調(diào)整分級機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行超細(xì)二硫化鉬粉的生產(chǎn)。總之該方法簡單可行，產(chǎn)品質(zhì)量不受影響。改造費(fèi)用較低，自動(dòng)控制柜、收塵系統(tǒng)及空壓冷凍系統(tǒng)均可沿用原設(shè)備，產(chǎn)能較好，改造后的設(shè)備易于維護(hù)。此方法還可用于其他超細(xì)物料的粉碎。且改造后的粉碎機(jī)不僅可以生產(chǎn)D50≤1.0μm的超細(xì)二硫化鉬粉，同時(shí)可兼顧D50>1.0μm產(chǎn)品的生產(chǎn)。

3.2二硫化鉬納米片的制備

MoS2作為過渡金屬硫化物的典型代表，呈六方晶系層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)原子間結(jié)合力強(qiáng)，層與層的原子之間結(jié)合力弱。易沿層間解理，分離出薄層，從而具有降低和穩(wěn)定摩擦因數(shù)的作用。MoS2表現(xiàn)出更多優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。液相剝離法因操作簡單而在制備少層二維材料方面有廣泛的應(yīng)用。用液相超聲剝離法把MoS2粉末分散于合適的有機(jī)溶劑中，在超聲的輔助下制備了熒光MoS2量子點(diǎn)。MoS2納米片有物理尺寸小，比表面積大的特點(diǎn)，從而在耐磨性、防腐蝕方面具有優(yōu)勢。近年來，有關(guān)MoS2納米片作為潤滑油添加劑的研究已見報(bào)道，使得潤滑油的摩擦性能得以提高，而關(guān)于MoS2納米片的摩擦性能卻鮮有報(bào)道。基于以上分析，文中采用液相冰浴超聲剝離法，在不使用任何表面活性劑的情況下，僅以異丙醇為分散劑，利用超聲空化效應(yīng)所產(chǎn)生的機(jī)械剪切力剝離MoS2粉末，通過SEM、TEM、UV-Vis、AFM等對MoS2納米片的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并對MoS2納米片在低載荷、低轉(zhuǎn)速下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行測試，最后分析了MoS2納米片的摩擦機(jī)理。1）采用液相冰浴超聲法將MoS2粉末成功剝離為六角MoS2納米片，原子力顯微測試顯示納米片厚度為1.25nm，對應(yīng)于單層二硫化鉬。2）MoS2納米片和摩擦誘導(dǎo)的鎢氧化物具有良好的降磨和穩(wěn)定摩擦系數(shù)的作用，YG8硬質(zhì)合金球磨斑直徑僅為25μm，穩(wěn)定摩擦系數(shù)約為0.09，這歸因于O飽和了缺陷MoS2納米片的Mo或S懸空鍵，飽和后的納米片和鎢氧化物在滑動(dòng)過程中起到了良好的降磨作用。

3.3超重力高壓均質(zhì)機(jī)的應(yīng)用

高壓均質(zhì)超重力主要由高速旋轉(zhuǎn)的均質(zhì)室和壓力機(jī)構(gòu)組成。均勻化腔的內(nèi)部具有專門設(shè)計(jì)的幾何形狀。高壓溶液在壓力機(jī)理作用下快速通過均化腔，動(dòng)態(tài)高壓微輻射材料暴露于高速保證、高頻振動(dòng)、空心輻射、超重力流場對流作用等機(jī)械力及相應(yīng)的熱效應(yīng)。由此產(chǎn)生的力學(xué)力和化學(xué)效應(yīng)可以改變材料宏觀分子的物理、化學(xué)和結(jié)構(gòu)特性，最終達(dá)到均勻粉碎的效果。超重力高壓均質(zhì)腔是設(shè)備的核心部件，其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)是決定均質(zhì)效果的主要因素。壓力機(jī)理確保液體材料能夠高速通過均質(zhì)室所需的壓力，壓力和穩(wěn)定性也在一定程度上影響產(chǎn)品質(zhì)量。由于高壓均勻化過程是在液體相環(huán)境下進(jìn)行的，工藝中產(chǎn)生的熱量被液體吸收，在體外交換和冷卻，因此顆粒破碎過程總是在較低的溫度下進(jìn)行，從而消除了產(chǎn)品中三氧化鉬含量因傳統(tǒng)干法高溫氧化而增加的現(xiàn)象，并保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

3.4物理合成法

物理合成方法主要是通過機(jī)械研磨和浮動(dòng)選擇等物理手段來細(xì)化產(chǎn)品。剪切絮凝法以鉬精礦為原料，加入合適的分散劑，磨洗后，利用強(qiáng)剪切力將輝瑞與脈內(nèi)其他礦物分離，最后通過多元浮選法提高鉬的純度[。該法具有成本低、設(shè)備簡單、產(chǎn)品純度高和無污染等優(yōu)點(diǎn)，但工藝條件不易控制，導(dǎo)致回收率低。二硫化鉬經(jīng)超聲波研磨，操作壓力為7.5 MPa，輸入壓力為4 MPa，連接速度為33g / min。XRD檢測發(fā)現(xiàn)，連接后晶體結(jié)構(gòu)保持不變（六部分晶體系統(tǒng)），切片層厚度為30 ～ 50n m。利用電化學(xué)分離規(guī)律得到納米鉬的單層和多層二硫化薄膜。薄膜橫向尺寸為5 ～ 50 μm，大于化學(xué)或液體相分離得到的尺寸。該方法產(chǎn)生質(zhì)量更好的薄層，可用于生產(chǎn)后柵場效應(yīng)晶體管。這種方法也可用于清除其他過渡多金屬硫化物。

結(jié)束語

二硫化鉬以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能在諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，近年來制備方法的研究得到廣泛重視。各種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，利用單一方法難以得到性能優(yōu)異的產(chǎn)品，今后需重點(diǎn)研發(fā)多方法結(jié)合工藝，以年限效率高、收益高、產(chǎn)品質(zhì)量好的目標(biāo)。研發(fā)性能更優(yōu)異的二硫化鉬以逐漸取代傳統(tǒng)材料，也是今后的研究方向之一。

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