引言
在塑料、橡膠、涂料、膠粘劑等高分子材料工業(yè)及高聚物基復合材料領(lǐng)域中， 無(wú)機填料占有很重要的地位。在研究硅酸鈣微粉填充到塑料中的應用技術(shù)過(guò)程中， 由于硅酸鈣微粉具有很強的親水性和表面團聚力， 硅酸鈣微粉不能均勻地分散到塑料中， 而是團聚在塑料的上表面， 所以硅酸鈣微粉在使用前必須進(jìn)行改性處理。
目前國內沒(méi)有能在實(shí)驗室對硅酸鈣微粉改性的專(zhuān)用設備， 其他改性設備如高速混合機等改性效果達不到實(shí)驗要求。為促進(jìn)硅酸鈣母粒在塑料中的示范性應用， 本文研究設計了一種變速式表面改性機。該機專(zhuān)用于實(shí)驗室等小規模制備改性粉體和進(jìn)行改進(jìn)劑配方實(shí)驗研究。本改性機通過(guò)對硅酸鈣粉體的改性實(shí)驗，活化指數高達98%， 證明本改性機具有良好的改性效果。
1 變速式表面改性機的結構和改性工藝流程
變速式表面改性機的結構和改性工藝流程如圖1所示，無(wú)機粉體和改性劑經(jīng)過(guò)稱(chēng)重后從上料口加入到改性罐內， 通過(guò)對改性罐加熱和抽真空除去罐內粉體所含的水分， 通過(guò)控制改性葉片的速度對粉體進(jìn)行包覆改性及解聚， 最后打開(kāi)改性罐底取出改性后的粉體。
2 變速式表面改性機的主要技術(shù)參數
變速式表面改性機的主要的性能及工作能力參見(jiàn)表1。
 3 變速式表面改性機關(guān)鍵技術(shù)及措施
3.1 改性機的速度可調
不同粉體使用高速混合機械進(jìn)行機械力化學(xué)方式改性時(shí)最佳的改性速度是不一樣的， 同種粉體顆粒度和所使用的改性劑不一樣時(shí)最佳改性速度也會(huì )有差異。本改性機的優(yōu)點(diǎn)是能根據改性對象不同調整改性機的速度和加速度以達到最好的改性效果。改性機的改性葉片通過(guò)傳動(dòng)軸連接在電機上， 改性葉片的轉速和電機的轉速同步， 從而通過(guò)改變電機的速度來(lái)改變改性葉片的速度。
電機的變速是由改變控制電機的變頻器的頻率來(lái)實(shí)現的， 變頻器的頻率則是由內置的PLC程序來(lái)控制。電機為三相異步小功率電機、額定功率1 . 5 k W 、額定轉速2 800 r/min、額定電壓220 V/380 V。變頻器參數為220 V、2.2 kW，變頻范圍0~500 Hz。通過(guò)改變變頻器的頻率，電機可以同時(shí)設置7個(gè)運行速度段及其相應的時(shí)間、7個(gè)加速度段及其相應的加速時(shí)間， 每個(gè)速度段的速度可以設置成從0~28 000 r/min之間的任意一個(gè)速度。由于受到攪拌軸穩定性的制約， 葉片工作時(shí)的實(shí)際速度段設置為0~5 000 r/min中的任意一個(gè)速度。
3.2 改性葉片設計
改性機的改性葉片為兩片十字交叉的齒形葉片。齒形葉片（如圖2所示）正面為鋸齒形，齒形斜角為25°，背面為圓弧型面。改性葉片最下端距離改性罐底7 mm，改性葉片兩端距離改性罐壁5 mm。改性機運行時(shí)改性葉片低速逆時(shí)針和高速順時(shí)針交替運轉。當改性葉片低速逆時(shí)針運轉時(shí)， 改性葉片的背面發(fā)揮主要作用。葉片圓弧型面的轉動(dòng)使得改性罐內的粉體成批的圍繞攪拌軸轉動(dòng)， 并在離心力的作用下拋向改性罐壁， 葉片上表面和下表面的粉體在葉片剪切力作用下移動(dòng)， 位于葉片上面的粉體在重力作用下填充到葉片轉過(guò)留下的空隙， 粉體在上面幾個(gè)作用力的共同作用下在改性罐內進(jìn)行強力地攪拌混合， 使得粉體和改性劑進(jìn)行充分接觸并進(jìn)行包覆改性。
當改性葉片高速順時(shí)針運轉時(shí)改性葉片的正面發(fā)揮主要作用， 由于齒形面為傾斜面， 粉體被斜上拋起， 在離心力的作用下沿改性罐內壁向上運動(dòng)， 當上升到一定高度后在重力作用下回到改性罐底， 粉體在改性罐內呈連續的螺旋狀上升和下降運動(dòng)， 由于高速運動(dòng)的粉體和改性葉片的齒間的撞擊力很大， 高速運轉的齒將改性后的粉體團塊擊碎起到解聚的作用， 高速運轉的改性葉片帶動(dòng)粉體在改性罐內做高速運動(dòng)， 粉體間的相互碰撞和摩擦使得粉體進(jìn)一步交叉混合改性。通過(guò)改性葉片低速逆時(shí)針攪拌混合和高速順時(shí)針解聚交替運行最終達到最佳的改性效果。
 3.3 電加熱和抽真空系統
粉體改性時(shí)的溫度需要控制在一定范圍內。不同的改性劑的物理性質(zhì)與溫度有密切關(guān)系， 溫度過(guò)高時(shí)有的改性劑會(huì )揮發(fā)或分解；改性溫度過(guò)低改性劑的粘稠度會(huì )相應變高， 這會(huì )影響改性劑對粉體的包覆效果。為滿(mǎn)足不同改性劑的溫度要求， 本改性機的改性罐外側帶有電加熱層和保溫層。電加熱器的功率為1 . 6 k W ， 保溫層為陶瓷纖維棉。通過(guò)設置電加熱器的溫控裝置就可以實(shí)現所需要的改性溫度，溫度可以控制在20~180℃范圍內。
大多數無(wú)機粉體填料表面有親水性基團，并呈極性，容易吸附水分，而改性劑是有機聚合物具有憎水性， 吸附水分后的無(wú)機填料粉體不容易被改性劑包覆。為了使改性劑更加充分地包覆無(wú)機粉體填料達到改性的目的， 就需要除去粉體中的水分。本改性機通過(guò)對粉體進(jìn)行加熱使粉體中的水分變成水蒸汽， 然后采用抽真空的方式除去粉體中的水分。改性機工作時(shí)溫度一般控制100~180℃，真空度為0.5 MPa。
4 改性機對硅酸鈣粉體的改性實(shí)驗
4.1 改性機對硅酸鈣粉體的改性實(shí)驗
實(shí)驗用品: 改性劑為鈦酸酯偶聯(lián)劑1 1 4（AR)，溶劑為液體石蠟，被改性粉體為1 500目的硅酸鈣粉體。實(shí)驗前將鈦酸酯和液體石蠟按1:1的比例混合均勻。實(shí)驗時(shí)先將稱(chēng)量后的硅酸鈣粉體倒入改性機， 然后將占硅酸鈣粉體重量2%的鈦酸酯和液體石蠟的混合溶液倒入改性機,最后啟動(dòng)改性機進(jìn)行改性實(shí)驗。
表2 中實(shí)驗編號1~7改性機電機的速度設置（參數見(jiàn)圖3）均有：低速段速度見(jiàn)表2，低速段時(shí)間：T1=T3=T5=5 min；高速段速度：s 2=s 4=s 6=3 360 r/min，高速段時(shí)間：T2=T4=T6=5 min；啟動(dòng)時(shí)加速時(shí)間：T7=1/15 min；各個(gè)速度段間的變速時(shí)間： T 8=1/6 min； 電機停止時(shí)的減速時(shí)間：T9=1/10 min。
表2 中實(shí)驗編號8~9改性機電機的速度設置(參數見(jiàn)圖3)均有：低速段速度見(jiàn)表2，低速段時(shí)間：T1=T3=T5=3 min；高速段速度： s 2= s 4= s 6 =3 360 r/min，高速段時(shí)間：T2=T4=T6=3 min；啟動(dòng)時(shí)加速時(shí)間：T7=1/15 min；各個(gè)速度段間的變速時(shí)間： T 8=1/6 min； 電機停止時(shí)的減速時(shí)間：T9=1/10 min。
 4.3 實(shí)驗結論
圖4 原粉的顆粒
圖5 試驗編號3的顆粒
圖6 試驗編號4的顆粒
由圖4原粉的顆粒、圖5實(shí)驗編號3的顆粒、圖6 實(shí)驗編號4 的顆粒進(jìn)行對比可以知道： 改性后的硅酸鈣顆粒變小了。顆粒度變小說(shuō)明改性過(guò)程中改性葉片不僅對硅酸鈣粉體具有較好的解聚作用， 而且對粉體還具有粉碎作用。硅酸鈣粉體作為高分子材料的填料， 改性后的顆粒越小則硅酸鈣在高分子材料中分布越廣泛， 越能增強高分子材料的強度等物理性能。
對比實(shí)驗編號3 與8 、實(shí)驗編號4 與9 可知：每個(gè)速度段除改性時(shí)間不一樣以外其他值幾乎完全一樣， 3 和4 的每個(gè)速度段運行時(shí)間為5 min，8和9的每個(gè)速度段運行時(shí)間為3 min。3和4的改性效果比8和9好，說(shuō)明改性時(shí)間越長(cháng)改性效果越好。
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