多相體系物料制備

1、第五章多相體系物料制備本章內(nèi)容及要求本章共三節(jié),教授課時(shí)4學(xué)時(shí),通過本章學(xué)習(xí),要掌握多相體系物料的制備.5.1 概述5.2 配料5.3 攪拌和捏合工藝具體內(nèi)容第一節(jié)概述無論是單一材料的加工,或是復(fù)合材料的制備,首先都要以兩種或兩種以上被加工后的礦物或巖石原料為基體,以輔助反響物料為助劑,在一定的介質(zhì)環(huán)境中以及相應(yīng)的機(jī)械混合狀態(tài)下進(jìn)行制備均勻合格的多相體系物料.這種多相體系物料的制備工藝與方法及效果,在很大程度上決定了產(chǎn)品的最終性能與質(zhì)量.混合,是多相體系物料制備的根本目的；攪拌那么是實(shí)現(xiàn)這種目的的根本手段.但是在很多情況下,多相體系物料制備中的混合并不是單純的物理機(jī)械混合例如陶瓷原料配礦,水泥

2、生料的配料等,而經(jīng)常要在混合過程中,同時(shí)實(shí)現(xiàn)多相體系中各組分之間的外表化學(xué)或化學(xué)反響,有時(shí)也要在混合的同時(shí)實(shí)現(xiàn)物理機(jī)械剝離.因此,理解攪拌混合的實(shí)質(zhì),選擇合理的攪拌與混合工藝、設(shè)備是非常關(guān)鍵的.第二節(jié)配料一、配料的概念配料是根據(jù)不同種材料的理化性能、尺寸及外形,并應(yīng)考慮有關(guān)工藝因素,制定相應(yīng)的配方,確定材料的原料組成.就工藝過程來說,配料是將不同成分和粒度的顆粒料或粉料按一定的比例進(jìn)行配合的工序.配料分成分配合和粒度配合兩個(gè)方面.配料比表示重量百分比：如剛玉瓷的比方：工業(yè)氧化鋁95.0%,蘇州高齡土2%,海城滑石3%.礦物組成示性組成表示：把原料中所含的同類礦物含量合并在一起,如普通陶瓷重用粘

3、土礦物、長石類礦物及石英三種礦物的重量百分比表示胚體的組成.化學(xué)組成表示：如某日用瓷坯料二氧化硅66.88%,氧化鋁21.63%,氧化鐵0.47%,氧化鈣0.61%,氧化鎂0.37%,氧化鈉1.62%,灼減等.二、配料方法(1)體積法：如秤量車,此法簡單易于調(diào)節(jié),但精度較低.(2)重量法：如電子秤、微機(jī)配料等,此法較復(fù)雜但準(zhǔn)確度較高.三、配方的依據(jù)單獨(dú)一種原料,一般很難直接用來制造某一材料,更難以滿足產(chǎn)品的特定要求.通常都是采用多種原料互相配合,才能制造出符合特定要求材料產(chǎn)品.在擬訂原料配方時(shí),應(yīng)遵循以下各項(xiàng)原那么(以陶瓷產(chǎn)品配方為例)：1 .坯料和釉料的組成應(yīng)滿足產(chǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì)和使用要求

4、如釉面磚要求有一定的吸水率,才能牢固的粘貼在墻面上；在使用環(huán)境下反復(fù)升降溫不致開裂、剝落,壽命長；釉面光滑平整,顏色均一,尺寸規(guī)格一致,不僅能使建筑物整體美觀,而且便于施工.地磚要求吸水率較小,但應(yīng)耐磨,耐酸堿腐蝕和防滑等.日用瓷要求有一定的白度和透明度,并對釉面鉛的溶出量有嚴(yán)格限制.炊具用的耐燒陶瓷,直接經(jīng)受熱源加熱,蒸煮食物,故要求有較好的抗熱震性能和較高的導(dǎo)熱系數(shù).電磁要求有較高的機(jī)械強(qiáng)度和電絕緣性能等.對某一具體品種,都還有專門的要求,在國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,一般都列出了詳細(xì)的產(chǎn)品性能指標(biāo).擬訂配方時(shí),必須注意滿足這些具體要求.2 .擬訂配方時(shí)應(yīng)考濾生產(chǎn)工藝及設(shè)備條件一般來說

5、,對于坯料總是希望成型性能好,坯體強(qiáng)度高,有較寬的燒成范圍.燒成溫度,氣氛應(yīng)與窯爐的性能相適應(yīng).對于釉料那么要求其性能與胚體相適應(yīng).假設(shè)釉,坯料性質(zhì)相差過大,燒成時(shí)易出現(xiàn)坯體吸釉,造成干釉現(xiàn)象.釉的熔融溫度應(yīng)和坯體燒結(jié)溫度相近.釉的熱膨脹系數(shù)應(yīng)比坯體稍小,使冷卻時(shí)釉層受到不大壓應(yīng)力,有利于增加產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度和預(yù)防變形.當(dāng)采用低溫快速燒成工藝時(shí),配料應(yīng)選用燒成收縮小,灼減小的原料,減少粘土用量,降低配料中游離石英總量,增加溶劑成分等.3 .擬訂配方時(shí)應(yīng)考濾經(jīng)濟(jì)上的合理性我國地域遼闊,陶瓷原料儲(chǔ)量豐富,幾乎各地都有適合生產(chǎn)陶瓷的原料,假設(shè)舍近求遠(yuǎn),不僅運(yùn)費(fèi)增加,而且投產(chǎn)后也會(huì)帶來很多困難,因此選用

6、原料盡量做到就地取材,綜合利用.近年來一些建筑陶瓷企業(yè)就地利用磷礦渣,高爐礦渣等廢棄物試制面磚成功,不僅經(jīng)濟(jì)效益提升,而且減輕環(huán)境污染,帶來很好的社會(huì)效益.4 .可采用一些工廠或研究單位積累的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),借鑒成熟配方調(diào)查了解有關(guān)廠家正在使用的或研究單位研制的某種產(chǎn)品的成熟配方,可以縮短試驗(yàn)過程,減少人力物力的浪費(fèi).但在應(yīng)用外單位的成功配方時(shí),應(yīng)注意具體情況的差異,特別是各地出產(chǎn)的同種原料,性能和成分也可能有很大的不同,例如不同礦區(qū)出產(chǎn)的粘土,鋁含量波動(dòng)范圍就很大(可達(dá)13%40%),因此,不可機(jī)械地搬用,一定要慎重分析,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證,或在成功經(jīng)驗(yàn)的根底上進(jìn)行試驗(yàn)創(chuàng)新.最后應(yīng)以試驗(yàn)測定結(jié)果為配

7、方的依據(jù).5 .弄清各原料在陶瓷材料中的作用弄清各種原料在陶瓷材料中的作用及對材料性能的影響,是進(jìn)行配方試驗(yàn)的根底.陶瓷坯、釉料配方中包含的各種原料,在生成過程中或在材料結(jié)構(gòu)中有著不同的作用,了解這些規(guī)律,可使配方試驗(yàn)預(yù)防盲目性.在進(jìn)行配料實(shí)驗(yàn)和配方計(jì)算之前,必須對所用原料的化學(xué)組成、礦物組成和物理化學(xué)性質(zhì)以及工藝性能作全面的了解,充分發(fā)揮每一種原料的優(yōu)良特性、彌補(bǔ)其缺陷及負(fù)面作用.產(chǎn)品的物理一化學(xué)性能、使用要求是考慮坯、釉料組成的主要依據(jù),要熟悉有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求.四、配方的計(jì)算有根據(jù)礦物組成的計(jì)算、示性礦物組成計(jì)算、化學(xué)組成計(jì)算、實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算等計(jì)算方法,每一種材料的配方均有自己的計(jì)算方法,詳細(xì)

8、方法可查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊.第三節(jié)攪拌和捏合工藝一、攪拌作業(yè)1.攪拌概念及分類攪拌：習(xí)慣上通常是指物料處于流動(dòng)狀態(tài)下的拌合,有濕法及干法兩類.濕法是礦物在流體介質(zhì)中進(jìn)行分散,并在分散狀態(tài)下混合,或同時(shí)進(jìn)行物理化學(xué)和化學(xué)處理,操作上也稱打漿.半干法是礦物或材料在高含固量的溶液介質(zhì)中進(jìn)行混合并進(jìn)行物化反響的作業(yè),在操作上常稱為“擠壓或“捏合.干法是不同固體粉料的混合,也是實(shí)現(xiàn)氣一固相改型的重要手段.混合是多項(xiàng)體系物料制備的根本目的,攪拌是實(shí)現(xiàn)這種目的根本手段.不是用機(jī)械攪拌或者這種機(jī)械力很小,只起到分散及預(yù)防沉降分層的作用時(shí),稱為浸泡.不附帶分散的攪拌,將材料浸泡于含有活性組分的溶液中的操作稱為浸漬.

9、2.攪拌、混合操作的目的(1)制備均勻的礦物/礦物,礦物/聚合物,礦物/流體介質(zhì)混合料.如調(diào)和(拌合)、分散、調(diào)漿(打漿)、懸浮液、捏合、團(tuán)?；旌霞岸嘟M分礦物配礦等.(2)在上述工藝過程中,進(jìn)行礦物粉體或顆粒與相應(yīng)添加材料的化學(xué)反響或外表化學(xué)反響等改性,也常包括一些物理加工作業(yè).在攪拌或捏合過程中使物化反響充分進(jìn)行.(3)促進(jìn)傳質(zhì),如浸取、溶解、吸附、脫附、聚合、滲透、膠體化與聚凝化等.(4)促進(jìn)傳熱,在攪拌過程中的加熱或冷取.(5)是深加工或制品加工工藝過程的中間及儲(chǔ)藏作業(yè),為后續(xù)作業(yè)提供均勻、定量的供應(yīng)料.3.攪拌裝置的選擇一是經(jīng)驗(yàn),二是工業(yè)實(shí)例的比擬分析,三是中試.(1)以液體粘度和槽體

10、體積作為選型判定因素(2)根據(jù)操作目的和主要影響因素選型4.礦物材料的固一液相系攪拌1操作目的借助機(jī)械攪拌器的作用,將固體顆粒均勻地分散到液相中,形成固一液相混合物懸浮液在固一液相傳質(zhì)設(shè)備或化學(xué)反響器中,借攪拌器的作用使懸浮液強(qiáng)烈湍動(dòng),減小固體粒子周圍的液膜阻力,從而增大傳質(zhì)和化學(xué)反響速率,提升設(shè)備生產(chǎn)水平.例如化學(xué)浸出提純、膨潤土的酸化處理活性白土,以及各種礦物顆粒材料的改性覆蓋樹脂等,用途十分廣泛.此外,礦物材料的固-液相系攪拌,有時(shí)還可能有其他作用,主要是利用固-液相中礦物與礦物,礦物與液體的高速相對運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)洗滌,進(jìn)行選擇性解離.這時(shí),多數(shù)情況下除利用機(jī)械力之外,還利用化學(xué)藥劑分散劑、

11、活性劑或滲透劑等的聯(lián)合作用,例如粘土礦物的剝片與改型,云母礦物的化學(xué)剝片,石棉纖維的濕法與化學(xué)松解等.但是在這些解離過程中,對兩相液流的機(jī)械力作用尚缺乏深入的研究.如浸出提純,膨潤土的酸化處理活性白土,礦物改性等.還可以實(shí)現(xiàn)洗滌、選擇性解離、剝片、纖維的松解.固體懸浮操作2固體粒子在攪拌槽內(nèi)的懸浮狀有均勻懸浮、完全懸浮、槽底粒子都是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、槽底有粒子堆積的懸浮、懸浮高度等.6.攪拌器1攪拌器形式立式攪拌器常用的有渦輪式、推進(jìn)式、槳式三種.可根據(jù)介質(zhì)濃度、粘度、固一液相密度差的大小等相應(yīng)的選擇.化工用攪拌器幾乎都是立式的,但礦物原料加工用的那么有所不同,低濃度,或濃度較高但顆粒較細(xì)的礦漿如

12、200目,可選用立式攪拌器,常用的有渦輪式、推進(jìn)式、槳式三種.對低濃度、低粘度的細(xì)粒礦物懸浮物料,可選用渦輪式,葉輪位置靠近槽底部,利用渦輪的旋轉(zhuǎn)把槽底的粒子掃出,并使流體獲得很大的軸向循環(huán)速度.對纖維狀固體懸浮物可選用后彎葉片渦輪,尤其是在大直徑中更為有效.對固液相密度差較小,不易沉降的粒子沉降速度v1m/s=,可選用推進(jìn)式葉片,但是假設(shè)固體濃度大于50順粘度高時(shí)那么不適用.此外,當(dāng)需要在攪拌中充入空氣,并將空氣分散為小滴狀氣泡時(shí),渦輪式比推進(jìn)式更理想,例如泡沫石棉漿發(fā)泡工藝,以及污水處理、浮選除雜工藝等.槳式和錨式葉輪適用于固體物料很輕,并能自行飄浮,或在某些高粘度液體中固體環(huán)易沉淀的場合

13、,例如石棉濕法處理,海泡石的浸泡或粘土礦物稀漿的分散儲(chǔ)存等.二、捏合1捏合的定義在粉體物料中參加少量液體,以制備均勻的塑性物料或膏狀物料,在高粘稠物料內(nèi)參加少量的粉體或液體添加劑,制備成均勻混合物等,均稱為捏合,也可稱為半干法攪拌.它廣泛用于無機(jī)、有機(jī)高分子聚合物復(fù)合材料中,也廣泛應(yīng)用于化工、造紙、橡膠、塑料等工業(yè)中,例如橡膠中參加礦物及纖維材料,用粘土制陶瓷坯料,碳素材料中石墨與粘合劑的混合料,熱塑性樹脂中參加穩(wěn)定劑等.(a)直葉槳式3)彎葉渦輪(2折葉渦輪(打斜翼式直葉圓盤渦輪(h)螺帶式(i)螺旋式北各種攪拌葉輪B.推進(jìn)式攪拌器C,槳式攪界器圖5-1攪拌器形式(2)捏合操作目的及特點(diǎn) 目

14、的：制備出均勻的混合物 特點(diǎn)：處理物料的粘度或表觀粘度都大于105厘泊,最高可達(dá)幾億厘泊；大多是非牛頓流體,流動(dòng)性極小.因此,在捏合時(shí),不可能像攪拌低粘度液那樣利用分子擴(kuò)散,或湍流混合.捏合操作包括對被處理物料的分散和混合二種作用.捏合作業(yè)在極高的固體濃度及粘度下作業(yè),因此比其他任何混合操作都要困難,混合時(shí)間長,最終只能得到統(tǒng)計(jì)的完全混合狀態(tài).捏合操作要在單位容積投入功率很高的條件下才能操作,因此捏合機(jī)功率消耗很高,工作容量卻很小.捏合機(jī)的攪拌葉輪與機(jī)壁面的間隙大小,以及葉輪形狀對于操作非常重要.只有間隙很小,才能產(chǎn)生很強(qiáng)的剪切力,促使物料分散；葉輪形狀要適合待處理物料中任何粒子重復(fù)地經(jīng)受有效

15、力的作用,形成高效的捏合操作.捏合操作也常伴隨著加熱或冷卻過程.待處理物料,特別是粘著性強(qiáng)的物料,很容易粘著在壁面上,使機(jī)內(nèi)傳熱水平降低,以致造成機(jī)內(nèi)物料的溫度和粘度不均一,這時(shí),捏合機(jī)和操作性能會(huì)急劇惡化.為了保證傳熱速率,限制操作溫度,要求捏合機(jī)的單位容積的傳熱面積很大.同時(shí),還要求攪拌葉輪的葉片能夠穩(wěn)定而快速地刮除傳熱面上的粘著物料,并及時(shí)將它送回捏合有效區(qū)域.物料的進(jìn)料狀況,對捏合操作有影響.為了保證質(zhì)量,減少功率消耗和混合時(shí)間,必須對物料進(jìn)行處理.如果參加的固體是微量的,且溶于某一組分中,應(yīng)先將固體榮溶于此組分內(nèi),再與其他組分進(jìn)行捏合.在連續(xù)捏合機(jī)中物料的預(yù)處理,對保證捏合機(jī)的操作性

16、能和產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要.捏合與擠壓的關(guān)系：擠壓本質(zhì)上也是一種捏合過程,即在分散、混合操作的同時(shí)將混合料擠壓或撕裂成片狀物料.此外,在礦料改性作業(yè)中,也可采用擠壓法將礦物晶層間的離子與液相中的離子進(jìn)行交換,從而到達(dá)改性改型的目的,人工鈉就是典型的例子.捏合與擠壓都是在單位容積投入功率很高的條件下才能操作,但其分散、混合及滲透吸附或離子交換的效率也高,必要時(shí)還可輔以加熱處理,提升反響速率.(3)捏合機(jī)類型：小型捏合機(jī)(器)小型捏合器在圓筒槽內(nèi)的兩塊葉片,除繞葉片軸旋轉(zhuǎn)外,還作行星運(yùn)動(dòng).葉片與槽壁間隙為0.81.0mm.葉片旋轉(zhuǎn)時(shí),整個(gè)槽內(nèi)物料被反復(fù)攪拌和混合.捏好后升起葉片,使圓筒槽傾斜,卸出物料.

17、葉片可設(shè)計(jì)成不同形式,以適應(yīng)不同物料.可在真空或加壓下操作,槽工作容量約41140L,功率消耗0.1945kW.常用于粘度較低的物料,將葉片改良后用于106厘泊高粘度物料的捏合.陽54小型在合罌用4-3雙臂捏合機(jī)雙臂捏合機(jī)：雙臂捏合機(jī)安裝有兩塊Z型葉片,分別再不同轉(zhuǎn)速下相向旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速相向旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速比約為11.9.因此,機(jī)內(nèi)物料受到剪切力、拉伸力和分散等作用,同時(shí),推動(dòng)整個(gè)物料在軸向和徑向上運(yùn)動(dòng).葉片與槽間隙約1mm,對物料還有擠壓作用,消除了滯區(qū),因此物料混合良好.機(jī)內(nèi)葉片的安裝形式有兩葉片相切式和兩葉片重疊式.相切葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不斷改變相對位置,從而能快速混合物料；在單位容積內(nèi),葉片掠過的傳熱

18、面積大,傳熱速度大,葉片上不易纏繞物料.局部重疊式葉片常用于處理粘性物料,因有自清洗作用,能預(yù)防物料粘著在葉片上.各種片的形式：a.標(biāo)準(zhǔn)式葉片：應(yīng)用最廣泛,有良好的混合作用,卸料清洗方便.b.分散形葉片：混合水平Z型葉片低,但可生產(chǎn)更高的壓縮剪切力,多用于使細(xì)顆粒分散于粘質(zhì)物料中.c.Beken葉片：對膨脹性、橡膠狀物料混合性好.在捏合前,這類物料先被分割成小塊,能量消耗小,但對粘著性強(qiáng)的物料難以卸料和清洗.d.單弧形葉片：常用于摻和纖維增強(qiáng)筋入料的塑料.e.雙弧形葉片：適用于在Z形葉片上易纏繞成團(tuán)的物料捏合.雙臂捏合機(jī)的消耗功率在操作過程中是變化的,但有一個(gè)最大值.在對機(jī)械強(qiáng)度及功率進(jìn)行計(jì)算

19、時(shí)要以最大值考慮.雙臂捏合機(jī)應(yīng)用廣泛,工作容量2.73800,功率0.37234kW,單位工作容積功率消耗約23400W/m3.根據(jù)操作要求,可在夾套加熱或冷卻二況下,或在真空式加壓條件下進(jìn)行捏合.這類設(shè)備常用于摩擦、密封材料,石墨制品等生產(chǎn),也可用于粘土礦物各類配料制備.連續(xù)式捏合機(jī)：KO型捏合機(jī)：KO型捏合機(jī)為單螺旋擠壓機(jī)之一,其構(gòu)造如圖.在機(jī)內(nèi)螺旋葉輪上,每一螺旋葉片上都有三個(gè)切口.工作原理、特點(diǎn)、適用范圍M-P型捏合機(jī)一雙螺旋連續(xù)捏合機(jī)：混合機(jī)理一對流、剪切、擴(kuò)散三種機(jī)理的混合.三、混練使兩種以上不均勻物料的成分和顆粒度均勻化,促進(jìn)顆粒接觸和塑化的操作過程稱為混練.混練是混合的一種方式

20、,主要借助于機(jī)械能促使顆粒產(chǎn)生移動(dòng)來完成,伴隨有一定程度的擠壓、捏合、排氣過程在內(nèi).最終目的在于使配料中的成分和性質(zhì)均勻一單位重量或體積內(nèi)具有同樣的成分和顆粒組成.各組分分布地均勻程度與顆粒相遇次數(shù)成正比關(guān)系,而顆粒相遇次數(shù)又正比于顆粒間運(yùn)動(dòng)的相對速度.在混練的物料中,加水或其他外表活性劑有助于提升混練效率.1700S40圓錐岸外光U-硼輪3-中央輪n-出料口4-曲拐5軸承座6-樹板T礁盤主軸白銖形齒輪1.刮板12-氣加13-傳動(dòng)裝置M-接頭15-主氣缸圖5-5輪碾機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖5-6K0型捏合機(jī)混合均勻性的影響因素：粉料的分散水平、時(shí)間、加料順序粗顆粒一粘結(jié)劑一細(xì)粉.經(jīng)混練練泥特別是真空練泥機(jī)

21、中的混練,泥料中的空氣體積可降至0.5%1%,可塑性和密度得以提升,組成更加均勻,使成型后胚體的枯燥強(qiáng)度可以成倍的增加,產(chǎn)品性質(zhì)也能改善.管子加料口刀片減速器電動(dòng)機(jī)圖5-7雙軸捏合機(jī)開煉機(jī)四、困料它是將經(jīng)過混練或擠泥處理的泥料或漿料,在一定的溫度和濕度的環(huán)境中存放一定時(shí)間,以便水分分布更均勻,提升泥料的可塑性.它是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,有水分遷移、充填、細(xì)菌作用生成有機(jī)酸起到外表活性劑的作用、水化作用.主要作用是：通過毛細(xì)管作用,使泥料中的水分分布更加均勻；潮濕環(huán)境中,細(xì)菌的作用使有機(jī)物變質(zhì)并生成有機(jī)酸,起到外表活性劑作用；進(jìn)行充分的水化反響產(chǎn)生膠體物質(zhì),使泥料的結(jié)合性和可塑性提升.泥料陳腐后可提升胚體的強(qiáng)度,減小燒成的變形時(shí)機(jī)降低泥料的粘度,改善其流動(dòng)性五、幾種典型多相體系物料制備工藝流程一、可塑料的制備1 .可塑料的質(zhì)量要求可塑性：分可塑性指數(shù)和可塑性指標(biāo)泥料的細(xì)度：萬孔篩d<=60Um篩余12%水分：一般為1825%空氣含量：通過中空練泥機(jī)使空氣含量降低至0.51%以下.干坯強(qiáng)度：抗折強(qiáng)度A0.98Mpa2 .可塑性物料的制備工藝流程分干法、濕法輪碾(中碎)、濕法細(xì)碎、干法細(xì)碎等幾種類型.干法中碎、濕法球磨