專利名稱：超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塑膠制品的加工方法，尤其涉及一種可以使塑膠制品性能改進(jìn)，成本降低的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法。
背景技術(shù)：
塑料、橡膠等相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝中往往需要在聚合物中均勻添加無(wú)機(jī)材料粉體，粉體的粒度一般在300目至800目(即46至18微米)左右，主要起填充增容作用，可以在一定程度上降低生產(chǎn)成本。但是添加量有一定的限度，因?yàn)殡S著添加量的增加，產(chǎn)品性能會(huì)急劇下降，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品難以成型加工和使用。
近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是納米技術(shù)的興起和發(fā)展，非金屬無(wú)機(jī)材料粉體(例如碳酸鈣等)的粒度已由原來(lái)的幾十微米被超細(xì)化到幾十納米，這種亞微米乃至納米級(jí)的無(wú)機(jī)剛性粒子添加到聚合物中之后，不但可使聚合物的成本更大程度的降低，還使聚合物性能也大幅度提高，這時(shí)的超微細(xì)無(wú)機(jī)材料粉體已不僅是“填充料”的概念，還具有對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能起到增強(qiáng)增韌的改性作用。
但是，伴隨著無(wú)機(jī)材料粉體的超微細(xì)化會(huì)出現(xiàn)的兩大問(wèn)題一是材料粉體越細(xì)成本越高；二是材料粉體越細(xì)二次團(tuán)聚的現(xiàn)象亦越嚴(yán)重。雖然在理論上無(wú)機(jī)材料粉體的粒度越細(xì)，添加到聚合物中的增強(qiáng)增韌效果越好，但是實(shí)際上由于超微細(xì)粉體發(fā)生二次團(tuán)聚的原因，在應(yīng)用時(shí)的實(shí)際粒度已大打折扣，比原始粒度可能會(huì)增加數(shù)倍甚至更多，這樣，產(chǎn)品性能不僅沒(méi)能隨著粉體的超細(xì)化程度的提高而提高，反而可能下降。因此，如何解決超微細(xì)粉體的分散問(wèn)題，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外納米、亞微米材料工業(yè)應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)和瓶徑。
目前，國(guó)內(nèi)外已報(bào)導(dǎo)的超細(xì)粉體分散方法有很多種，其原理不外乎用加溫法去除潮氣以解決液橋力問(wèn)題；用機(jī)械、物理手段以外作用力的方法打開(kāi)二次團(tuán)聚的粒子，然后用包裹助劑的方法加大無(wú)機(jī)材料粉體顆粒之間的距離以解決范得華力的問(wèn)題；以及用各種去除靜電的方法來(lái)解決無(wú)機(jī)粒子之間的靜電力問(wèn)題等；然而，這些方法都只是在一定程度上解決超細(xì)粉體的團(tuán)聚分散問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有產(chǎn)品加工制備中存在的上述缺點(diǎn)，而提供一種全新的超細(xì)粉體分散方法，該方法是根據(jù)級(jí)配分散的理論設(shè)計(jì)的，將若干種不同峰值粒度的粉體按一定比例進(jìn)行混合配制后，粉體顆粒在合理級(jí)配的情況下，顆粒堆積最密實(shí)，不同粒度顆粒分散最均勻，超微細(xì)粉體將被分散在大粒度顆粒的縫隙間，可有效解決粉體顆粒二次團(tuán)聚問(wèn)題；尤其當(dāng)大粒度顆粒是聚合物時(shí)，在加工過(guò)程中聚合物隨溫度升高變?yōu)槟z態(tài)，原被分散在大粒度顆粒縫隙間的超微細(xì)粉體自然均勻分布在凝膠態(tài)的聚合物中，從而使最終產(chǎn)品獲得更好的增強(qiáng)增韌效果。
本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其特征在于，將數(shù)種不同峰值粒度的超細(xì)粉體進(jìn)行混合配制，使粉體達(dá)到最佳分散效果。
前述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其中粒度分布為兩種峰值以上；所述峰值在300微米至15納米。
前述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其中超細(xì)粉體的材料為無(wú)機(jī)材料。
前述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其中超細(xì)粉體的材料為有機(jī)材料。
前述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其中超細(xì)粉體的材料為無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的混合材料。
前述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其中超細(xì)粉體的混配為單一無(wú)機(jī)材料的混配。
前述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其中超細(xì)粉體的混配為單一有機(jī)材料的混配。
前述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其中超細(xì)粉體的混配為單一無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的混合材料的混配。
前述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其中超細(xì)粉體的混配為無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料以及無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的混合材料中兩種以上材料的混配。
本發(fā)明有益效果是，該超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法是本發(fā)明在聚合物中添加超微細(xì)粉體技術(shù)領(lǐng)域中，首次根據(jù)級(jí)配分散理論和概念提出并實(shí)施的。級(jí)配是指將若干種不同粒度的粉體按一定比例進(jìn)行混配，級(jí)配分散方法是根據(jù)顆粒在合理級(jí)配的情況下堆積最密實(shí)，不同粒度顆粒分散最均勻的現(xiàn)象而設(shè)計(jì)提出，并經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和實(shí)際效果驗(yàn)證而確認(rèn)的。超微細(xì)粉體材料粒度越細(xì)發(fā)生二次團(tuán)聚的現(xiàn)象越嚴(yán)重，利用本發(fā)明首創(chuàng)的級(jí)配分散方法，如用同一種材料以若干種不同粒度按一定比例進(jìn)行混配，在混料過(guò)程中在很小外力作用下，即可最大限度地利用不同粒度粉體粒子之間的互相撞擊嵌合的作用力，使被混配粉體均勻分散。這種分散方法，不論對(duì)粉體顆粒間各種作用力的分析、從高倍顯微鏡下觀察，還是最后效果的檢驗(yàn)，均可靠的證明了二次團(tuán)聚現(xiàn)象大大低于相同粒度的超微細(xì)粉體；具有快速、節(jié)能、分散改性效果好的特點(diǎn)，并能較大幅度的降低成本，適用于各種需要分散、改性、混合的納米和亞微米粉體材料。當(dāng)級(jí)配設(shè)計(jì)中的某些粒度粉體是無(wú)機(jī)材料(例如碳酸鈣等)，而另一些粒度的粉體是聚合物(例如PVC、PP、PE、橡膠等)，在加工過(guò)程中聚合物變?yōu)槟z態(tài)時(shí)，無(wú)機(jī)粉體在聚合物中將得到其他分散方法無(wú)法達(dá)到的最佳分散狀態(tài)，從而使最終產(chǎn)品獲得更好的增強(qiáng)增韌效果。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明超細(xì)粉體級(jí)配分散方法的理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)。
顆粒間隙的空間幾何形狀在不同程度上影響它的全部填充特性，空隙取決于填充類型、顆粒形狀和粒度分布等因素。
(1)容積密度ρB是在一定填充狀態(tài)下，單位填充體積的粉體質(zhì)量，也稱表觀密度，單位為kg/m3。
公式 式中VB—粉體填充體積，m3；ρP—顆粒的密度Kg/m3；ε—空隙率；(2)填充率ψ是在一定填充狀態(tài)下，顆粒體積占粉體體積的比率。
公式 式中M—填充粉體的質(zhì)量。
(3)空隙率ε是空隙體積占粉體填充體積的比率。
公式ϵ=1-ψ=1-ρPρB]]>為了盡可能的增加填料的填充量，必需要使不同粒徑的顆粒緊密排列，才能降低空隙率。所以假設(shè)顆粒是球形顆粒，球體的堆積有緊密堆積和非緊密堆積的區(qū)分；緊密堆積包括六方緊密堆積和立方緊密堆積。六方緊密堆積(hexagonal closest packing)以ABABABAB為特征；立方緊密堆積(cubic closestpacking)以ABCABCABC為特征。這兩種堆積，其致密度和空隙率是相同的，其堆積結(jié)構(gòu)示意圖如附件1所示。
參閱附件2所示，為具有六方緊密堆積的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖，圖中紅球和籃球六方緊密堆積。在PVC/CaCO3，復(fù)合材料中，CaCO3顆粒在PVC顆粒中的分布，類似于緊密堆積中陰陽(yáng)粒子的相互填充。即假設(shè)CaCO3顆粒填充于密堆的PVC中，這樣借用緊密堆積理論，將圖中紅球假設(shè)為PVC顆粒，綠球假設(shè)為CaCO3顆粒，進(jìn)行計(jì)算相關(guān)的填充體積和質(zhì)量的關(guān)系。在六方最密排列中，六個(gè)等尺寸球之間圍成的四方孔洞有次大的一個(gè)球填充后，最初由四個(gè)等尺寸球之間圍成的三角孔洞由第三大的球所占據(jù)，進(jìn)而第四和第五大的球分別填進(jìn)由最初大球與次大球間的空隙及第三大的球與最初大球之間的空隙中，在六方最密堆積中，所有剩余空隙最終被相當(dāng)小尺寸的球所填滿，這種排列被稱作Horsfield最緊密堆積，該堆積性質(zhì)如表1所示。
表1 Horsfield最緊密堆積性質(zhì)

設(shè)PVC顆粒立力緊密堆積，直徑為100um，CaCO3顆粒按不同粒徑填充晶胞間的空隙，這里的空隙指八面體空隙和四面體空隙。則每次填充的CaCO3顆粒粒徑及質(zhì)量比由Horsfield堆積性質(zhì)可知，有以下表2所示結(jié)果
表2 PVC顆粒直徑為100um，每一次填充的CaCO3顆粒粒徑及質(zhì)量比

表3 不同直徑的PVC顆粒，每一次填充的CaCO3顆粒粒徑及質(zhì)量比

以PVC直徑為D＝100um為例，計(jì)算過(guò)程如下PVC半徑為r，則單位晶胞的體積為V=22r3,]]>由Horsfield堆積性質(zhì)可知其空隙率為0.2595，所以，PVC所占體積份數(shù)為(1-0.2595)VV×100%=74.05%]]>單位晶胞中PVC所占的質(zhì)量比為74.05×1.38＝102.189第二大球CaCO3的填充顆粒直徑為0.414D，所占體積份數(shù)(0.2595-0.207)VV×100%=5.25%]]>單位晶胞中第二大球CaCO3所占的質(zhì)量比為5.25×2.7＝14.175其它CaCO3顆粒的體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量比以此類推。
根據(jù)上述理論及數(shù)學(xué)推導(dǎo)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了采用級(jí)配分散方法克服超細(xì)粉體的二次團(tuán)聚問(wèn)題，該方法利用不同粒徑粉體相互間的作用力，再施予一定的外力，使被加工粉體材料互相撞擊和嵌合，達(dá)到充分解聚分散的效果，實(shí)現(xiàn)均勻混合的功效。利用該方法，在塑料產(chǎn)品的制備工藝中，向原料中超常規(guī)的大量添加超細(xì)重鈣粉體，然后對(duì)制成的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，產(chǎn)品原料中在添加大量超細(xì)重鈣粉體后仍然保持有同樣質(zhì)量和力學(xué)指標(biāo)，而且有效地降低了材料成本，試驗(yàn)還表明該方法可應(yīng)用于單一無(wú)機(jī)材料的混配，單一有機(jī)材料的混配，單一無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的混合材料的混配，無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料以及無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的混合材料中兩種以上材料的混配，因此，可以廣泛地應(yīng)用在復(fù)合材料不同粒徑材料的混配工藝中。
基于剛性粒子增強(qiáng)增靱理論和超微細(xì)粉體的類納米效應(yīng)，在對(duì)塑料制品進(jìn)行超常規(guī)量添加超細(xì)重鈣粉體的大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)本發(fā)明創(chuàng)立的級(jí)配分散理論，發(fā)明人又進(jìn)行了大量級(jí)配方法的試驗(yàn)，取得了很好的效果。實(shí)驗(yàn)證明，在使用同等份額的PVC和超細(xì)重鈣時(shí)，使用級(jí)配材料可有效提高制品性能指標(biāo)并可大幅度降低超微細(xì)重鈣粉體的成本?，F(xiàn)就PVC管件(注塑件)和管材制品為實(shí)施例，分述如下一、試驗(yàn)的條件(一)高混使用市售的“聯(lián)冠”10L可調(diào)速高混機(jī)；按下述各實(shí)施例所列配方，一次性投料；環(huán)境溫度為室內(nèi)常溫；轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)；混配時(shí)間為10分鐘；混合溫度為常溫至105℃出料。
(二)制品流變學(xué)試驗(yàn)使用市售的德國(guó)HAAKE最新型轉(zhuǎn)矩流變儀(HAAKE Polylad Syetom HAAKE Rheomix 600P聚合物試驗(yàn)室系統(tǒng))；設(shè)定溫度為170-180℃；轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分；塑化時(shí)間為6分鐘。
(三)檢測(cè)儀器采用市售的“高鐵”GT-7010-AE微電腦拉力式驗(yàn)機(jī)(標(biāo)準(zhǔn)試件)。
現(xiàn)將實(shí)施例1至實(shí)施例6分別敘述于下實(shí)施例1在100份PVC原材料中添加35份超細(xì)重鈣粉體，制備管件(注塑件)。

試驗(yàn)結(jié)論通過(guò)實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)可以看出，在PVC制品中超常規(guī)添加同等份額超細(xì)重鈣粉體時(shí)，使用級(jí)配超細(xì)重鈣比使用單一6000目超細(xì)重鈣，制品拉伸強(qiáng)度提高2.4mpa，而且每噸超細(xì)重鈣粉體成本下降680元。
實(shí)施例2在100份PVC原材料中添加70份超細(xì)重鈣粉體，制備管材。

試驗(yàn)結(jié)論通過(guò)實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)可以看出，在PVC制品中超常規(guī)添加同等份額超細(xì)重鈣粉體時(shí)，使用級(jí)配超細(xì)重鈣比使用單一6000目超細(xì)重鈣，制品拉伸強(qiáng)度提高2.3mpa，而且每噸超細(xì)重鈣粉體成本下降702.14元。
實(shí)施例3在100份級(jí)配PVC原材料中添加35份6000目超細(xì)重鈣粉體，制備管件(注塑件)。

試驗(yàn)結(jié)論通過(guò)實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)可以看出，在PVC制品中超常規(guī)添加同等份額的超細(xì)重鈣粉體時(shí)，使用級(jí)配PVC比使用單一粒徑PVC，在成本不變的情況下，制品拉伸強(qiáng)度提高1.8mpa；如保持原拉伸強(qiáng)度，則可進(jìn)一步增加6000目重鈣粉體的添加量使成本下降。
實(shí)施例4在100份級(jí)配PVC原材料中添加70份6000目超細(xì)重鈣粉體，制備管材。

結(jié)論通過(guò)實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)可以看出，在PVC制品中超常規(guī)添加同等份額的超細(xì)重鈣時(shí)，使用級(jí)配PVC比使用單一粒徑PVC，在成本不變的情況下，制品拉伸強(qiáng)度提高1.7mpa，如保持原拉伸強(qiáng)度，則可進(jìn)一步增加6000目超細(xì)重鈣粉體的添加量，使成本下降。
實(shí)施例5在100份級(jí)配PVC原材料中添加35份級(jí)配超細(xì)重鈣粉體，制備管件(注塑件)。

試驗(yàn)結(jié)論通過(guò)實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)可以看出，在PVC制品中使用級(jí)配PVC和超常規(guī)添加同等份額的級(jí)配超微細(xì)重鈣粉體，比使用單一粒徑PVC和單一6000目超微細(xì)重鈣粉體，制品拉伸強(qiáng)度提高3.8mpa，而且每噸超微細(xì)重鈣粉體成本下降680元。如保持原拉伸強(qiáng)度指標(biāo)，則可進(jìn)一步增加級(jí)配超細(xì)重鈣粉體的添加量，使成本進(jìn)一步下降。
實(shí)施例6在100份級(jí)配PVC原材料中添加70份級(jí)配超微細(xì)重鈣粉體，制備管材。

試驗(yàn)結(jié)論通過(guò)實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)可以看出，在PVC制品中使用級(jí)配PVC和超常規(guī)添加同等份額的級(jí)配超微細(xì)重鈣粉體，比使用單一粒徑PVC和單一6000目超微細(xì)重鈣粉體，制品拉伸強(qiáng)度提高3.1mpa，而且每噸超微細(xì)重鈣分體成本可下降702.14元。如保持原拉伸強(qiáng)度指標(biāo)，則可進(jìn)一步增加級(jí)配超細(xì)重鈣粉體的添加量，使成本進(jìn)一步下降。
綜上所述并參閱附件3的查新報(bào)告，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其特征在于，將數(shù)種不同峰值粒度的超細(xì)粉體進(jìn)行混合配制，使粉體達(dá)到最佳分散效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其特征在于，所述粒度分布為兩種峰值以上；所述峰值在300微米至15納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其特征在于，所述超細(xì)粉體的材料為無(wú)機(jī)材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其特征在于，所述超細(xì)粉體的材料為有機(jī)材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其特征在于，所述超細(xì)粉體的材料為無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的混合材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其特征在于，所述超細(xì)粉體的混配為單一無(wú)機(jī)材料的混配。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其特征在于，所述超細(xì)粉體的混配為單一有機(jī)材料的混配。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其特征在于，所述超細(xì)粉體的混配為單一無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的混合材料的混配。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其特征在于，所述超細(xì)粉體的混配為無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料以及無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的混合材料中兩種以上材料的混配。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超細(xì)粉體的級(jí)配分散方法，其將數(shù)種不同峰值粒度的超細(xì)粉體進(jìn)行混合配制，使粉體達(dá)到最佳分散效果，峰值在300微米至15納米；超細(xì)粉體的材料為無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料、無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的混合材料、超細(xì)粉體的混配為單一無(wú)機(jī)材料的混配、單一有機(jī)材料的混配、單一無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的混合材料的混配以及無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料或者無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的混合材料中兩種以上材料的混配；該方法可使最終產(chǎn)品獲得更好的增強(qiáng)增韌效果。
文檔編號(hào)B01F3/00GK1600519SQ20041007230
公開(kāi)日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月8日
發(fā)明者王獲, 蔡沐, 周逸奇, 馮麗欣 申請(qǐng)人:天津市德昊科技開(kāi)發(fā)有限公司