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国内外粉体表面改性设备的研究现状与进展

  表面改性技术可提高或改善无机非金属矿物填料填充或它与基料复合的相容性和配伍性,对提高现代材料的性能和促进非金属矿物材料产业的发展有重要意义。 另一方面,通过表面改性可以显著增加填料的填充量,显著减少高聚物基复合材料中树脂的用量,对于节约树脂乃至石油具有重要意义。

  表面改性技术可提高或改善无机非金属矿物填料填充或它与基料复合的相容性和配伍性,对提高现代材料的性能和促进非金属矿物材料产业的发展有重要意义。 另一方面,通过表面改性可以显著增加填料的填充量,显著减少高聚物基复合材料中树脂的用量,对于节约树脂乃至石油具有重要意义。

  粉体表面改性技术的主要组成部分包括表面改性剂及其配方、表面改性工艺、设备以及应用和表征技术等。其中改性工艺是基础,改性剂配方是核心,表面改性装备是关键。随着应用领域或市场对无机活性填料及其他粉体需求量的持续增加和产品质量稳定性要求的提高,迫切需要研究开发生产能力大、产品质量稳定好、单位产品能耗低、通用性好的大型粉体表面改性装备。

  我国无机粉体表面改性技术的研究开发始于20世纪80年代。90年代以后,由于塑料、橡胶、涂料等相关产业的快速发展,我国无机粉体表面改性技术的研发和应用速度加快,并于20世纪90年代末期开始了专用表面改性设备的研发。2000年以来,以表面改性配方、表面改性工艺、表面改性设备为代表的无机粉体表面改性技术取得了显著进展,与工业发达国家的差距也逐渐缩小。

  1 粉体表面改性装备

  1.1 国内粉体表面改性装备

  国内,目前无机粉体表面改性技术主要有连续式和间歇式两种。间歇式表面改性技术的主要装备为高速加热混合或捏合机。连续式表面改性技术2000年以后才开始在工业上应用,目前主要有SLG型系列连续式粉体表面改性机和PSC型连续粉体表面改性机,其中SLG型连续式粉体改性机在非金属矿物粉体表面改性生产中得到广泛应用(截至2011年底已应用400多台(套),其余连续式粉体表面改性机很少应用(总共不超过10台)。这些设备的来历可分为借用/引用与专门开发两类,加热混合或捏合机等是从化工、塑料、粉碎、分散等行业引用到粉体改性处理中,SLG型连续式粉体表面改性机等是专为粉体改性而开发。

  

 

  高速加热混合机也称高搅机,是塑料加工行业的定型设备(图1.1),也广泛用于制药、染料、造纸、高分子材料成型加工等行业,国内外许多厂家已形成系列产品,型号有SHR型、GRH型、CH型等。主要技术参数为总容积、有效容积、主轴转速、装机功率等。排料方式有手动和气动两种;加热方式有电加热和蒸汽加热两种。比较适合中、小批量粉体的表面化学包覆改性和实验室改性剂配方试验研究。因此,尽管存在粉尘污染、粉体与表面改性剂作用机会不均、药剂耗量高、处理时间长、单位产品能耗高、劳动强度大等缺点,但在缺少粉体表面改性专用装备的初期,在干法有机表面改性中得到广泛应用。

  PSC型连续粉体表面改性机是专用改性设备(图1.2),原产于台湾省,上世纪90年代中期引进大陆。2000年以后国内有厂家在原设备基础上进行仿制和改进,如青岛青矿矿山设备有限公司开发了带两个雾化室的PSC连续改性机,并对其应用进行研究,具有三级包覆、粉体原料及改性剂预加热、生产连续、综合性能较好等很多优点。但由于系统配置复杂,需配置导热油加热装置,要求厂房较高和占地面积及投资较大,这种设备在少数厂家进行试用后,未得到推广应用。

  

 

  图1.2 SLG改性机工作原理

  SLG型连续粉体表面改性装备,经过10年的持续开发与改进,已形成以专利技术为核心的系列化成套装备(含改性机、给料、给药、控温、集料、收尘等装置)并实现标准化和大型工业化(表1.1),具有适用性广、单机生产能力大(SLG-3/900 机型用于超细煅烧高岭土和碳酸钙的表面改性生产能力≥5t/h)、对超细粉体和表面改性剂分散性好、粉体与表面改性剂的作用机会均等、停留时间方便调节、不需另设粉体加热装置、改性效果好(产品活化指数≥96%)、单位产品能耗低(SLG-3/900 机型用于1500 目超细煅烧高岭土约32kWh/t 产品)、磨耗小、结构紧凑、操作简便、安全环保等特点,并且可按需要定制实现在一机上完成二种以上改性剂的复合改性和二种以上粉体的复合改性。

  截至到2011年底,SLG型连续式粉体表面改性装备(包括SLG-3/200、SLG-3/300、SLG-3/600、SLG-3/600)已有400多台(套)的工业应用,其中包括出口到马来西亚、印尼、缅甸、尼日里亚、乌兹别克斯坦及我国台湾省。SLG型粉体表面改性装备与技术已在轻质/重质碳酸钙、纳米碳酸钙、氢氧化镁/水镁石、煅烧高岭土、硅灰石、叶腊石、粉煤灰微珠等非金属矿物粉体的表面改性生产中广泛应用。

  1.2 国外粉体表面改性装备

  国外,除了小规模生产外,目前在重质碳酸钙(GCC)、轻质碳酸钙(PCC)、滑石粉、高岭土等大宗无机粉体的表面改性生产中主要采用涡旋磨、HSTM高速涡旋混合改性机、流态化改性机等干法连续式表面改性设备。另有,日本奈良机械制作所制造的HYB高速气流冲击式表面改性机(间歇作业)、英国Atritor制造的干燥式粉碎及表面改性机(连续作业、处理高固含量浆料),德国Alplan公司制造的AM型机械融合改性机(用于粉末冶金、陶瓷、颜料、化妆品等的改性处理)等,存在处理量小、生产率低等不足。

  涡旋磨或丁盘磨主要用于与20世纪90年代中期后兴起的重质碳酸钙球磨+分级干法生产线配套,连续生产活性重质碳酸钙填料。其特点是利用超细研磨过程产生的热量(50℃~60℃),将粉碎后的超细粉体引入涡旋磨,同时计量加入预先加热融化好的硬脂酸改性剂进行连续表面改性处理。这种设备和工艺已经应用在国内外的一些重质碳酸钙生产线。但目前其应用主要局限于重质碳酸钙,没有广泛使用;原因是改性温度和物料停留时间难以调节。

  

 

  HSTM型高速涡旋改性机是瑞士ABV公司上世纪末推出的一种大型连续式粉体表面改性机(图1.3),最大机型为HSTM-3/1000。但该公司在其产品宣传中很少介绍其主要技术参数和应用性能,通过马来西亚重质碳酸钙改性用户(ZANTAT LIGHT C.C. SDN. BHD)得到的主要技术和应用性能数据如下:装机功率225kW;转速1500rpm;单机生产能力(d97=10μmGCC)≥6t/h。该设备本世纪初曾经在中国推销,但到目前为止一直没有中国厂家使用。

  流态化改性机原理上是一种有发展前途的粉体表面改性机,但目前除少数较粗粒粉体的表面改性处理外,很少见到在细粉和超细粉体改性中应用的报道。主要是还未研发出一种适合各种超细粉体的、可控性好的表面改性装备。

  高速冲击式粉体表面改性机(HYBridization,HYB)是日本奈良机械制作所开发的利用高速气流冲击法对微粉进行干法表面改性的专用设备,由高速旋转的转子、定子和循环回路等部分组成,间歇式。被国内外几家高校和研究机构采用进行粉体改性的实验研究。其主机结构见图1.5。

  

 

  2 粉体表面改性设备的发展

  无机粉体表面改性工艺与设备密切相关。 SLG型连续粉体表面改性装备改变了我国自20世纪80年代以来干法改性工艺以高搅机间歇方式为主的格局,不仅显著提高改性粉体的质量和改性作业的效率,而且降低了改性剂用量和能耗。同时还解决了间歇式改性设备产品团聚(必须进行筛分或分级)、超细粉体外溢、损失物料和污染等问题,而且减轻了劳动强度。所以被广泛工业应用。

  近十年,国内专家学者在超细粉碎设备与表面改性工艺结合创新上取得了显著进展。经过简单的工艺改进和调整,在超细粉碎设备中与物料粉碎同时进行表面有机改性,可以得到兼具表面改性功能的超细粉碎设备。例如,机械超细粉碎-表面改性一体化装置(对设备结构进行创新但有待改进)、在压辊磨或环辊磨超细粉碎方解石过程中添加液态铝酸醋偶联剂及其它表面改性剂、在重质碳酸钙或水镁石等的湿法超细研磨过程中进行表面改性(已实现产业化)、气流粉碎与表面改性一体机(实验研究)。

  无机纳米粉体的表面改性或原位修饰是近年来无机粉体表面改性最主要的进展之一。在无机纳米粉体的湿法制备过程中,在原级粒子生成、晶粒生长过程或干燥前及时采用表面改性或表面修饰工艺,以控制产物的粒度分布、防止纳米粒子形成硬团聚体也进行了大量研究并取得了显著进展。

  另外,超细颗粒气流强湍流分散与表面改性处理工艺及装备采用高速气流形成的强湍流场对颗粒进行干燥和分散,颗粒与气体一起呈悬浮态,然后通过雾化器将改性剂雾化喷入呈悬浮分散状态的系统中,经过充分碰撞与混合,控制颗粒体系的温度和改性剂浓度,使改性剂均匀、完全地包覆于颗粒表面,完成粉体的表面改性处理,该技术已完成实验装置及实验研究。陈平等在分析SLG和PSC粉体改性机结构和功能特点的基础上,提出超细粉体改性装置的概念性设计方案,其设计思想是将超细粉体和改性剂单独雾化,然后分别进入改性室包覆改性,其可行性与效果还有待实践检验。

  粉体表面改性设备的发展趋势:

  在设备结构优化(适用性广、分散性能好、粉体与表面改性剂的作用机会均等、表面改性剂包覆均匀、改性温度和停留时间调节方便、单位产品能耗和磨损应降低、无粉尘污染等)的基础上采用先进计算机技术和人工智能技术对主要参数和改性剂用量进行在线自动调控,以实现改性剂在颗粒表面的单分子层吸附、减少改性剂用量、稳定产品质量和方便操作。