表面改性技術(shù)可提高或改善無(wú)機非金屬礦物填料填充或它與基料復合的相容性和配伍性，對提高現代材料的性能和促進(jìn)非金屬礦物材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要意義。 另一方面，通過(guò)表面改性可以顯著(zhù)增加填料的填充量，顯著(zhù)減少高聚物基復合材料中樹(shù)脂的用量，對于節約樹(shù)脂乃至石油具有重要意義。
粉體表面改性技術(shù)的主要組成部分包括表面改性劑及其配方、表面改性工藝、設備以及應用和表征技術(shù)等。其中改性工藝是基礎，改性劑配方是核心，表面改性裝備是關(guān)鍵。隨著(zhù)應用領(lǐng)域或市場(chǎng)對無(wú)機活性填料及其他粉體需求量的持續增加和產(chǎn)品質(zhì)量穩定性要求的提高，迫切需要研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)能力大、產(chǎn)品質(zhì)量穩定好、單位產(chǎn)品能耗低、通用性好的大型粉體表面改性裝備。
我國無(wú)機粉體表面改性技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)始于20世紀80年代。90年代以后，由于塑料、橡膠、涂料等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國無(wú)機粉體表面改性技術(shù)的研發(fā)和應用速度加快，并于20世紀90年代末期開(kāi)始了專(zhuān)用表面改性設備的研發(fā)。
2000年以來(lái)，以表面改性配方、表面改性工藝、表面改性設備為代表的無(wú)機粉體表面改性技術(shù)取得了顯著(zhù)進(jìn)展，與工業(yè)發(fā)達國家的差距也逐漸縮小。
1 粉體表面改性裝備
1.1 國內粉體表面改性裝備
國內，目前無(wú)機粉體表面改性技術(shù)主要有連續式和間歇式兩種。間歇式表面改性技術(shù)的主要裝備為高速加熱混合或捏合機。連續式表面改性技術(shù)2000年以后才開(kāi)始在工業(yè)上應用，目前主要有SLG型系列連續式粉體表面改性機和PSC型連續粉體表面改性機，其中SLG型連續式粉體改性機在非金屬礦物粉體表面改性生產(chǎn)中得到廣泛應用（截至2011年底已應用400多臺(套)，其余連續式粉體表面改性機很少應用（總共不超過(guò)10臺）。這些設備的來(lái)歷可分為借用/引用與專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)兩類(lèi)，加熱混合或捏合機等是從化工、塑料、粉碎、分散等行業(yè)引用到粉體改性處理中，SLG型連續式粉體表面改性機等是專(zhuān)為粉體改性而開(kāi)發(fā)。
 高速加熱混合機也稱(chēng)高攪機，是塑料加工行業(yè)的定型設備（圖1.1），也廣泛用于制藥、染料、造紙、高分子材料成型加工等行業(yè)，國內外許多廠(chǎng)家已形成系列產(chǎn)品，型號有SHR型、GRH型、CH型等。主要技術(shù)參數為總容積、有效容積、主軸轉速、裝機功率等。排料方式有手動(dòng)和氣動(dòng)兩種；加熱方式有電加熱和蒸汽加熱兩種。比較適合中、小批量粉體的表面化學(xué)包覆改性和實(shí)驗室改性劑配方試驗研究。因此，盡管存在粉塵污染、粉體與表面改性劑作用機會(huì )不均、藥劑耗量高、處理時(shí)間長(cháng)、單位產(chǎn)品能耗高、勞動(dòng)強度大等缺點(diǎn)，但在缺少粉體表面改性專(zhuān)用裝備的初期，在干法有機表面改性中得到廣泛應用。
PSC型連續粉體表面改性機是專(zhuān)用改性設備（圖1.2），原產(chǎn)于臺灣省，上世紀90年代中期引進(jìn)大陸。2000年以后國內有廠(chǎng)家在原設備基礎上進(jìn)行仿制和改進(jìn)，如青島青礦礦山設備有限公司開(kāi)發(fā)了帶兩個(gè)霧化室的PSC連續改性機，并對其應用進(jìn)行研究，具有三級包覆、粉體原料及改性劑預加熱、生產(chǎn)連續、綜合性能較好等很多優(yōu)點(diǎn)。但由于系統配置復雜，需配置導熱油加熱裝置，要求廠(chǎng)房較高和占地面積及投資較大，這種設備在少數廠(chǎng)家進(jìn)行試用后，未得到推廣應用。
圖1.2 SLG改性機工作原理 SLG型連續粉體表面改性裝備，經(jīng)過(guò)10年的持續開(kāi)發(fā)與改進(jìn)，已形成以專(zhuān)利技術(shù)為核心的系列化成套裝備（含改性機、給料、給藥、控溫、集料、收塵等裝置）并實(shí)現標準化和大型工業(yè)化（表1.1），具有適用性廣、單機生產(chǎn)能力大（SLG-3/900 機型用于超細煅燒高嶺土和碳酸鈣的表面改性生產(chǎn)能力≥5t/h）、對超細粉體和表面改性劑分散性好、粉體與表面改性劑的作用機會(huì )均等、停留時(shí)間方便調節、不需另設粉體加熱裝置、改性效果好（產(chǎn)品活化指數≥96%）、單位產(chǎn)品能耗低（SLG-3/900 機型用于1500 目超細煅燒高嶺土約32kWh/t 產(chǎn)品）、磨耗小、結構緊湊、操作簡(jiǎn)便、安全環(huán)保等特點(diǎn)，并且可按需要定制實(shí)現在一機上完成二種以上改性劑的復合改性和二種以上粉體的復合改性。
截至到2011年底，SLG型連續式粉體表面改性裝備（包括SLG-3/200、SLG-3/300、SLG-3/600、SLG-3/600）已有400多臺（套）的工業(yè)應用，其中包括出口到馬來(lái)西亞、印尼、緬甸、尼日里亞、烏茲別克斯坦及我國臺灣省。SLG型粉體表面改性裝備與技術(shù)已在輕質(zhì)/重質(zhì)碳酸鈣、納米碳酸鈣、氫氧化鎂/水鎂石、煅燒高嶺土、硅灰石、葉臘石、粉煤灰微珠等非金屬礦物粉體的表面改性生產(chǎn)中廣泛應用。
1.2 國外粉體表面改性裝備
國外，除了小規模生產(chǎn)外，目前在重質(zhì)碳酸鈣（GCC）、輕質(zhì)碳酸鈣（PCC）、滑石粉、高嶺土等大宗無(wú)機粉體的表面改性生產(chǎn)中主要采用渦旋磨、HSTM高速渦旋混合改性機、流態(tài)化改性機等干法連續式表面改性設備。另有，日本奈良機械制作所制造的HYB高速氣流沖擊式表面改性機（間歇作業(yè)）、英國Atritor制造的干燥式粉碎及表面改性機（連續作業(yè)、處理高固含量漿料），德國Alplan公司制造的AM型機械融合改性機（用于粉末冶金、陶瓷、顏料、化妝品等的改性處理）等，存在處理量小、生產(chǎn)率低等不足。
渦旋磨或丁盤(pán)磨主要用于與20世紀90年代中期后興起的重質(zhì)碳酸鈣球磨+分級干法生產(chǎn)線(xiàn)配套，連續生產(chǎn)活性重質(zhì)碳酸鈣填料。其特點(diǎn)是利用超細研磨過(guò)程產(chǎn)生的熱量（50℃～60℃），將粉碎后的超細粉體引入渦旋磨，同時(shí)計量加入預先加熱融化好的硬脂酸改性劑進(jìn)行連續表面改性處理。這種設備和工藝已經(jīng)應用在國內外的一些重質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)線(xiàn)。但目前其應用主要局限于重質(zhì)碳酸鈣，沒(méi)有廣泛使用；原因是改性溫度和物料停留時(shí)間難以調節。
流態(tài)化改性機原理上是一種有發(fā)展前途的粉體表面改性機，但目前除少數較粗粒粉體的表面改性處理外，很少見(jiàn)到在細粉和超細粉體改性中應用的報道。主要是還未研發(fā)出一種適合各種超細粉體的、可控性好的表面改性裝備。
高速沖擊式粉體表面改性機（HYBridization，HYB）是日本奈良機械制作所開(kāi)發(fā)的利用高速氣流沖擊法對微粉進(jìn)行干法表面改性的專(zhuān)用設備，由高速旋轉的轉子、定子和循環(huán)回路等部分組成，間歇式。被國內外幾家高校和研究機構采用進(jìn)行粉體改性的實(shí)驗研究。其主機結構見(jiàn)圖1.5。
 2 粉體表面改性設備的發(fā)展
無(wú)機粉體表面改性工藝與設備密切相關(guān)。 SLG型連續粉體表面改性裝備改變了我國自20世紀80年代以來(lái)干法改性工藝以高攪機間歇方式為主的格局，不僅顯著(zhù)提高改性粉體的質(zhì)量和改性作業(yè)的效率，而且降低了改性劑用量和能耗。同時(shí)還解決了間歇式改性設備產(chǎn)品團聚(必須進(jìn)行篩分或分級)、超細粉體外溢、損失物料和污染等問(wèn)題，而且減輕了勞動(dòng)強度。所以被廣泛工業(yè)應用。
近十年，國內專(zhuān)家學(xué)者在超細粉碎設備與表面改性工藝結合創(chuàng )新上取得了顯著(zhù)進(jìn)展。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的工藝改進(jìn)和調整，在超細粉碎設備中與物料粉碎同時(shí)進(jìn)行表面有機改性，可以得到兼具表面改性功能的超細粉碎設備。例如，機械超細粉碎-表面改性一體化裝置（對設備結構進(jìn)行創(chuàng )新但有待改進(jìn)）、在壓輥磨或環(huán)輥磨超細粉碎方解石過(guò)程中添加液態(tài)鋁酸醋偶聯(lián)劑及其它表面改性劑、在重質(zhì)碳酸鈣或水鎂石等的濕法超細研磨過(guò)程中進(jìn)行表面改性（已實(shí)現產(chǎn)業(yè)化）、氣流粉碎與表面改性一體機（實(shí)驗研究）。
無(wú)機納米粉體的表面改性或原位修飾是近年來(lái)無(wú)機粉體表面改性最主要的進(jìn)展之一。在無(wú)機納米粉體的濕法制備過(guò)程中，在原級粒子生成、晶粒生長(cháng)過(guò)程或干燥前及時(shí)采用表面改性或表面修飾工藝，以控制產(chǎn)物的粒度分布、防止納米粒子形成硬團聚體也進(jìn)行了大量研究并取得了顯著(zhù)進(jìn)展。
另外，超細顆粒氣流強湍流分散與表面改性處理工藝及裝備采用高速氣流形成的強湍流場(chǎng)對顆粒進(jìn)行干燥和分散，顆粒與氣體一起呈懸浮態(tài)，然后通過(guò)霧化器將改性劑霧化噴入呈懸浮分散狀態(tài)的系統中，經(jīng)過(guò)充分碰撞與混合，控制顆粒體系的溫度和改性劑濃度，使改性劑均勻、完全地包覆于顆粒表面，完成粉體的表面改性處理，該技術(shù)已完成實(shí)驗裝置及實(shí)驗研究。陳平等在分析SLG和PSC粉體改性機結構和功能特點(diǎn)的基礎上，提出超細粉體改性裝置的概念性設計方案，其設計思想是將超細粉體和改性劑單獨霧化，然后分別進(jìn)入改性室包覆改性，其可行性與效果還有待實(shí)踐檢驗。
粉體表面改性設備的發(fā)展趨勢：
在設備結構優(yōu)化（適用性廣、分散性能好、粉體與表面改性劑的作用機會(huì )均等、表面改性劑包覆均勻、改性溫度和停留時(shí)間調節方便、單位產(chǎn)品能耗和磨損應降低、無(wú)粉塵污染等）的基礎上采用先進(jìn)計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)對主要參數和改性劑用量進(jìn)行在線(xiàn)自動(dòng)調控，以實(shí)現改性劑在顆粒表面的單分子層吸附、減少改性劑用量、穩定產(chǎn)品質(zhì)量和方便操作。
?歡迎進(jìn)入【粉體論壇】
|
