超細粉體的級配分散方法
2023-05-30 08:54:56
專利名稱：超細粉體的級配分散方法
技術領域：
本發明涉及塑膠製品的加工方法，尤其涉及一種可以使塑膠製品性能改進，成本降低的超細粉體的級配分散方法。
背景技術：
塑料、橡膠等相關產品的生產工藝中往往需要在聚合物中均勻添加無機材料粉體，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成本。但是添加量有一定的限度，因為隨著添加量的增加，產品性能會急劇下降，甚至會導致產品難以成型加工和使用。
近年來隨著科學技術的進步，特別是納米技術的興起和發展，非金屬無機材料粉體(例如碳酸鈣等)的粒度已由原來的幾十微米被超細化到幾十納米，這種亞微米乃至納米級的無機剛性粒子添加到聚合物中之後，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，這時的超微細無機材料粉體已不僅是「填充料」的概念，還具有對產品的力學性能起到增強增韌的改性作用。
但是，伴隨著無機材料粉體的超微細化會出現的兩大問題一是材料粉體越細成本越高；二是材料粉體越細二次團聚的現象亦越嚴重。雖然在理論上無機材料粉體的粒度越細，添加到聚合物中的增強增韌效果越好，但是實際上由於超微細粉體發生二次團聚的原因，在應用時的實際粒度已大打折扣，比原始粒度可能會增加數倍甚至更多，這樣，產品性能不僅沒能隨著粉體的超細化程度的提高而提高，反而可能下降。因此，如何解決超微細粉體的分散問題，是當前國內外納米、亞微米材料工業應用中需要解決的關鍵技術和瓶徑。
目前，國內外已報導的超細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題；用機械、物理手段以外作用力的方法打開二次團聚的粒子，然後用包裹助劑的方法加大無機材料粉體顆粒之間的距離以解決範得華力的問題；以及用各種去除靜電的方法來解決無機粒子之間的靜電力問題等；然而，這些方法都只是在一定程度上解決超細粉體的團聚分散問題。
發明內容
本發明的主要目的在於克服現有產品加工製備中存在的上述缺點，而提供一種全新的超細粉體分散方法，該方法是根據級配分散的理論設計的，將若干種不同峰值粒度的粉體按一定比例進行混合配製後，粉體顆粒在合理級配的情況下，顆粒堆積最密實，不同粒度顆粒分散最均勻，超微細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聚問題；尤其當大粒度顆粒是聚合物時，在加工過程中聚合物隨溫度升高變為凝膠態，原被分散在大粒度顆粒縫隙間的超微細粉體自然均勻分布在凝膠態的聚合物中，從而使最終產品獲得更好的增強增韌效果。
本發明的目的是由以下技術方案實現的。
本發明超細粉體的級配分散方法，其特徵在於，將數種不同峰值粒度的超細粉體進行混合配製，使粉體達到最佳分散效果。
前述的超細粉體的級配分散方法，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。
前述的超細粉體的級配分散方法，其中超細粉體的材料為無機材料。
前述的超細粉體的級配分散方法，其中超細粉體的材料為有機材料。
前述的超細粉體的級配分散方法，其中超細粉體的材料為無機和有機材料的混合材料。
前述的超細粉體的級配分散方法，其中超細粉體的混配為單一無機材料的混配。
前述的超細粉體的級配分散方法，其中超細粉體的混配為單一有機材料的混配。
前述的超細粉體的級配分散方法，其中超細粉體的混配為單一無機和有機材料的混合材料的混配。
前述的超細粉體的級配分散方法，其中超細粉體的混配為無機材料、有機材料以及無機和有機材料的混合材料中兩種以上材料的混配。
本發明有益效果是，該超細粉體的級配分散方法是本發明在聚合物中添加超微細粉體技術領域中，首次根據級配分散理論和概念提出並實施的。級配是指將若干種不同粒度的粉體按一定比例進行混配，級配分散方法是根據顆粒在合理級配的情況下堆積最密實，不同粒度顆粒分散最均勻的現象而設計提出，並經數學推導和實際效果驗證而確認的。超微細粉體材料粒度越細發生二次團聚的現象越嚴重，利用本發明首創的級配分散方法，如用同一種材料以若干種不同粒度按一定比例進行混配，在混料過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，還是最後效果的檢驗，均可靠的證明了二次團聚現象大大低於相同粒度的超微細粉體；具有快速、節能、分散改性效果好的特點，並能較大幅度的降低成本，適用於各種需要分散、改性、混合的納米和亞微米粉體材料。當級配設計中的某些粒度粉體是無機材料(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)，在加工過程中聚合物變為凝膠態時，無機粉體在聚合物中將得到其他分散方法無法達到的最佳分散狀態，從而使最終產品獲得更好的增強增韌效果。
具體實施例方式
本發明超細粉體級配分散方法的理論分析和數學推導。
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，空隙取決於填充類型、顆粒形狀和粒度分布等因素。
(1)容積密度ρB是在一定填充狀態下，單位填充體積的粉體質量，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是在一定填充狀態下，顆粒體積佔粉體體積的比率。
公式 式中M—填充粉體的質量。
(3)空隙率ε是空隙體積佔粉體填充體積的比率。
公式=1-=1-PB]]>為了儘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為特徵；立方緊密堆積(cubic closestpacking)以ABCABCABC為特徵。這兩種堆積，其緻密度和空隙率是相同的，其堆積結構示意圖如附件1所示。
參閱附件2所示，為具有六方緊密堆積的晶胞結構示意圖，圖中紅球和籃球六方緊密堆積。在PVC/CaCO3，複合材料中，CaCO3顆粒在PVC顆粒中的分布，類似於緊密堆積中陰陽粒子的相互填充。即假設CaCO3顆粒填充於密堆的PVC中，這樣借用緊密堆積理論，將圖中紅球假設為PVC顆粒，綠球假設為CaCO3顆粒，進行計算相關的填充體積和質量的關係。在六方最密排列中，六個等尺寸球之間圍成的四方孔洞有次大的一個球填充後，最初由四個等尺寸球之間圍成的三角孔洞由第三大的球所佔據，進而第四和第五大的球分別填進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，所有剩餘空隙最終被相當小尺寸的球所填滿，這種排列被稱作Horsfield最緊密堆積，該堆積性質如表1所示。
表1 Horsfield最緊密堆積性質
設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，這裡的空隙指八面體空隙和四面體空隙。則每次填充的CaCO3顆粒粒徑及質量比由Horsfield堆積性質可知，有以下表2所示結果
表2 PVC顆粒直徑為100um，每一次填充的CaCO3顆粒粒徑及質量比
表3 不同直徑的PVC顆粒，每一次填充的CaCO3顆粒粒徑及質量比
以PVC直徑為D＝100um為例，計算過程如下PVC半徑為r，則單位晶胞的體積為V=22r3,]]>由Horsfield堆積性質可知其空隙率為0.2595，所以，PVC所佔體積份數為(1-0.2595)VV100%=74.05%]]>單位晶胞中PVC所佔的質量比為74.05×1.38＝102.189第二大球CaCO3的填充顆粒直徑為0.414D，所佔體積份數(0.2595-0.207)VV100%=5.25%]]>單位晶胞中第二大球CaCO3所佔的質量比為5.25×2.7＝14.175其它CaCO3顆粒的體積分數和質量比以此類推。
根據上述理論及數學推導，本發明設計了採用級配分散方法克服超細粉體的二次團聚問題，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，達到充分解聚分散的效果，實現均勻混合的功效。利用該方法，在塑料產品的製備工藝中，向原料中超常規的大量添加超細重鈣粉體，然後對製成的產品質量進行檢測，檢測結果表明，產品原料中在添加大量超細重鈣粉體後仍然保持有同樣質量和力學指標，而且有效地降低了材料成本，試驗還表明該方法可應用於單一無機材料的混配，單一有機材料的混配，單一無機和有機材料的混合材料的混配，無機材料、有機材料以及無機和有機材料的混合材料中兩種以上材料的混配，因此，可以廣泛地應用在複合材料不同粒徑材料的混配工藝中。
基於剛性粒子增強增靱理論和超微細粉體的類納米效應，在對塑料製品進行超常規量添加超細重鈣粉體的大量試驗的基礎上，依據本發明創立的級配分散理論，發明人又進行了大量級配方法的試驗，取得了很好的效果。實驗證明，在使用同等份額的PVC和超細重鈣時，使用級配材料可有效提高製品性能指標並可大幅度降低超微細重鈣粉體的成本。現就PVC管件(注塑件)和管材製品為實施例，分述如下一、試驗的條件(一)高混使用市售的「聯冠」10L可調速高混機；按下述各實施例所列配方，一次性投料；環境溫度為室內常溫；轉速為1500轉；混配時間為10分鐘；混合溫度為常溫至105℃出料。
(二)製品流變學試驗使用市售的德國HAAKE最新型轉矩流變儀(HAAKE Polylad Syetom HAAKE Rheomix 600P聚合物試驗室系統)；設定溫度為170-180℃；轉速為30轉/分；塑化時間為6分鐘。
(三)檢測儀器採用市售的「高鐵」GT-7010-AE微電腦拉力式驗機(標準試件)。
現將實施例1至實施例6分別敘述於下實施例1在100份PVC原材料中添加35份超細重鈣粉體，製備管件(注塑件)。
試驗結論通過實驗和檢測可以看出，在PVC製品中超常規添加同等份額超細重鈣粉體時，使用級配超細重鈣比使用單一6000目超細重鈣，製品拉伸強度提高2.4mpa，而且每噸超細重鈣粉體成本下降680元。
實施例2在100份PVC原材料中添加70份超細重鈣粉體，製備管材。
試驗結論通過實驗和檢測可以看出，在PVC製品中超常規添加同等份額超細重鈣粉體時，使用級配超細重鈣比使用單一6000目超細重鈣，製品拉伸強度提高2.3mpa，而且每噸超細重鈣粉體成本下降702.14元。
實施例3在100份級配PVC原材料中添加35份6000目超細重鈣粉體，製備管件(注塑件)。
試驗結論通過實驗和檢測可以看出，在PVC製品中超常規添加同等份額的超細重鈣粉體時，使用級配PVC比使用單一粒徑PVC，在成本不變的情況下，製品拉伸強度提高1.8mpa；如保持原拉伸強度，則可進一步增加6000目重鈣粉體的添加量使成本下降。
實施例4在100份級配PVC原材料中添加70份6000目超細重鈣粉體，製備管材。
結論通過實驗和檢測可以看出，在PVC製品中超常規添加同等份額的超細重鈣時，使用級配PVC比使用單一粒徑PVC，在成本不變的情況下，製品拉伸強度提高1.7mpa，如保持原拉伸強度，則可進一步增加6000目超細重鈣粉體的添加量，使成本下降。
實施例5在100份級配PVC原材料中添加35份級配超細重鈣粉體，製備管件(注塑件)。
試驗結論通過實驗和檢測可以看出，在PVC製品中使用級配PVC和超常規添加同等份額的級配超微細重鈣粉體，比使用單一粒徑PVC和單一6000目超微細重鈣粉體，製品拉伸強度提高3.8mpa，而且每噸超微細重鈣粉體成本下降680元。如保持原拉伸強度指標，則可進一步增加級配超細重鈣粉體的添加量，使成本進一步下降。
實施例6在100份級配PVC原材料中添加70份級配超微細重鈣粉體，製備管材。
試驗結論通過實驗和檢測可以看出，在PVC製品中使用級配PVC和超常規添加同等份額的級配超微細重鈣粉體，比使用單一粒徑PVC和單一6000目超微細重鈣粉體，製品拉伸強度提高3.1mpa，而且每噸超微細重鈣分體成本可下降702.14元。如保持原拉伸強度指標，則可進一步增加級配超細重鈣粉體的添加量，使成本進一步下降。
綜上所述並參閱附件3的查新報告，本發明與現有技術相比，具有具有突出的實質性特點和顯著進步。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1.一種超細粉體的級配分散方法，其特徵在於，將數種不同峰值粒度的超細粉體進行混合配製，使粉體達到最佳分散效果。
2.根據權利要求1所述的超細粉體的級配分散方法，其特徵在於，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.根據權利要求1所述的超細粉體的級配分散方法，其特徵在於，所述超細粉體的材料為無機材料。
4.根據權利要求1所述的超細粉體的級配分散方法，其特徵在於，所述超細粉體的材料為有機材料。
5.根據權利要求1所述的超細粉體的級配分散方法，其特徵在於，所述超細粉體的材料為無機和有機材料的混合材料。
6.根據權利要求1所述的超細粉體的級配分散方法，其特徵在於，所述超細粉體的混配為單一無機材料的混配。
7.根據權利要求1所述的超細粉體的級配分散方法，其特徵在於，所述超細粉體的混配為單一有機材料的混配。
8.根據權利要求1所述的超細粉體的級配分散方法，其特徵在於，所述超細粉體的混配為單一無機和有機材料的混合材料的混配。
9.根據權利要求1所述的超細粉體的級配分散方法，其特徵在於，所述超細粉體的混配為無機材料、有機材料以及無機和有機材料的混合材料中兩種以上材料的混配。
全文摘要
本發明提供一種超細粉體的級配分散方法，其將數種不同峰值粒度的超細粉體進行混合配製，使粉體達到最佳分散效果，峰值在300微米至15納米；超細粉體的材料為無機材料、有機材料、無機和有機材料的混合材料、超細粉體的混配為單一無機材料的混配、單一有機材料的混配、單一無機和有機材料的混合材料的混配以及無機材料、有機材料或者無機和有機材料的混合材料中兩種以上材料的混配；該方法可使最終產品獲得更好的增強增韌效果。
文檔編號B01F3/00GK1600519SQ20041007230
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月8日 優先權日2004年10月8日
發明者王獲, 蔡沐, 周逸奇, 馮麗欣 申請人:天津市德昊科技開發有限公司