粉体表面改性设备

粉体表面改性设备

中国粉体表面改性设备种类很多，例如高速混合机、捏合机、密炼机、开炼机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机等，但这些设备大多从化工机械借用过来。存在许多严重问题，针对这些问题，近年来有了许多改进和进展，本文重点介绍引进国外机型和对高冷搅机组进行的改进。

现状粉体表面改性设备，主要担负三项职责，一是混合，二是分散，三是表面改性剂在设备中熔化和均匀分散到物料表面，并产生良好的结合。由于混合物的种类和性质各不相同，混合、分散和表面改性要求的质量指标也不相同，因而出现多种性质不同的改性设备，而这些设备又多为借用，因而并不能很好地完成改性任务。主要使用的改性设备为：

•重力混合器

•气动混合器

•转鼓式混合机

•v型混合机

•Z型混合机

•高速混合机及高速混合机和冷却混合机组(简称高冷搅机组)

•开炼机

•密炼机

•混炼型单螺杆挤出机，布斯混炼机

•双螺杆挤出机以及静态混合器，空腔混合器，和拉伸混合器等。

这些设备存在的主要问题是：

①多数是间歇式的，连续式设备如单、双螺杆挤出机大都是直线运动式，混合效果差。存在产量低，能耗大，工人劳动强度高，易造成环境污染等问题。

②升温慢，改性时间长，相反改性剂用量大，改性效果差。

③比较而言，高冷搅机组价格低、耐用、易操作、改性效果好。

④与国外设备相比，差距明显，主要表现在连续性和改性效果方面。

可以说，中国的粉体表面改性设备的落后，严重制约表面改性深加工技术的发展。已经到了非改不可的地步。

从90年代开始，一些科技人员就着手对改性设备进行改革、到2002年已经取得阶段性成果。

这些阶段成果包含两个方面：

①引进国外连续改性机型

②对高冷搅机组进行改革

引进国外机型

引进、吸收、消化国外先进设备，是现阶段我们的主要手段之一。改性设备也不例外，现在由大专院校、科研单位与生产企业共同引进开发的改性设备已经问世，且价格大大低于直接购买的国外同类设备。

1、PS系列粉体表面改性机

由原武汉工业大学北京研究生部非矿所和青岛青矿矿山设备有限公司共同开发研制成功的PSC系列粉体表面改性机是表面化学改性的专用设备，它具有设计先进，科学，能连续生产，产量高，能耗低，自动化程度高，工人劳动强度低，无粉尘污染，且表面改性剂用量少，包覆率高等特点。

①PSC表面改性性能结构特征：

本机由给料输送、主机、改性剂供给、排料、成品输送、成品收集仓、加热、给风、除尘等系统构成。

②工作原理：

粉体原料经给料输送系统被送至主机上方的雾化室，在输送过程中，由给料输送机特设的加热装臵将粉体加热并干燥，与此同时固体状的改性剂在专用加热容器内也被加热熔化至液体状态后经输送管道送至雾化室。

雾化室内设有两组喷嘴，并均通人由给风系统送来之热压力气流，其中一组有四只喷嘴按不同位臵分布于雾化室内壁，其作用是将由给料输送系统送来的粉体物料吹散呈雾状，另一组有一只喷嘴同时与改性剂输送管道相通，将液状改性剂也吹散呈雾状。此时，原料和改性剂形成雾状，由于受到两组喷嘴从不同方向喷射出气流的作用，得以充分的混合，随即进人主机。

主机由高速旋转的主轴、搅拌棒、冲击锤、中间充满循环导热油的夹层简体等部分组成。进入主机内的雾化物料在搅拌棒的高速搅拌下，受到了冲击、摩擦、剪切等诸多力的作用使粉体颗粒与改性剂得到更充分接触、混合。主机夹层内循

环流动的高温导热油使机内始终保持着稳定的工作温度，此时粉体物料即得到了充分的包覆改性。主机出口处高速旋转运动的冲击锤将包覆改性的物料进一步冲击、粉碎，有效地预防了物料可能形成的结团现象。

改性后的物料经螺旋输送机再由气流输送管道送至成品收集仓。在气流输送过程中，利用输送气流将物料中过高的热量吸收，并经布袋除尘器除尘后排出室外，成品进人收集仓后即可降至可存储的温度。

PSC系列粉体表面改性与通用改性设备性能比较：

项目PSC-400粉体改性机通用设备（高速混合机）

300型

电动功率（KW）2240-55

产量（kg/h)1000-1500500

改性剂用量（%）0.8-12-3

包覆率（%）95-9985

生产方式连续间歇

劳动强度低高

改性效果包覆率高并无包覆现象，颗粒不增大颗粒易产生粘连、部分颗粒过包覆，颗粒体积增大

成品降温不需冷却设备需配备冷却设备

环境污染无污染污染较大

③优点：

a)粉体原料在包覆改性之前进行预加热，同时使原料充分干燥，有利于与改性剂的充分结合。

b)将粉体原料及改性剂均进行雾化处理。粉体表面改性效果的好坏，主要决定于物料的运动状态(或机械对物料的作用方式)、处理温度、处理时间(即物料在机内停留的时间)等。其中处理时间在一般的通风设备上需15-30分钟，其目的是为了保证物料与改性剂得到良好的分散和充分接触。以利改性剂在粉体颗粒表面的均匀包覆。而本机采用了雾化处理后，使物料与改性剂在改性之前即充分混合，从而缩短了在改性仓中的处理时间并提高包覆率。

用PSC-400粉体表面改性机对多种矿物粉体原料进行了改性包覆试验，下表

为其中两种物料试验结果。

实验对象粒度改性剂包覆率生产(kg/h)

重质碳酸钙400目硬脂酸99%1000

锻烧高岭土1250目铝酸酸偶联剂95%800

注：包覆率系采用“活化指数”测定法测定。

通过试验证明，PSC粉体表面改性机各项技术性能指标均达到设计要求，且造价仅为30 万元／台，大大低于国外同类产品价格。

图1 粉体表面改性机系列工艺流程示意图

2、复合式粉体连续改性系统

图2 复合式粉体连续改性系统示意图

该系统是由清华大学材料系粉体工程研究室引进日本技术，由张家港市轻工机械厂生产的新型表面改性设备。

①复合式粉体连续改性系统是由下列机器设备组成：传动上料机、料仓、螺旋混合输送给料器、高精度电子喂料器、卧式改性机、螺旋混合输送器、三转子改性机、旋风分离器、脉冲除尘器、风机、导热油专热器、电气控制系统等组成。

表6 主要技术参数

参数单位卧式改性机三转子改性机

电动动率Kw3755.5

主轴转速R/min10004500

改性筒容积L200

工作温度℃90-150℃

生产方式连续

生产能力Kg/h500-1000

加热方式导热油加热

外形尺寸mm12000×7000×3000

②其主要特点：

•系连续运行的先进设备，优于间歇式生产。

•粉体经过预改性，预热和预混合等前处理工序，保证了混合改性的均匀性，节约了药剂。

•三转子改性机，在高速运动中实现瞬时改性，转速达4500转／分，为系统核心装备

•采用导热油加热，可避免自摩擦升温慢和电能的浪费。

•系统负压运行，密封性好，无粉尘污染。

③设备选型：

该系统适合3000-5000吨／年产量的改性企业，系统设备价格40万元人民币。

3、SLG型三筒连续粉体表面改性机

由原武汉工业大学北京研究生院非矿室和江阳市启泰非金属工程公司共同引进瑞典AGMW公司三筒高速强烈混合表面改性机(HSTP-3／1000)，定名为SGL 型三筒连续粉体表面改性机。其外形结构见图3。

图3 HSTP-3/1000型表面改性机

1、给料口；2a、第1混合室；2b 、第2混合室；

2c、第3混合室；3、出料口；4、电机

工作原理：将待改性物料(如碳酸钙)及表面改性剂(如脂肪酸)从人料口给人后，依次经过三个强烈混合室后从排料口排出。这种改性机依靠转子叶片和定子与粉体物料的冲击、剪切和摩擦作用产生表面改性所需的温度。转子的高速旋转强制松散并形成涡流二相流，使表面改性剂能迅速与颗粒表面作用，所以包覆效果好。

该改性机连续生产，自动加药，操作简单，处理能力大。特别适合用硬脂酸类，各种偶联剂等对碳酸钙、滑石、云母、高岭土、石英、硅灰石、硅线石等

非金属矿物填料进行连续表面改性处理。

高速混合机和冷却混合机组的改进对于中国企业习惯使用的高速混合机和冷却混合机组(简称高冷搅机组)进行改革，使之适应粉体表面改性的需要，也是大家关注的一项工作。目前改革的思路集中在以下几点：

a、加大功率，提高转速，实现强烈混合。对比国外(加拿大)强烈混合机，把500L高速混合机的电机功率从75KW加大到110KW，把转速提高到 1000转／分，就能大大加强剪切力，达到强烈混合改性的目的。

b、提高物流现代化。把工人一袋袋的投料、出料改为管道输送，并把改性剂的加入改为人工计量后自动投料，并采用PCL可编程序控制系统，实现半自动化。

c、改进混合搅拌设备。如改进桨叶材质，采用渗碳处理或表面堆焊硬质合金，锅体内壁采用渗碳处理，提高耐磨性和使用寿命。改进桨叶外形，呈流线性，减少运动阻尼，在超细粉体改性机中甚至采用三层桨叶设计。

d、主轴采用气密封，彻底解决压力过大和主轴漏粉问题。

针对上述思路，已生产出两种改革机型：

1、半自动化强烈混合改性机组

由四川大学黄锐教授设计，由江苏张家港市轻工机械厂生产BMD—1000微粉改性生产线工艺流程见图4。

①最大特点

BMD—1100重钙微粉改性生产线工艺流程图是利用电子称全自动计量，使高速混合机的加料实现了远距离自动操作，大大降低了人工劳动强度和人工计量不准的偏差，同时设备间采用密封的管道联结，防止粉尘污染。

②主要工作原理

当碳酸钙原矿经过破碎，细磨，分级后，物料由旋转阀送入贮料仓中，贮料仓下面的三通阀可使物料根据同同要求分流到相应地点。

图4 BMD-1100重钙微粉改性生产线工艺流程图

a、若产品不改性，则由螺旋送料器送到包装机进行包装。

b、若产品需改性，则由螺旋送料器输送到电子称进行自动计量。

若高搅是500L，冷搅是1060L，则每小时机组可混料1吨。若高搅为1000L，冷搅为3500L ，则每小时混料可达1．5—1．8吨。在混合机加料过程中，CaC03由电称自动计量，改性助剂采用人工称重，以自动投料的方式进行。助剂由人工事先称量好，然后放入12单元的顺序投料器中由操作人员在控制室通过手动按钮来控制投料。当称重仪表显示重量达到设定值的 90％时，螺旋加料器自动转换为低速加料，达到设定值后自动停止加料。当下面活化机组允许向其投料时，电子称下面的气动插板阀自动打开，同时电子称斗上的搅拌电机也开始运转，斗壁上的仓壁振动器延时启动，以保证物料全部放完。电子称为零后，气动插板阀自动关闭，电子称进行下一循环的计量过程。

电控系统采用PLC可编程控制器，可自动完成生产中每一部分的运行。所有工作状态均可通过控制室模拟屏显示，并可提供故障报警。

此外，还设有专门密封除尘系统和防架桥装臵，确保车间无粉尘污染。主轴采用气密性，防止压力过大和主轴漏粉。

2、超细粉体高冷搅机组改性机

由青岛远东塑料工程公司设计制造的超细粉体新型高冷搅机组改性机，已经生产出2L+6 L实验室机组，并申请了国家专利。

①原理：目前国内外各种高速捏合机的搅拌原理都是由搅拌器的结构决定的。这些高速捏合机的搅拌器普遍采用桨式结构。由于桨面的斜过与运动方向成一定倾斜角，所以在搅拌器运司时，对成粉粒状态的物料而言，除产生水平环流式分散外，同时还产生轴向分流式分散。物料被极快地抛向釜壁，沿釜壁摩擦上升，随之又被折流板折流，跌落在釜中心所形成的涡流中，再韧抛向釜壁，如此不已，直至混合结束。物料在混合过程中所需要的热量主要来自摩擦热，因此，在同转速情况下，设备的容积愈大，其剪应力愈高，随之摩擦升温速率愈高。所以，当设备小于1001后，其摩擦热变得很小，当设备小于IOL时，摩擦热几乎等于零。所以IOOL以下的高速捏合机在工作时，根本不能依靠摩擦热来达到混合所需要的混合温度，只好由釜壁夹套中的电加热油来提供热量。这样就造成釜温高于料温，物料中分子量低的部分首先粘附釜壁，造成组份比例变化，产生混合不均、预塑化不均等现象。而如果不采用外加热，混合中的

物料又达不到预塑化的效果。这就是实验室数据与大生产数据不能保持一致的重要原因之一。

新型改性机的目的是提供一种高分子材料配混用高速捏合机组，它在加工过程中能产生较高的剪应力，使小到2L的试验设备在3—5min时间内通过摩擦热将物料升温到预塑化温度(110°C)也可以在200~500L容积状态下将纳米级等超细粉体材料进行预分散处理。

②工艺技术路线：新型改性机是一种高分子材料高速捏合机组，包括机体和安装在机上的高速捏合机、低速捏合机二部分。其中高速捏合机主要有带降温夹套的釜体、主轴、三层叶桨、釜盖、折流板、传动装臵、驱动电机构成。低速捏合机主要有带降温夹套的釜体、主轴、低速叶桨、釜盖、传动装臵、驱动电机构成。其特征是：所述高速捏合机的三层叶桨，第一层为与釜底形状一致的低桨，作用是将底层物料抛起；第二层桨叶也是桨式，称为中桨，作用是将中层物料抛起，使层与层之间产生摩擦；第三层叶桨是二端对称的二个流线体，与釜壁作平行运动，作用是对被第一、二层桨叶抛向釜壁，并沿釜壁作摩擦上升的物料进行碾压式剪切，称之为上桨。这种剪应力较大，既能产生足够的摩擦热使物料升温，又足以打破纳米级粒子的团聚力，并对其进行预分散处理。所述折流板是针对三层叶桨的工作原理而设计成上覆式，其作用是将经过流线体碾压式剪切的物料折落向涡流中心。所述驱动电机和传动装臵在用于小型试验设备时，主轴的转速不能低于 1000转／min，在用于纳米级粉体分散时，主轴的转速加大到2000转／min以上。所述带冷却衬套的釜体，主要作用是控制温升速率，其结构特征是夹层中有一条螺旋状冷却水路。所述低速捏合机部分的作用，是在相同时间内将高速捏合机转入的高温物料不粘结的降至常温。

综上所述，新型改性机由于采用新的搅拌原理和新型叶桨组合，强化了剪切分散混合能力，使摩擦热有效地作用在2L-IOOL小型试验用设备中去，使小试的数据可以和工业化生产保持一致。同样，这种强化了的剪切分散混合能力，在用于200-500L高速捏合机时，可有效地对纳米级粉体进行预分散处理的工业化生产中。而低速冷却部分，则在相同时间内将高温物料分散性地降至常温，从而解决了小试配混摩擦热难和纳米级粉体预分散难等问题。

图5是一台由2L高速热捏合机与6L冷混合机构成的高冷混机组，专门用于

实验室的配混

小试。

图5 210高速混合机与冷却混合机示意图

图6是高速捏合机中三层叶桨8-9—10及折流板14的工作状态及料流形式。

图7是俯视上桨10对釜壁作平行运动时，沿釜壁作摩擦上升的物料被碾压式剪切的情况。

图6图7

结论

1、近年来，随着粉体表面改性深加工技术的发展，中国原有的改性设备已经远远不能满足需要，迫切需要对原有的改性设备进行改革和改进。

2、引进、消化、吸收、改进国外先进改性设备，始终是我们关注的重点，本文仅叙述了几种引进的国外机型。相信还会有更新、更好的改性设备引进。

3、对大家最熟悉的高冷搅机组进行改革，使它的功能不断提高，最终满足粉体表面改性的要求，也是中国塑料加工协会改性塑料专委会关注的重点。本文介绍的张家港轻工机械厂和青岛远东塑料工程公司新设计的两种新型改性机，就是改革的初步成果，希望引起大家的重视。

参考文献：

[1]刘伯元、刘英俊主编刘英俊[M]，《塑料填充改性》1998中国轻工业出版社

[2]刘英俊王锡臣主编[M]，《改性塑料行业指向》2000中国轻工业出版社

[3]刘伯元《粉体的表面改性》 2002．3 塑料技术P6—24

[4]郑水林[M]，《粉体表面改性》 1998 中国建材工业出版社