1、現(xiàn)狀
    粉體表面改性設(shè)備，主要擔(dān)負(fù)三項(xiàng)職責(zé)，一是混合，二是分散，三是表面改性劑在設(shè)備中熔化和均勻分散到物料表面，并產(chǎn)生良好的結(jié)合。由于混合物的種類(lèi)和性質(zhì)各不相同，混合、分散表面改性要求的質(zhì)量指標(biāo)也不相同，因而出現(xiàn)多種性質(zhì)不同的改型設(shè)備，而這些設(shè)備大多數(shù)是從化工機(jī)械中借用過(guò)來(lái)的，并不能很好地完成改性任務(wù)。主要使用的改性設(shè)備有：重力混合器，氣動(dòng)混合器，轉(zhuǎn)鼓式混合機(jī)，V形混合機(jī)，Z形混合機(jī)，高速混合機(jī)及高速混合機(jī)和冷卻混合機(jī)組（簡(jiǎn)稱(chēng)高冷攪機(jī)組），開(kāi)煉機(jī)，密煉機(jī)，混煉型單螺桿擠出機(jī)，布斯混煉機(jī)，雙螺桿擠出機(jī)，以及靜態(tài)混合器，空腔混合器和拉伸混合器等。這些設(shè)備存在的主要問(wèn)題：
    (1)大多數(shù)是間歇式的，連續(xù)式設(shè)備如單、雙螺桿擠出機(jī)大多是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)式，混合效果差。存在產(chǎn)量低，能耗大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，易造成環(huán)境污染等問(wèn)題。
    (2)升溫慢，改性時(shí)間長(zhǎng)，相反改性劑用量大，改性效果差。
    (3)相比較而言，對(duì)于粉體表面改性設(shè)備，大家還是選擇高冷攪機(jī)組，一是價(jià)格低，二是設(shè)備耐用，易操作，改性效果相對(duì)較好。
    (4)與國(guó)外設(shè)備相比，存在明顯的差距，特別表現(xiàn)在連續(xù)性和改性效果方面。
    自從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，中國(guó)的有識(shí)之士已經(jīng)開(kāi)始著手對(duì)中國(guó)現(xiàn)有的改性設(shè)備進(jìn)行改革，到2002年已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步，本文著重介紹引進(jìn)國(guó)外連續(xù)改性機(jī)型和對(duì)高冷攪機(jī)組進(jìn)行的改進(jìn)。
2、引進(jìn)國(guó)外機(jī)型
    引進(jìn)、吸收、消化國(guó)外先進(jìn)設(shè)備，是現(xiàn)階段我們的主要手段之一。相關(guān)科研單位與生產(chǎn)企業(yè)共同引進(jìn)開(kāi)發(fā)的改性設(shè)備已經(jīng)問(wèn)世，且價(jià)格大大低于購(gòu)買(mǎi)國(guó)外同類(lèi)設(shè)備。
2.1PSC系列粉體表面改性機(jī)
    由原武漢工業(yè)大學(xué)北京研究生部非金屬礦所和青島礦山設(shè)備有限公司共同開(kāi)發(fā)研制成功的PSC系列粉體表面改性機(jī)是表面化學(xué)改性的專(zhuān)用設(shè)備，它具有設(shè)計(jì)先進(jìn)，科學(xué)，能連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)量高，能耗低，自動(dòng)化程度高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，無(wú)粉塵污染，且表面改性劑用量少，包覆率高等特點(diǎn)。
2.1.1  PSC表面改性機(jī)結(jié)構(gòu)特征及工作原理
    本機(jī)由給料輸送、主機(jī)、改性劑供給、排料、成品輸送、成品收集倉(cāng)、加熱、給風(fēng)、除塵等系統(tǒng)構(gòu)成。
    粉體原料經(jīng)給料輸送系統(tǒng)被送至主機(jī)上方的霧化室，在輸送過(guò)程中，由給料輸送機(jī)特設(shè)的加熱裝置將粉體加熱并干燥，與此同時(shí)固體狀的改性劑在專(zhuān)用加熱容器內(nèi)也被加熱熔化至液體狀態(tài)后經(jīng)輸送管道送至霧化室。
    霧化室內(nèi)設(shè)有兩組噴嘴，并均通入由給風(fēng)系統(tǒng)送來(lái)之熱壓力氣流，其中一組由四只噴嘴按補(bǔ)同位置分布于霧化室內(nèi)壁，其作用是將粉體物料吹散成霧狀。此時(shí)，原料和改性劑形成霧狀，由于受到兩組噴嘴從不同方向噴射出氣流的作用，得以充分的混合，隨即進(jìn)入主機(jī)，富通新能源銷(xiāo)售飼料攪拌機(jī)、皮帶輸送機(jī)等機(jī)械設(shè)備。
    主機(jī)由高速旋轉(zhuǎn)的主軸攪拌棒、沖擊錘、中間充滿(mǎn)循環(huán)導(dǎo)熱油的夾層筒體等部分組成。進(jìn)入主機(jī)內(nèi)的霧化物料在攪拌棒的高速攪拌下，受到了沖擊、摩擦、剪切等諸多力的作用，使粉體顆粒與改性劑充分接觸、混合。主機(jī)夾層內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的高溫導(dǎo)熱油使機(jī)內(nèi)始終保持著穩(wěn)定的工作溫度，此時(shí)粉體物料得到充分的包覆改性。主機(jī)出口處高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的沖擊錘將包覆改性的物料進(jìn)一步?jīng)_擊、粉碎、有效地預(yù)防了物料可能形成的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。
    改性后的物料經(jīng)螺旋輸送機(jī)再由氣流輸送管道送至成品收集倉(cāng)。在氣流輸送過(guò)程中，利用輸送氣流將物料中過(guò)高的熱量吸收，并經(jīng)布袋除塵器除塵后排出室外，成品進(jìn)入收集倉(cāng)后即可降至可存儲(chǔ)的溫度。
2.1.2優(yōu)點(diǎn)
    (1)粉體原料在包覆改性之前進(jìn)行預(yù)加熱，同時(shí)使原料充分干燥，有利于與改性劑的充分結(jié)合。
    (2)將粉體原料及改性劑均進(jìn)行霧化處理，使物料與改性劑在改性之前即充分混合，從而縮短了在改性倉(cāng)中的處理時(shí)間，并提高包覆率。PSC系列粉體表面改性與通用改性設(shè)備性能對(duì)比見(jiàn)表l。
    用PSC-400粉體表面改性機(jī)對(duì)多種礦物粉體原料進(jìn)行了改性包覆試驗(yàn)，表2為其中兩種物料試驗(yàn)結(jié)果。
    通過(guò)試驗(yàn)證明，PSC粉體表面改性機(jī)各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且造價(jià)僅為30萬(wàn)元／厶，大大低于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格。
2.2復(fù)合式粉體連續(xù)改性系統(tǒng)
    復(fù)合式粉體連續(xù)改性系統(tǒng)是由清華大學(xué)材料系粉體工程研究室引進(jìn)日本技術(shù)，由張家港市輕工機(jī)械廠(chǎng)牛產(chǎn)的新型表面改性設(shè)備。
    復(fù)合式粉體連續(xù)改性系統(tǒng)是由下列設(shè)備組成：傳動(dòng)上料機(jī)、料倉(cāng)、螺旋混合輸送給料器、高精度電子喂料器、臥式改性機(jī)、螺旋混合輸送器、三轉(zhuǎn)子改性機(jī)、旋風(fēng)分離器、脈沖除塵器、風(fēng)機(jī)、導(dǎo)熱油專(zhuān)熱器、電氣控制系統(tǒng)等。
    其主要特點(diǎn)：①連續(xù)進(jìn)行改性，優(yōu)于間歇式生產(chǎn)；②粉體經(jīng)過(guò)預(yù)改性、預(yù)熱和預(yù)混合等前處理工序，保證了混合改性的均勻性，節(jié)約了藥劑；③三轉(zhuǎn)子改性機(jī)，在高速運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)改性，轉(zhuǎn)速達(dá)4 500r/min，足本系統(tǒng)核心設(shè)備；④采用導(dǎo)熱油加熱，可避免自摩擦升溫慢和電能的浪費(fèi)；⑤系統(tǒng)負(fù)壓運(yùn)行，密封性好，無(wú)粉塵污染。
    設(shè)備選型，該系統(tǒng)適合3 000～5 000t/a產(chǎn)量的改性企業(yè)，系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格40萬(wàn)元人民幣。
2.3  SLG型三筒連續(xù)粉體表面改性機(jī)
    由原武漢工業(yè)大學(xué)北京研究生院非金屬礦所和江陽(yáng)市啟泰非金屬工程公司共同引進(jìn)瑞典AGMW公司三筒高速?gòu)?qiáng)烈混合表面改性機(jī)(HSTP-3／1000)，定名為SLG型三筒連續(xù)粉體表面改性機(jī)，其外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
    工作原理：將待改性物料（如碳酸鈣）及表面改性劑（如脂肪酸）從入料口給入后，依次經(jīng)過(guò)三個(gè)強(qiáng)烈混合室后從排料口排出。這種改性機(jī)依靠轉(zhuǎn)子葉片和定子與粉體物料的沖擊、剪切和摩擦作用產(chǎn)生表面改性所需的溫度。轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)強(qiáng)制松散并形成渦流二相流，使表面改性劑能迅速與顆粒表面作用，所以包覆效果好。
    該改性機(jī)連續(xù)生產(chǎn)，自動(dòng)加藥，操作簡(jiǎn)單，處理能力大。特別適合用硬脂酸類(lèi)、各種偶聯(lián)劑等對(duì)碳酸鈣、滑石、云母、高嶺土、石英、硅灰石、夕線(xiàn)石等非金屬礦物填料進(jìn)行連續(xù)表面改性處理。
3、高速混合機(jī)和冷卻混合機(jī)組的改進(jìn)
    對(duì)于中國(guó)企業(yè)習(xí)慣使用的高冷攪機(jī)組進(jìn)行改革使之適應(yīng)粉體表面改性的需要，目前改革的思路集中在以下幾點(diǎn)：
    (1)加大功率，提高轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈混合，對(duì)比國(guó)外（加拿大）強(qiáng)烈混合機(jī)，我們把500L高速混合機(jī)的電機(jī)功率從75kW加大到llOkW，把轉(zhuǎn)速提高到1 000r/min，加強(qiáng)剪切力，達(dá)到強(qiáng)烈混合改性的目的。
    (2)提高物流現(xiàn)代化．把人工投料，出料，改為管道輸送，并把改性劑的加入改為人工計(jì)量后自動(dòng)投料，并采用PCL可編程序控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化。
    (3)改進(jìn)混合攪拌設(shè)備，如改進(jìn)漿葉材質(zhì)，采用滲碳處理或表面堆焊硬質(zhì)合金，鍋體內(nèi)壁采用滲碳處理，提高耐磨性和使用壽命。改進(jìn)漿葉外形，呈流線(xiàn)形，減少運(yùn)動(dòng)阻尼，在超細(xì)粉體改性機(jī)中甚至采用三層漿葉設(shè)計(jì)。
    (4)主軸采用氣密封，徹底解決壓力過(guò)大和主軸漏粉問(wèn)題。
    針對(duì)上述思路，現(xiàn)在已生產(chǎn)出兩種改革后的機(jī)型。
3.1  半自動(dòng)化強(qiáng)烈混合改性機(jī)組
    由四川大學(xué)黃銳教授設(shè)計(jì)，由江蘇張家港市輕工機(jī)械廠(chǎng)生產(chǎn)BMD-IOOO微粉改性生產(chǎn)線(xiàn)工藝流程圖見(jiàn)圖2。
    該系統(tǒng)最大特點(diǎn)是利用電子稱(chēng)全自動(dòng)計(jì)量，使高速混合機(jī)的加料實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離自動(dòng)操作，大大降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度和人工計(jì)量不準(zhǔn)的偏差，同時(shí)設(shè)備采用密封的管道連結(jié)，防止粉塵污染。
    主要工作原理：
    當(dāng)CaC03原料經(jīng)過(guò)破碎，細(xì)磨，分級(jí)后物料由旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)入貯料倉(cāng)中，貯料倉(cāng)下面的三通閥可使物料根據(jù)不同要求分流到相應(yīng)地點(diǎn)。若產(chǎn)品不改性，則由螺旋送料器送到包裝機(jī)進(jìn)行包裝。產(chǎn)品需改性，則由螺旋送料器送到電子稱(chēng)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)量。
    若高攪是500L，冷攪是1060L，則每小時(shí)機(jī)組可混料1t。高攪為1000L，冷攪為3 500L，則每小時(shí)混料可達(dá)1.5—1.8t。在混合機(jī)加料過(guò)程中CaC03由電稱(chēng)自動(dòng)計(jì)量，改性助劑采用人工稱(chēng)重，自動(dòng)投料的方式進(jìn)行。助劑由人工事先稱(chēng)量好，然后放入12單元的順序投料器中由操作人員在控制室通過(guò)手動(dòng)按鈕來(lái)控制投料。當(dāng)稱(chēng)重儀表顯示重量達(dá)到設(shè)定值的90%時(shí)，螺旋加料器自動(dòng)轉(zhuǎn)換為低速加料，  達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)停止加料。當(dāng)下面活化機(jī)組允許向其投料時(shí)，電子稱(chēng)下面的氣動(dòng)插板閥自動(dòng)打開(kāi)，同時(shí)電子稱(chēng)斗上的攪拌電機(jī)也開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，斗壁上的倉(cāng)壁振動(dòng)器延時(shí)啟動(dòng)，以保證物料全部放完。電子稱(chēng)為零后，氣動(dòng)插板閥自動(dòng)關(guān)閉，電子稱(chēng)進(jìn)行下一循環(huán)的計(jì)量過(guò)程。
    電控系統(tǒng)采用PLC可編程控制器，可自動(dòng)完成生產(chǎn)中每一部分的運(yùn)行，所有工作狀態(tài)均可通過(guò)控制室模擬屏顯示，并可提供故障報(bào)警。此外，還設(shè)有專(zhuān)門(mén)密封除塵和防架橋裝置。確保車(chē)間無(wú)粉塵污染，主軸采用氣密封，防止壓力過(guò)大和主軸漏粉。
3.2超細(xì)粉體高冷攪機(jī)組改性機(jī)
    由青島遠(yuǎn)東塑料工程公司設(shè)計(jì)制造的超細(xì)粉體新型高冷攪機(jī)組改性機(jī)，已經(jīng)生產(chǎn)出2L+6L實(shí)驗(yàn)室機(jī)組，并申請(qǐng)了國(guó)家專(zhuān)利。
3.2.1原理
    目前國(guó)內(nèi)外各種高速捏合機(jī)的攪拌原理都是由攪拌器的結(jié)構(gòu)決定的。這些高速捏合機(jī)的攪拌器普遍采用槳式結(jié)構(gòu)。由于槳面的斜邊與運(yùn)動(dòng)方向成一定傾斜角，所以在攪拌器運(yùn)動(dòng)中，對(duì)成粉粒狀態(tài)的物料而言，除產(chǎn)生水平環(huán)流式分散外，同時(shí)還產(chǎn)生軸向分流式分散。物料被極快地拋向釜壁，沿釜壁摩擦上升，隨之又被折流板折流，跌落在釜中心所形成的渦流中，再被拋向釜壁，直至混合結(jié)束。物料在混合過(guò)程中所需要的熱量主要來(lái)自摩擦熱，因此，在同轉(zhuǎn)速情況下，設(shè)備的容積愈大，其剪應(yīng)力愈高，隨之摩擦升溫速率愈高。所以，當(dāng)設(shè)備小于100L后，其摩擦熱變得很小，當(dāng)設(shè)備小于10L時(shí)，摩擦熱幾乎等于零。所以100L以下的高速捏合機(jī)在工作時(shí)，根本不能依靠摩擦熱來(lái)達(dá)到混合所需要的混合溫度，只好由釜壁夾套中的電加熱油來(lái)提供熱量。這樣就造成釜溫度高于料溫，物料中分子量低的部分首先粘附釜壁，造成組分比例變化，產(chǎn)生混合不均、預(yù)塑化不均等現(xiàn)象。而如果不采用外加熱，混合中的物料又達(dá)不到預(yù)塑化的效果。這就是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)不能保持一致的重要原因之一。
    新型改性機(jī)是提供一種高分子材料配混用高速捏合機(jī)組，它在加工過(guò)程中能產(chǎn)生較高的剪應(yīng)力，使小到2L的試驗(yàn)設(shè)備在3～5min時(shí)間內(nèi)通過(guò)摩擦熱將物料升溫到預(yù)塑化溫度(110℃)，也可以在200—500 L容積狀態(tài)下將納米級(jí)等超細(xì)粉體材料進(jìn)行預(yù)分散處理。
3.2.2工藝技術(shù)路線(xiàn)
    新型改性機(jī)是一種高分子材料高速捏合機(jī)組包括機(jī)體和安裝在機(jī)上的高速捏合機(jī)、低速捏合機(jī)兩部分，其中高速捏合機(jī)主要有帶降溫夾套的釜體、主軸、三層葉漿、釜蓋、折流板、傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成。低速捏合機(jī)主要由帶降溫夾套的釜體、主軸、低速葉漿、釜蓋、傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成。其特征是：所述高速捏合機(jī)的三層葉漿，第一層為與釜底形狀一致的低槳，作用是將底層物料拋起；第二層槳葉也是槳式，稱(chēng)為中槳，作用是將中層物料拋起，使層與層之間產(chǎn)生摩擦；第三層葉漿是二端對(duì)稱(chēng)的二個(gè)流線(xiàn)體，與釜壁平行運(yùn)動(dòng)，作用是對(duì)被第一、二層槳葉拋向釜擘，并沿釜壁作摩擦上升的物料進(jìn)行碾壓式剪切，稱(chēng)之為上槳。這種剪應(yīng)力較大，既能產(chǎn)生足夠的摩擦熱使物料升溫，又足以打破納米級(jí)粒子的團(tuán)聚力，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)分散處理。所述折流板是針對(duì)三層葉漿的工作原理而設(shè)計(jì)成上覆式，其作用是將經(jīng)過(guò)流線(xiàn)體碾壓式剪切的物料折落向渦流中心。所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)裝置在用于小型試驗(yàn)設(shè)備時(shí)，主軸的轉(zhuǎn)速不能低于1000r/min。在用于納米級(jí)粉體分散時(shí)，主軸的轉(zhuǎn)速加大到2 000r/min以上。所述帶冷卻襯套的釜體主要作用是控制溫升速率，其結(jié)構(gòu)特征是夾層中有‘條螺旋狀冷卻水路。所述低速捏合機(jī)部分的作用是在相I—J時(shí)間內(nèi)將高速捏合機(jī)轉(zhuǎn)入的高溫物料不粘結(jié)的降至常溫。
    綜上所述，新型改性機(jī)由于采用新的攪拌原理和新型葉槳組合。強(qiáng)化了剪切分散混合能力，使摩擦熱有效地作用在2～100L小型試驗(yàn)用設(shè)備中去，使小試的數(shù)據(jù)可以和工業(yè)化生產(chǎn)保持一致。同樣，這種強(qiáng)化了的剪切分散混合能力在用于200～500L高速捏合機(jī)時(shí)，可有效地對(duì)納米級(jí)粉體進(jìn)行預(yù)分散處理的工業(yè)化生產(chǎn)中。而低速冷卻部分則在相同時(shí)間內(nèi)將高溫物料分散性地降至常溫，從而解決了小試配混摩擦熱難和納米級(jí)粉體預(yù)分散難等問(wèn)題。
4、結(jié)論
    (1)近年來(lái)，隨著粉體表面改性深加工技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)原有的改性設(shè)備已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需要，迫切需要對(duì)原有的改性設(shè)備進(jìn)行改革和改進(jìn)。
    (2)引進(jìn)、消化、吸收改進(jìn)國(guó)外先進(jìn)改性設(shè)備，始終是我們關(guān)注的重點(diǎn)，相信還會(huì)有更新、更好的改性設(shè)備引進(jìn)。
    (3)對(duì)大家最熟悉的高冷攪機(jī)組進(jìn)行改革，使它的功能不斷提高，最終能滿(mǎn)足粉體表面改性的要求。