粉体界专家 盖国胜:清华大学粉体工程研究室主任

2017-02-19 16:50:22

清华大学材料科学与工程系 工学博士,教授, 粉体工程研究室主任、能源环境材料研究所副所长。兼任九三学社中央社会服务咨询委员会副主任、浙江清华长三角研究院粉体及新材料工程中心主任、中国粉体工业网主任,中国硅酸盐学会精细陶瓷分会、中国金属学会粉末冶金专业委员会、中华中医药学会制剂专委会、中国非金属矿协会碳酸钙专委会、中国塑料加工协会塑料改性专业委员会理事;《 Powder handling and Processing 》(International Journal) 、《中国粉体技术》、《中药现代化》、《粉煤灰综合利用》等杂志编委;日本粉体工学会国外会员。

【学习经历】

1978.2-1982.1 武汉工业大学机械系,获得工学学士学位

1983.9-1984.6 武汉工业大学硅工系,研究生班学习

1984.7-1985.6 大连外语学院,日语培训班

1985.11-1987.1 日本东北大学素材研究所进修(国家教委考试选拔派出)

1989.9-1992.1 东北大学矿物工程系攻读博士研究生,获得工学博士学位

1992.1-1994.4 清华大学化工系从事博士后研究

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【工作经历】

1982.1-1983.8 山东建材学院材料系任教

1987.2-1989.2 山东建材学院任粉体工程研究所所长。

1994.4-1998.11 清华大学工程力学系

1998.11-至今 清华大学材料系

主要技术研发方向

粉体是由细小微固体颗粒的集合,遍及自然界和日常的生活之中。在工业上,泛指材料原料、产品或中间产品的粉状存在形式。粉体加工技术是我们研究开发工作的的核心:以构成粉体材料基本单元——颗粒为研究对象,研究粉体的细度和微观结构控制、形貌、尺度以及复合等过程工艺及机理,开展与工业实践相结合的应用开发。

目前,粉体工程研究室开展的主要研究方向有:

(1)矿物粉体填料的表面纳米化包覆修饰

利用非均匀形核结晶沉积原理,控制化学反应条件,在微米级无机矿物粉体颗粒或工业废弃物颗粒的表面沉积纳米结构晶体,修饰微米级无机矿物颗粒形貌,形成具有“核-壳”结构的复合材料,改善复合材料中填料和基体界面结合性,提高复合材料性能,主要应用于廉价的矿物材料和工业废弃物的高附加值开发。

首次在重质碳酸钙颗粒表面进行纳米化包覆和修饰,使颗粒粉碎形成的尖锐棱角得到钝化,检测结果证明填充到PP中使制品抗冲击强度提高20-30%;并成功地实现了方解石、硅灰石、白云石、硫酸钙和粉煤灰等廉价资源的表面纳米化修饰研究。

(2)微纳米颗粒有序复合与颗粒球形化

本着“颗粒结构设计延伸至复合材料性能设计”和“复合材料性能规划延伸至颗粒结构预测”的理念,使用高速冲击颗粒复合化系统(PCS),将不同物理化学性能的颗粒进行复合,使子颗粒包覆在母颗粒表面,形成功能性复合颗粒,为功能型复合材料的制造奠定基础。

聚合物复合粉体:以炭黑、纳米炭管或其他导热(电)粉体为子颗粒,以超高分子聚乙烯为母颗粒的复合,制备具有互穿网络结构的高强低电阻率导电工程塑料。与共混填充相比,复合颗粒制品电阻率与共混方法制品的电阻率降低近2个数量级,现正试用于煤矿大型通风机轻质抗静电叶片的制造。

金属复合粉体:以纳米氧化铝为子颗粒,以电解铜为母颗粒,通过高速冲击颗粒复合系统将子颗粒包覆在母颗粒表面,然后将这种复合颗粒烧结成型。该方法将机械合金化与粉体球形化技术结合,同时实现了金属基颗粒的复合和球形化,制备了成分均匀,流动性和填充性良好的复合粉末。

纳米颗粒分散:以微米颗粒为载体包覆纳米粒子,实现材料中微量纳米粉体的高度分散。首次在歼击机雷达罩上实现纳米级人工介质均匀化,改善罩壳介电常数一致性,该技术已经在中航637所(中国航空工业济南特种结构研究所)进入型号生产阶段。

颗粒形状处理:对天然鳞片石墨进行整形,以提高粉体堆积密度,使球形化处理后的堆积密度提高2倍以上,可用于制备高密度核燃料石墨球及锂离子电池负极材料;对二硅化钼粉、还原铜粉、铁粉、铝粉、钛粉整形,球形化处理后的堆积密度大大提高,同时改善材料的性能。如球形化处理后硅钼棒使用温度提高50℃,此技术生产的产品在山东已经投放市场。

(3)工业粉体原料超细加工工艺与改性系统优化

通过对粉磨过程机械力化学和超细粉体在强湍流场中分散规律的研究,建立粉磨过程数学模型,进行离心分级机内部流场数值模拟和工艺参数优化,在此基础上采用系统工程的理论,对设备工艺参数和系统组成进行优化研究,在国内率先提出了多目标多因素的系统优化方法,统筹考虑工艺-设备-产品三者之间的关系,形成大型超细粉磨的工艺优化方法,实现以较低的成本获得高质量产品的目的。

针对塑料、橡胶和涂料等行业对填料粉体功能化的要求,在国内首先实现了超细粉体连续改性的工艺方法,提高了矿物填料表面活化度,改善了矿物填料与高分子聚合物之间的相容性,达到降低复合材料成本和改善复合材料性能的目的。工业矿物填料有机化表面改性的活化度达到95%以上;湿法强湍流剪切改性的活化度达98%以上。

针对电子工业对矿物填料(特别是二氧化硅质矿物填料)表面导电性杂质(铁、钠、氯离子等)含量的严格要求,通过对杂质形成和高温提纯过程的分析,实现微电子工业用高纯超细硅微粉填料粉体生产的可行技术路线。使超细高纯硅微粉的钠、氯离子浓度均小于1ppm,产品质量达国际先进水平。

(4)生物粉体微细化与生物利用度提高

通过细胞破壁的微细化处理,中药、食品、矿物药等生物质粉体的生物利用度将产生质的飞跃,对中药现代化、农产品增值、提高国民生活质量具有积极的学术价值和社会意义。此技术获得2007年度国家技术发明二等奖。

在冲击和挤压等外力作用下使生物颗粒内部形成组织撕裂和细胞破壁,在此研究的基础上,开展了天然聚合物超细加工机理、细胞破壁对有效物质溶出量的影响、加工工艺对中药毒理特性的影响等研究,实现年产13亿粒通心络胶囊粉料微细加工的产业化。由于该技术对中药现代化和农副产品深加工意义重大,全国人大副委员长、科协主席韩启德院士亲切接见了课题组研究人员并将其列入九三学社科技扶贫计划。

借助湿法粉磨机械力化学激发作用提取麦饭石中的有益矿物元素,提高矿物质的人体生物利用度。

利用机械力化学激发作用处理磷矿,提高磷的溶出度和作物的生物利用度,实现中低品位磷矿的短流程加工利用。

产业化与工业应用

(1) 专用设备的研制和推广。在超细粉碎和分级理论研究的基础上,在开发新工艺技术的同时注意到专用设备的研制和推广。先后设计开发了新型雷蒙磨、冲击粉碎机、超细搅拌磨机、高频振动球磨机、大型超细分级机、粉体表面改性机、中药超细加工系统、微颗粒复合与球形化系统等设备。该系列设备的开发,对传统粉体加工设备的更新换代与技术进步起到了积极的作用。国内外已有几十家设备制造企业采用了该系列技术,其中仅新型雷蒙磨已有200余台设备被生产企业所采用,大型超细分级机有320余台服务在国内企业之中。

(2) 特种粉体加工工艺开发。结合专用设备的开发,进行了特种粉体加工工艺开发,解决了国内的一些技术难题:如高分子聚合物的无降解常温粉碎。经过对冲击和挤压粉碎在颗粒内部裂纹形成过程的研究,强化颗粒的撕裂破坏而不是弹性变形。实现了羟甲基纤维素、聚丙烯酰胺、天然魔芋等物料的常温超细粉碎,在国内药物和精细化工领域得到大面积推广;研究室克服国外同行对片状石墨球型化生产技术的封锁,通过实验研究,开发了国内第一条片状石墨球型化生产线,并在行业内得到应用。

(3)生物粉体微细破壁技术开发。本研究室在现有工业原料超细加工技术的基础上,进行了中药类生物粉体细胞破壁技术开发和推广。为响应我国医药工业中药现代化的重大战略方向,率先在国内实现了中药的常温连续化超细加工,在完成了国家计委中药现代化加工示范项目后,在中药领域进行了大面积推广。该技术移植到食品领域后,开拓了超细食品和保健品的新领域。该技术先后在河北、广西、云南、四川、福建、海南、吉林、山东得到推广。据统计,大约有50家企业采用了该技术或由该技术形成的设备,对当地山区少数民族的农民脱贫致富,促进农业产业化和丰富食品市场起到积极的推动作用。

(4) 固体废弃物资源的分离利用技术及推广。固体废弃物资源的再生利用,首先需要对其进行粉碎分离。我们将现有粉体颗粒加工技术移植到固废利用方面,收到良好的效果。① 废橡胶轮胎是现代社会的一大公害。我们分别从胶粉制备、裂解炼油和碳渣超细制备碳黑填料三个方面进行了综合加工处理的研究开发,使其得到综合的利用,提高了附加值。该技术在山东和广东已经有3家得到推广利用。②粉煤灰是火力电厂排放的固体废弃物,大量的排放与堆积已造成了全国范围内的环境污染。虽然作为发电厂的固体废弃物,但粉煤灰中含有微珠、磁珠、漂珠、碳精粉及其他高附加值组分,其中超细微珠是塑料橡胶的优良填充料,经过表面改性处理后的复合粉煤灰微珠能改善填充性能。③废旧印刷线路板的回收利用:这种固废中含有铜、锡等多种贵重金属及玻璃纤维和树脂材料,可以通过冲击粉碎和重介质分离的方法,将贵重金属与玻纤、树脂分开。该技术已经在广东福建地区得到推广。

(5) 开拓国外市场。本研究室超细加工技术不但在国内进行了推广,国外企业中也认可此技术。如东南亚当地华人公司于1997年引进本研究室的超细粉碎分级技术,在马来西亚和泰国制造销售设备,建成多条矿物填料超细加工生产线,与日本、德国技术相比具有很强的市场竞争力。该技术在港台地区也形成了一定的影响,香港理工大学等单位也选用了本研究室研发的超细加工设备。至目前为止,在大陆已经有10余家外商投资企业采用了该系列技术。

(6) 产业开发产生的经济与社会效益。本研究室的课题大多数都是多年来对粉体技术及其理论研究的基础上,考虑产业界的需求,本着“从实践中来,到实践中去”的原则进行研发的。10年来共完成产业化项目42项,涉及到材料、矿物、电子、环保、冶金、化工、药物、食品等领域,均圆满地完成了任务,得到了客户的验收合格报告,受到了企业和当地政府的好评。因为在云南科技支农和省院省校合作中成绩突出,被云南省科委评为优秀科技工作者;由于在鞍山地区的科技推广中对当地经济的促进作用突出,先后4次获得鞍山市人民政府授予的科技种子基金奖励,合计奖励总额为35万元。自1998年统计以来累计科研费进账1000多万元。在这些项目的推广中,收集到的20家经济效益证明已累计形成15.6亿元的产值,经济效益8亿多元。