1、現(xiàn)狀
    粉體表面改性設備，主要擔負三項職責，一是混合，二是分散，三是表面改性劑在設備中熔化和均勻分散到物料表面，并產(chǎn)生良好的結(jié)合。由于混合物的種類和性質(zhì)各不相同，混合、分散表面改性要求的質(zhì)量指標也不相同，因而出現(xiàn)多種性質(zhì)不同的改型設備，而這些設備大多數(shù)是從化工機械中借用過來的，并不能很好地完成改性任務。主要使用的改性設備有：重力混合器，氣動混合器，轉(zhuǎn)鼓式混合機，V形混合機，Z形混合機，高速混合機及高速混合機和冷卻混合機組（簡稱高冷攪機組），開煉機，密煉機，混煉型單螺桿擠出機，布斯混煉機，雙螺桿擠出機，以及靜態(tài)混合器，空腔混合器和拉伸混合器等。這些設備存在的主要問題：
    (1)大多數(shù)是間歇式的，連續(xù)式設備如單、雙螺桿擠出機大多是直線運動式，混合效果差。存在產(chǎn)量低，能耗大，工人勞動強度高，易造成環(huán)境污染等問題。
    (2)升溫慢，改性時間長，相反改性劑用量大，改性效果差。
    (3)相比較而言，對于粉體表面改性設備，大家還是選擇高冷攪機組，一是價格低，二是設備耐用，易操作，改性效果相對較好。
    (4)與國外設備相比，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90年代開始，中國的有識之士已經(jīng)開始著手對中國現(xiàn)有的改性設備進行改革，到2002年已經(jīng)取得巨大的進步，本文著重介紹引進國外連續(xù)改性機型和對高冷攪機組進行的改進。
2、引進國外機型
    引進、吸收、消化國外先進設備，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)共同引進開發(fā)的改性設備已經(jīng)問世，且價格大大低于購買國外同類設備。
2.1PSC系列粉體表面改性機
    由原武漢工業(yè)大學北京研究生部非金屬礦所和青島礦山設備有限公司共同開發(fā)研制成功的PSC系列粉體表面改性機是表面化學改性的專用設備，它具有設計先進，科學，能連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)量高，能耗低，自動化程度高，工人勞動強度低，無粉塵污染，且表面改性劑用量少，包覆率高等特點。
2.1.1  PSC表面改性機結(jié)構(gòu)特征及工作原理
    本機由給料輸送、主機、改性劑供給、排料、成品輸送、成品收集倉、加熱、給風、除塵等系統(tǒng)構(gòu)成。
    粉體原料經(jīng)給料輸送系統(tǒng)被送至主機上方的霧化室，在輸送過程中，由給料輸送機特設的加熱裝置將粉體加熱并干燥，與此同時固體狀的改性劑在專用加熱容器內(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)設有兩組噴嘴，并均通入由給風系統(tǒng)送來之熱壓力氣流，其中一組由四只噴嘴按補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，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，隨即進入主機，富通新能源銷售飼料攪拌機、皮帶輸送機等機械設備。
    主機由高速旋轉(zhuǎn)的主軸攪拌棒、沖擊錘、中間充滿循環(huán)導熱油的夾層筒體等部分組成。進入主機內(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。主機夾層內(nèi)循環(huán)流動的高溫導熱油使機內(nèi)始終保持著穩(wěn)定的工作溫度，此時粉體物料得到充分的包覆改性。主機出口處高速旋轉(zhuǎn)運動的沖擊錘將包覆改性的物料進一步?jīng)_擊、粉碎、有效地預防了物料可能形成的結(jié)團現(xiàn)象。
    改性后的物料經(jīng)螺旋輸送機再由氣流輸送管道送至成品收集倉。在氣流輸送過程中，利用輸送氣流將物料中過高的熱量吸收，并經(jīng)布袋除塵器除塵后排出室外，成品進入收集倉后即可降至可存儲的溫度。
2.1.2優(yōu)點
    (1)粉體原料在包覆改性之前進行預加熱，同時使原料充分干燥，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中的處理時間，并提高包覆率。PSC系列粉體表面改性與通用改性設備性能對比見表l。
    用PSC-400粉體表面改性機對多種礦物粉體原料進行了改性包覆試驗，表2為其中兩種物料試驗結(jié)果。
    通過試驗證明，PSC粉體表面改性機各項技術(shù)性能指標均達到設計要求，且造價僅為30萬元／厶，大大低于國外同類產(chǎn)品價格。
2.2復合式粉體連續(xù)改性系統(tǒng)
    復合式粉體連續(xù)改性系統(tǒng)是由清華大學材料系粉體工程研究室引進日本技術(shù)，由張家港市輕工機械廠牛產(chǎn)的新型表面改性設備。
    復合式粉體連續(xù)改性系統(tǒng)是由下列設備組成：傳動上料機、料倉、螺旋混合輸送給料器、高精度電子喂料器、臥式改性機、螺旋混合輸送器、三轉(zhuǎn)子改性機、旋風分離器、脈沖除塵器、風機、導熱油專熱器、電氣控制系統(tǒng)等。
    其主要特點：①連續(xù)進行改性，優(yōu)于間歇式生產(chǎn)；②粉體經(jīng)過預改性、預熱和預混合等前處理工序，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，在高速運動中實現(xiàn)瞬時改性，轉(zhuǎn)速達4 500r/min，足本系統(tǒng)核心設備；④采用導熱油加熱，可避免自摩擦升溫慢和電能的浪費；⑤系統(tǒng)負壓運行，密封性好，無粉塵污染。
    設備選型，該系統(tǒng)適合3 000～5 000t/a產(chǎn)量的改性企業(yè)，系統(tǒng)設備價格40萬元人民幣。
2.3  SLG型三筒連續(xù)粉體表面改性機
    由原武漢工業(yè)大學北京研究生院非金屬礦所和江陽市啟泰非金屬工程公司共同引進瑞典AGMW公司三筒高速強烈混合表面改性機(HSTP-3／1000)，定名為SLG型三筒連續(xù)粉體表面改性機，其外形結(jié)構(gòu)見圖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)過三個強烈混合室后從排料口排出。這種改性機依靠轉(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。
    該改性機連續(xù)生產(chǎn)，自動加藥，操作簡單，處理能力大。特別適合用硬脂酸類、各種偶聯(lián)劑等對碳酸鈣、滑石、云母、高嶺土、石英、硅灰石、夕線石等非金屬礦物填料進行連續(xù)表面改性處理。
3、高速混合機和冷卻混合機組的改進
    對于中國企業(yè)習慣使用的高冷攪機組進行改革使之適應粉體表面改性的需要，目前改革的思路集中在以下幾點：
    (1)加大功率，提高轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)強烈混合，對比國外（加拿大）強烈混合機，我們把500L高速混合機的電機功率從75kW加大到llOkW，把轉(zhuǎn)速提高到1 000r/min，加強剪切力，達到強烈混合改性的目的。
    (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量后自動投料，并采用PCL可編程序控制系統(tǒng)，實現(xiàn)半自動化。
    (3)改進混合攪拌設備，如改進漿葉材質(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。改進漿葉外形，呈流線形，減少運動阻尼，在超細粉體改性機中甚至采用三層漿葉設計。
    (4)主軸采用氣密封，徹底解決壓力過大和主軸漏粉問題。
    針對上述思路，現(xiàn)在已生產(chǎn)出兩種改革后的機型。
3.1  半自動化強烈混合改性機組
    由四川大學黃銳教授設計，由江蘇張家港市輕工機械廠生產(chǎn)BMD-IOOO微粉改性生產(chǎn)線工藝流程圖見圖2。
    該系統(tǒng)最大特點是利用電子稱全自動計量，使高速混合機的加料實現(xiàn)了遠距離自動操作，大大降低了人工勞動強度和人工計量不準的偏差，同時設備采用密封的管道連結(jié)，防止粉塵污染。
    主要工作原理：
    當CaC03原料經(jīng)過破碎，細磨，分級后物料由旋轉(zhuǎn)閥進入貯料倉中，貯料倉下面的三通閥可使物料根據(jù)不同要求分流到相應地點。若產(chǎn)品不改性，則由螺旋送料器送到包裝機進行包裝。產(chǎn)品需改性，則由螺旋送料器送到電子稱進行自動計量。
    若高攪是500L，冷攪是1060L，則每小時機組可混料1t。高攪為1000L，冷攪為3 500L，則每小時混料可達1.5—1.8t。在混合機加料過程中CaC03由電稱自動計量，改性助劑采用人工稱重，自動投料的方式進行。助劑由人工事先稱量好，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手動按鈕來控制投料。當稱重儀表顯示重量達到設定值的90%時，螺旋加料器自動轉(zhuǎn)換為低速加料，  達到設定值后自動停止加料。當下面活化機組允許向其投料時，電子稱下面的氣動插板閥自動打開，同時電子稱斗上的攪拌電機也開始運轉(zhuǎn)，斗壁上的倉壁振動器延時啟動，以保證物料全部放完。電子稱為零后，氣動插板閥自動關(guān)閉，電子稱進行下一循環(huán)的計量過程。
    電控系統(tǒng)采用PLC可編程控制器，可自動完成生產(chǎn)中每一部分的運行，所有工作狀態(tài)均可通過控制室模擬屏顯示，并可提供故障報警。此外，還設有專門密封除塵和防架橋裝置。確保車間無粉塵污染，主軸采用氣密封，防止壓力過大和主軸漏粉。
3.2超細粉體高冷攪機組改性機
    由青島遠東塑料工程公司設計制造的超細粉體新型高冷攪機組改性機，已經(jīng)生產(chǎn)出2L+6L實驗室機組，并申請了國家專利。
3.2.1原理
    目前國內(nèi)外各種高速捏合機的攪拌原理都是由攪拌器的結(jié)構(gòu)決定的。這些高速捏合機的攪拌器普遍采用槳式結(jié)構(gòu)。由于槳面的斜邊與運動方向成一定傾斜角，所以在攪拌器運動中，對成粉粒狀態(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。物料在混合過程中所需要的熱量主要來自摩擦熱，因此，在同轉(zhuǎn)速情況下，設備的容積愈大，其剪應力愈高，隨之摩擦升溫速率愈高。所以，當設備小于100L后，其摩擦熱變得很小，當設備小于10L時，摩擦熱幾乎等于零。所以100L以下的高速捏合機在工作時，根本不能依靠摩擦熱來達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，混合中的物料又達不到預塑化的效果。這就是實驗室數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)不能保持一致的重要原因之一。
    新型改性機是提供一種高分子材料配混用高速捏合機組，它在加工過程中能產(chǎn)生較高的剪應力，使小到2L的試驗設備在3～5min時間內(nèi)通過摩擦熱將物料升溫到預塑化溫度(110℃)，也可以在200—500 L容積狀態(tài)下將納米級等超細粉體材料進行預分散處理。
3.2.2工藝技術(shù)路線
    新型改性機是一種高分子材料高速捏合機組包括機體和安裝在機上的高速捏合機、低速捏合機兩部分，其中高速捏合機主要有帶降溫夾套的釜體、主軸、三層葉漿、釜蓋、折流板、傳動裝置、驅(qū)動電機構(gòu)成。低速捏合機主要由帶降溫夾套的釜體、主軸、低速葉漿、釜蓋、傳動裝置、驅(qū)動電機構(gòu)成。其特征是：所述高速捏合機的三層葉漿，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稱的二個流線體，與釜壁平行運動，作用是對被第一、二層槳葉拋向釜擘，并沿釜壁作摩擦上升的物料進行碾壓式剪切，稱之為上槳。這種剪應力較大，既能產(chǎn)生足夠的摩擦熱使物料升溫，又足以打破納米級粒子的團聚力，并對其進行預分散處理。所述折流板是針對三層葉漿的工作原理而設計成上覆式，其作用是將經(jīng)過流線體碾壓式剪切的物料折落向渦流中心。所述驅(qū)動電機和傳動裝置在用于小型試驗設備時，主軸的轉(zhuǎn)速不能低于1000r/min。在用于納米級粉體分散時，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。所述低速捏合機部分的作用是在相I—J時間內(nèi)將高速捏合機轉(zhuǎn)入的高溫物料不粘結(jié)的降至常溫。
    綜上所述，新型改性機由于采用新的攪拌原理和新型葉槳組合。強化了剪切分散混合能力，使摩擦熱有效地作用在2～100L小型試驗用設備中去，使小試的數(shù)據(jù)可以和工業(yè)化生產(chǎn)保持一致。同樣，這種強化了的剪切分散混合能力在用于200～500L高速捏合機時，可有效地對納米級粉體進行預分散處理的工業(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粉體預分散難等問題。
4、結(jié)論
    (1)近年來，隨著粉體表面改性深加工技術(shù)的發(fā)展，中國原有的改性設備已經(jīng)遠遠不能滿足需要，迫切需要對原有的改性設備進行改革和改進。
    (2)引進、消化、吸收改進國外先進改性設備，始終是我們關(guān)注的重點，相信還會有更新、更好的改性設備引進。
    (3)對大家最熟悉的高冷攪機組進行改革，使它的功能不斷提高，最終能滿足粉體表面改性的要求。