纳米粉体分散技术
2016-03-21 22:59阅读：
作者：Mr
Roger.Chen
现职：厦门唯特机电有限公司（Xiamen Weite
Mechanical & Electrical Co.,Ltd），Managing
Director
纳米科技是本世纪科技发展的重要技术领域，籍由纳米科技的发展，将创造另一波技术创新及产业革命。其应用领域非常广，遍及电子产业、光电产业、医药生物科技产业、化纤产业、建材产业、金属产业、基础产业等等。不论其应用的领域的用途，所需要用的材料均为微米或纳米级尺度的材料。如何得到纳米级粉体以及如何将纳米级材料进行良好的分散后，应用到最终产品，已成为目前产、经以及学术界共同的研究课题。目前的各产业的技术瓶颈，是为如何得到微细化（纳米化）的材料以及怎样把纳米化的材料分散到最终的产品中，例如光电产业的TFT-LCD、Jet
ink、电子、医药、食品、纺织...等行业。
在传统产业纳米化的过程中，最常遇到的共同问题是：所添加的纳米粉体因没有经过改质而在此凝聚，不容易被分散开来，导致预期的纳米现象并没有产生。所以，如何量身打造设计适当的分散剂、并将其分散到最终的产品中，成为了新一代分散技术较为重要的课题。
纳米粉体在市场上的应用的现状及发展
纳米微粒子应用范围之广泛以及其潜在市场之大是大家无法否认的事实，根据US-NSF（National
Science Found
ation）的预测，在2010-2015年前，纳米粉体的潜在市场规模将达3400亿美金。多年来，世界各地的纳米专家不断在开发纳米粉体的新应用，例如有专家希望能将传统工业纳米化，以便提高产品的价值及性能，而应用的领域比如涂料、油墨、塑胶、树脂、功能性色膏、陶瓷粉...等传统产业的纳米化；又有些专家想利用纳米材料的特性开发出消费性新产品，如光学膜、光触媒、医药等等纳米科技可以说是产业的另一次革命！
然而，尽管US-NSF大胆地预测纳米市场的潜在的巨大的规模，同事欧美日等国家也投入相当的人力物力来开发纳米繁体的应用（如德国Degussa公司开发纳米级的SIO2等等），事实是，在2003年的一年当中，全世界的纳米陶瓷粉的产值仅仅只有1.5亿美金，与预测值差距非常大，其原因大致为两个方面：
1.1价值链的落差
纳米粉体仍然没有办法成功地被应用于量产阶段，主要原因因为生产制造商还无法将传统工业纳米化，没有完全掌握所有的流程的转化条件，其中包含流程的设计，纳米粉体的前处理，纳米粉体的转化条件等等，尤其是纳米粉体因凡得尔力的作用容易产生团聚现象，如果只依靠传统的分散技术，并无法将纳米粉体快速地分散开来，无法迅速地浸润，因此，如果要成功将传统工业纳米化，首先要了解关键技术...
到目前为止，市面上至少超过200中纳米产品被科研人员开发出来，可惜的十大部分的粉体，例如：SIO2(二氧化硅）、AL2O3(三氧化二铝）、TiO2（二氧化钛）、ZrO2（二氧化锆）以及ITO等粉体仍然没有被按照需求而量身打造，所以无法成功被大量应用...
1.2纳米粉体需为不同的应用而做表面改性
由于纳米粒子粒径小,表面活性和自由能较高,热力学状态不稳定,具有自发团聚的趋势,极易凝聚成团,这将大大影响纳米粉体优势的发挥。因此,制备性能优异的纳米涂料关键在于如何把纳米粉体稳定地分散到纳米级;此外,纳米粉体往往都是亲水疏油的,有一定的极性,与基体结合力弱很难均匀分散,所以,要制备性能优异的纳米涂料,还必须对纳米粉体进行表面改性,改变纳米粉体在基体中的分散行为、润湿和附着特性等。这显示了分散剂选择的重要性，例如有些应用将纳米的ZnO涂布到光学膜上，由于ZnO粉体没有做适当的表面改性，所以光学膜涂布该ZnO粉体后，抗UV的效果不但没有增强，穿透率反而大幅度降低...
笔者近几年在化纤产业，不断的剖析德国鲁奇工程公司Lurgi GmbH
http://www.lurgi.de（原德国吉玛）的部分流程工艺，对于其中的聚合段TiO2(二氧化钛）与己内酰胺水的调配工段，就个人对于产品的理解，发表一些浅见，如有不足或是有错误的地方，欢迎指正！当然，需要说明的是，笔者非专业学习化工流程人士，本文仅介绍德国一些公司处理纳米悬浮液的方式和方法，该点，请大家谅解。
在锦纶6（尼龙6）的聚合厂，制作半消光或是全消光的PA6切片，需要在生产过程中，添加纳米级二氧化钛粉体，下图为该工段简易流程示意图
描述：吨袋包装的化纤级二氧化钛（通常为德国莎哈利本化学有限公司Sachtleben
Chemie
GmbH产品）分散后，送入储罐，而后，通过德国KVT公司分级分离离心机分离纳米二氧化钛悬浮液，分离后，清液送入下个工段，而粗渣则通过螺杆泵打回到研磨机研磨（个人理解：避免了粗大粒子的浪费）。该点，我们咨询过德国KVT方面，请看文件：
这里，重点需要阐述的是纳米级二氧化钛分散机的工作流程，在此之前，先呈上技术要求：
（德国鲁奇后被法国法液空集团并购，这里为了保护客户权益，屏蔽了部分内容）
↑上图为技术要求
在技术描述中，德国鲁奇公司推荐了德国ystral
gmbh公司的系统，我们将该份文件转给ystral方面，最终，ystral
gmbh选定产品规格为：CONTI-TDS-4，系统组成：
1、吨袋卸料站
2、蝶翼型粉碎装置
3、ystral分散机本体
简要工作流程：纳米级二氧化钛吨带包通过电动葫芦，吊装到卸料站工作位，进行卸料，粉体通过料仓进入蝶翼型粉碎装置，此同时，分散机本体在启动时，转子在转动的过程中产生的真空，将纳米级粉体吸入混合腔，与己内酰胺水混合分散后，送入下个工段...
原理及性能特点：
德国ystral
Conti-TDS4悬浮液分散技术
图1
吸粉式连续均质分散机Conti-TDS
无论在化工、制药还是在食品生产领域中，全球原材料的价格都在不断上涨。因此，在流程工艺技术领域中，企业都在寻找保持企业产品竞争力的方法，使自己能够在众多竞争对手中脱颖而出。这里，合理的分散工艺技术将会起着决定性的作用。
油漆、颜料、药品和润肤膏等这些物化性质完全不同的产品有一个共同点，即它们都是由几种不同的原材料生产而成。在生产这些产品时，首先要把块状或凝聚在一起的原材料粉碎，预分散到液体介质中，形成稳定、均匀的悬浮液。这里的预分散/分散工艺技术对于悬浮分散体系的质量有着决定性的作用。如果要将粉质的原材料（分散相）分散到液体的液模（连续相）中，那么固体颗粒物完全湿润是保证悬浮分散体系质量的重要基础。如果原材料能够完全均匀润湿，那么常常能够减少原材料的用量。
原材料的分散
生产中会用到不同的分散工艺技术，这些技术都是由一套驱动装置和搅拌装置组成，通过带着合适的密封圈的传动轴驱动混合机构和搅拌机构。混合机构和搅拌机构可以是一个搅拌桨，也可以是由一个定子和一个运动的转子叶片（搅拌桨）组成（喷射式混合器）。利用这样的系统可以把粉质的固体颗粒原材料分散到液体介质中。块状和凝聚的原材料只能在几乎没有剪切力的情况下研磨、分散成粉质原材料。这一技术也适合于分散那些容易湿润、不粘结和不会凝聚的固体或粉质原材料，同时也适合于悬浮分散体系的均匀化。
溶解器的结构类似混合器和搅拌器，它在进行原材料的预分散和分散时使用的是带齿的搅拌轮。这种搅拌轮具有更强的冲击效应，使用这种冲击力更强的搅拌轮的目的只有一个，就是分散块状、凝聚的原材料，并搅拌混合出高质量的悬浮分散液。它的剪切是非常有限，而且剪切梯度与液体介质的黏度有着密切的关系。当搅拌装置在液体中旋转时，它的冲击力大大减小，从而降低了剪切作用。
转子-定子系统的功能是建立在转子-定子之间的间隙尺寸基础之上的。常常把旋转的和静止的部件制成带有齿形结构的部件。由于具有固定的齿形结构，因此这些部件的剪切梯度是恒定的，与介质的黏度无关。
在实际生产过程中，悬浮液的制备非常困难。所有使用机械装置都安装在一个容器中，由升降机构将机械装置安装到容器内合适的位置。一般情况下，容器中事先盛满液体，添加的固体原材料一般都撒落在液体的表面。
粉质原材料有着很大的比表面积，在特殊的情况下，例如极细的颜料、纳米粉末或者硅酸，它们的比表面积可以高达300000m2/kg。如果把几千克的这种粉末倒在几平方米的液体表面上时，则液体表面积与粉末表面积之比不足以包容每个粉质颗粒，只能湿润成粗大的块状。倒在液体表面的粉末会漂浮在液体的表面，只有通过长时间的强力搅拌才能均匀的完全湿润。在溶解器中，强力搅拌轮会产生龙卷风的效果，除了把粉质颗粒带入到液体介质中以外还会把空气带到液体介质中。
很多情况下，需要把多种不同的原材料分散到液体介质中，这也就意味着需要搬运不同原材料的容器。需要多次高举和排空麻袋、原料桶和集装桶等容器。另外，许多粉质原材料还具有凝聚结块的性质，或者在排空时产生大量的粉尘。这些粉尘会在容器出口边缘结成一层膜，会在其他零部件上凝聚成块，例如粘附在离合器以及驱动轴上。粉碎这些凝聚而成的结块需要消耗大量能源和时间，粉碎之后溶解到液体介质中。如果粗略地分散原材料，那么产品的质量会受到影响，而且各批次产品之间的质量也不能够保证一致。
另外，由于分散不充分，不能高效地使用所投入的原材料，增加原材料的用量。还有一部分原材料作为粉尘粘附在生产设备、排气系统和过滤器上，从而造成原材料浪费。这些都将导致生产成本和管理费用的增加。
图2
吸粉式连续均质分散机Conti-TDS的工作原理
湿润设备
与上面所介绍的设备结构不同，吸粉式连续均质分散机Conti-TDS不是安装在混合搅拌容器中的机械设备，它是一台利用管道或者胶管与混合搅拌设备连接的设备。所使用的液体介质由水泵提供，可循环使用，分散设备的分散釜中为真空。利用这一真空可以无尘的把粉质原材料直接从麻袋、原料桶、集装桶或者料仓、储罐车中吸取进来。密封空间中没有外来空气，在真空作用下把粉质原材料吸入到液体介质中进行分散。同时，液体的表面积也在分散釜中得到了扩张。粉末与液体相互接触，开始了有效的湿润。在这一区域内的剪切梯度是溶解器内的上千倍。在泵送过程压力波的作用下，可以形成极佳的胶状的分散混合物。粘附在微粒表面的微气泡也被剥离下来聚集在一起，这样，即使是不易通风的产品也会在液体表面出现大量的漂浮泡沫。
在分散釜中，最终生成了质量很好的悬浮分散液体。可通过供粉阀的开启和关闭控制粉末的用量，满足不同饱和度。利用这种分散设备之后无需进一步的分散以及均匀化。例如使粉末颗粒达到一定的大小或者均匀度。这一分散过程同时完成了排气，消除了产品中的微小气泡。无论液体介质的黏度、容器和批量的大小如何，这一装置都能在短时间内完成高稳定性、固体物质含量很高的悬浮分散液体生产。Conti-TDS的最大的优点是把5个工艺步骤（排空、输送、添加、湿润和分散）集成在一台设备中，从而实现了时间、原材料和能源的节约。
在最后，笔者要强调的是，外国的月亮并不比中国圆，国外的一些先进的生产技术，是因为工业起步比我国早，在一些流程里，很早的时候就有很多的应用，因此熟悉各种流程及设备，我们正在做的和所做的事情是，引进、吸收最终目的是要消化进口设备，对于该产品，我们已经掌握了所有的资料，核心的分散机主体100%德国制造，吨袋卸料站及控制部分由我公司完成，大大地降低了广大用户的设备投入成本，为推进中国纳米材料工业化，尽一份绵薄之力
