CN101417258A - 用于超细功能粉体制备的湿法精确分级工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超细功能粉体制备的湿法精确分级工艺，包括以下步骤：首先将制备得到的初始无机材料粉体进行浆化，将浆化后的无机材料粉体悬浮液输送到连续离心机，离心过程中溢出的悬浮液经分离、干燥后得成品储存；连续离心时未溢出的悬浮液中分离所得的固化物经过浆化、研磨后再进入连续离心机进行离心处理。本发明的湿法精确分级工艺具有投资少、能耗少、工艺简单、无污染等优点，通过该分级工艺所制备得到的粉体材料具有粒径小、粒径分布可控性强、功能复合性强、纯度高等特性。

Description

用于超细功能粉体制备的湿法精确分级工艺

技术领域

本发明涉及一种湿法分级工艺，尤其涉及一种利用悬浮液的沉-浮进行湿法分级的工艺。

背景技术

随着科技的发展，我们经常需要材料既能适应高温、高压、高硬度等恶劣条件，又能具有发光、导电、电磁、吸附等特殊性能。随着研究的不断深入，开发超细粉体这一新兴材料体系逐渐进入人们的视野，并开始受到各国重视。日本超微细粉体材料的开发涉及70个公司，50多个研究机构；韩国科学技术研究院提出的科技发展战略及五年发展计划中提到对下一代技术革新起开创作用的项目，其中也列出了超微细粉体材料；英国成立了新型先进材料制造技术中心，研究包括陶瓷在内的各种超微细粉体材料。

超细粉体材料往往具有超常效果。如果把超细无机粉体材料或颜料添加到油墨或油漆中，它会使色彩艳丽而发光；添加到涂料中可使粘合度大大加强；纳米级白碳黑能赋予橡胶极高的抗张强度、抗撕裂性和耐磨性。超细r-Fe2O3磁粉用在录音带或录像带中，信息储存量比普通磁粉高10倍。另外，超细粉体材料随着粒径的减小，比表面积增大，这种表面效应导致材料机械性能、热传导性能均比一般材料优异。超微细粉体材料可使光学性质和电学性质改变，如TiO2、ZnO、PbO等金属氧化物纳米微粒加入到化妆品或某些材料中，具有防止紫外线的效果。由于无机超细粉体材料所具有的特殊功能性，使其具有广泛的用途，可在造纸、油漆、塑料、轻工、冶金等工业中作填料和功能材料；在涂料、颜料中作阻燃剂；在电子、航空工业尖端领域中还可作电容器材料、敏感元件材料、超硬材料、超导材料及光、电、磁、波的吸收材料(防红外、防雷达隐蔽材料)等。而无机超细粉体材料的广泛用途及其特殊性能，也使其价值大幅度提升。一般而言，超细粉体材料的价格比普通粉体材料高出3～5倍，有的甚至达到几十倍。因此，有针对性的开发超细粉体材料已是大势所趋。

总体上看，现有的无机超微细粉体材料在今后的发展具有以下四大趋势：(1)微细化：在十多年前超细粉体材料的研究对象是1μm以上的粉体，而近年来超细粉体材料的研究已涉足到亚微米-纳米级；(2)高纯化：高纯化是为了实现物质本身的特性，防止外来杂质的干扰，高纯度产品可产生巨大增值，例如99.998％的ZrO₂粉体材料价格为普通耐火材料用ZrO₂粉体材料的300多倍；(3)功能化和复合化：功能是材料的核心，科技的发展需要各种功能的材料；(4)精细化：粉体材料的精细化是指粉体性能的精细化，如对其颗粒度、粒度分布、颗粒形状、比表面等一系列性能，不同应用领域对粉体特性往往有不同的要求。

目前，我国的无机超细粉体材料的研究开发刚刚起步，至今仍未建立起与之配套的粉末产业，超细粉体材料仍主要靠进口。另外，由于技术难度大，众多科研单位研发的超细粉体加工工艺大部分还停留在干法分离、筛分阶段，生产出的超细粉体材料往往存在粒径偏大(10μm以上)、纯度不高(有效粒子在10％以下)、功能复合性不强、精细化程度不高(例如粒径分布难以控制)等缺点，且现有工艺的生产成本较高，工艺过程复杂，很难进行大规模地工业化应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种投资少、能耗少、工艺简单、无污染的用于超细功能粉体制备的湿法精确分级工艺，通过该分级工艺所制备得到的粉体材料具有粒径小、粒径分布可控性强、功能复合性强、纯度高等特性。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种用于超细功能粉体制备的湿法精确分级工艺，包括以下步骤：首先将制备得到的初始无机材料粉体进行浆化，将浆化后的无机材料粉体悬浮液输送到连续离心机，离心过程中溢出的悬浮液经分离、干燥(利用热空气干燥)后得成品A储存；连续离心时未溢出的悬浮液中分离所得的固化物经过浆化、研磨后再进入连续离心机进行离心处理。

上述离心机的分离因数可控制在1500～3000，通过变频、机械调速即可实现对离心机分离因数的控制。

为了实现粒径分布的可控性，获得不同粒径范围的粉体材料，还可以将上述制备得到的成品A浆化后再重复一次以上的上述技术方案中的步骤；在对成品A重复权利要求1所述步骤时，应当选用不同于制备成品A时的离心机分离因数。一般情况下，重复权利要求1所述步骤时连续离心机的分离因数应当要大于在制备成品A时的分离因数。在重复一次以上的上述技术方案中的步骤后，溢出的悬浮液经分离、干燥(利用热空气干燥)后得成品B储存，未溢出的悬浮液经分离、干燥后可作为成品C储存备用。

上述浆化后的无机材料粉体悬浮液中固形物的质量百分数控制在10～20％。

上述初始无机材料粉体可以为硫酸钡粉体。如果上述湿法精确分级工艺是应用在硫酸钡超细功能粉体的制备中，则初始硫酸钡粉体材料优选通过碳酸钡、硫酸溶液和反应隔离剂经合成反应后制备得到，所述反应隔离剂为硫酸铝、六偏磷酸钠、偏硅酸钠、聚乙烯钠、乙二胺四乙酸或三乙醇胺，所述反应隔离剂的添加量为碳酸钡质量的1‰～2％。所述合成反应的温度优选控制在20～60℃，合成反应的时间优选控制在25～80分钟。

在制备硫酸钡超细功能粉体材料的过程中，为了获得功能性和相容性强的硫酸钡粉体材料，可以在本发明的湿法精确分级工艺中增加一道表面改性处理工序，即对上述连续离心过程中溢出的悬浮液在分离、干燥以前先进行表面改性处理。所述表面改性处理是指向离心分级后的硫酸钡粉体悬浮液中添加硫酸钡粉体质量0.5‰～8％的处理剂，所述处理剂为硬脂酸钠、硅酸钠、硅油、硅氧烷或者乙二胺四乙酸与三乙醇胺的混合物。所述乙二胺四乙酸与三乙醇胺的质量比为1∶3；所述处理剂是在加水配制成质量浓度为5～30％的溶液后添加到硫酸钡粉体悬浮液中。

与现有技术相比，上述技术方案中提出的超细功能粉体材料不仅承继了传统粉体材料的优点，更为重要的是能使粉体材料的粒径控制在纳米-亚微米级，平均粒径小于0.5μm，有效粒子(1μm以下)可达98％以上，这使得该粉体材料具有优秀的工业化价值，实现无机粉体材料由普通粉体向功能新材料的跨越。同时，上述湿法精确分级技术方案应用于硫酸钡超细功能粉体材料的制备时，增加了湿法悬浮液表面改性处理工艺，通过对上述硫酸钡超细功能粉体进行表面改性处理，大大增加了该粉体材料的功能性和相容性，使得该粉体材料具备优异的表面性能，能够适应不同行业对硫酸钡基超细功能粉体材料的特殊要求。例如，当硫酸钡粉体应用于塑料行业时，可用硬质酸盐处理剂对其表面进行改性处理；当硫酸钡粉体应用于水性涂料、油墨类行业时，可用有机络合剂对其表面进行改性处理；当硫酸钡粉体应用于橡胶类行业时，可用硅油、硅氧烷对其表面进行改性处理；当硫酸钡粉体应用于造纸类行业时，可用硅酸钠对其表面进行改性处理；此外，本发明的湿法精确分级工艺还可很好地实现对无机粉体材料粒径分布的有效控制，获得不同粒径范围(例如1μm以下、1～2μm)的高纯度粉体材料，以更好地适应不同行业对无机粉体材料在不同精细度上的要求。整个制备工艺不仅投资少，能耗低，而且分离速度快，分级效率高，制备得到的产品性能符合当今无机粉体材料微细化、高纯化、功能复合化和精细化的发展趋势，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1湿法精确分级工艺的工艺流程图；

图2为本发明实施例3湿法精确分级工艺的工艺流程图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种用于超细功能粉体制备的湿法精确分级工艺，包括以下步骤：首先将制备得到的初始硫酸钡粉体材料进行浆化，浆化后得到的硫酸钡粉体悬浮液中固形物质量百分数控制在20％，将浆化后的硫酸钡粉体悬浮液输送到连续离心机中，调节连续离心机的频率为35Hz，差速比控制在25r，分离因数为2200，离心过程中溢出的悬浮液经分离、干燥(利用热空气干燥)后得成品储存；连续离心时未溢出的悬浮液中分离所得的固化物经过浆化、研磨后再进入连续离心机进行离心处理。所有初始硫酸钡粉体经全部湿法分级、干燥后得到粒径在2μm以下的硫酸钡粉体材料，有效粒子含量达99.9％。

实施例2：

一种用于超细功能粉体制备的湿法精确分级工艺，包括以下步骤：首先将制备得到的初始硫酸钡粉体材料进行浆化，浆化后得到的硫酸钡粉体悬浮液中固形物质量百分数控制在10％，将浆化后的硫酸钡粉体悬浮液输送到连续离心机中，调节连续离心机的频率为45Hz，差速比控制在25r，分离因数为2900，离心过程中溢出的悬浮液经分离、干燥(利用热空气干燥)后得成品储存；连续离心时未溢出的悬浮液中分离所得的固化物经过浆化、研磨后再进入连续离心机进行离心处理。所有初始硫酸钡粉体经全部湿法分级、干燥后得到粒径在1μm以下的硫酸钡粉体材料，有效粒子含量达99.9％。

实施例3：

如图2所示，一种用于超细功能粉体制备的湿法精确分级工艺，包括以下步骤：首先将制备得到的初始硫酸钡粉体材料进行浆化，浆化后得到的硫酸钡粉体悬浮液中固形物质量百分数控制在20％，将浆化后的硫酸钡粉体悬浮液输送到连续离心机中，调节连续离心机的频率为35Hz，差速比控制在25r，分离因数为2200，离心过程中溢出的悬浮液经分离、干燥(利用热空气干燥)后得成品A储存；连续离心时未溢出的悬浮液中分离所得的固化物经过浆化、研磨后再进入连续离心机进行离心处理。所有初始硫酸钡粉体经全部湿法分级、干燥后得到粒径在2μm以下的硫酸钡粉体材料，有效粒子含量达99.9％。

将上述制备得到的粒径在2μm以下的硫酸钡粉体材料再进行浆化，浆化后得到的硫酸钡粉体悬浮液中固形物质量百分数控制在10％，将浆化后的硫酸钡粉体悬浮液输送到连续离心机中，调节连续离心机的频率为45Hz，差速比控制在25r，分离因数为2900，离心过程中溢出的悬浮液经分离、干燥(利用热空气干燥)后得成品B储存；连续离心时未溢出的悬浮液中分离所得的固化物经过干燥后得成品C储存。成品B的粒径在1μm以下，成品C的粒径在1～2μm，成品B和成品C的有效粒子含量均达到99.9％，从而实现了粉体材料粒径分布的可控。

通过调节分离因数还可获得其它粒径范围内的粉体材料，工序简单，操作方便。

实施例4：

一种生产塑胶行业用的表面改性的硫酸钡基超细功能粉体材料，该粉体材料是由硫酸钡粉体悬浮液经处理剂硬脂酸钠进行表面改性处理后制备得到，作为基体的硫酸钡粉体的最大粒径在2μm以下，粒径(D50)在0.5μm以下，该粉体材料主要用来为聚乙烯(PE塑料)、聚丙烯(PP塑料)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS塑料)补强，增强其耐候性，增加光泽，降低成本。该粉体材料具有表面疏水特性，且相容性优良，其主要是通过以下方法制备得到(如图1所示流程)：

(1)原料的准备：首先将原料碳酸钡进行浆化，浆化后的质量浓度控制在30％；对硫酸溶液进行除杂，调整硫酸溶液质量浓度值为98％；准备一定量的隔离剂硫酸铝(其质量为碳酸钡质量的1％)；

(2)合成反应：将上述准备好的隔离剂硫酸铝配制成溶液(质量浓度为5％)后添加到反应釜中，再将浆化后的碳酸钡和洗涤调整后硫酸溶液一同添加到反应釜中，在强搅拌下进行合成反应；

(3)中间处理：将合成反应后生成的硫酸钡悬浮液依次经过熟化、压缩机的分离、洗涤、浆化处理(浆化后得到的硫酸钡粉体悬浮液中固形物质量百分数控制在20％)；

(4)湿法分级处理：将浆化后的硫酸钡粉体悬浮液输送到连续离心机中，调节连续离心机的频率为35Hz，差速比控制在25r，分离因数为2200，收集离心过程中溢出的硫酸钡粉体悬浮液进入下一工序，连续离心时未溢出的硫酸钡粉体悬浮液中分离所得的固化物经过浆化、研磨后再进入连续离心机进行离心处理；

(4)表面改性处理：向湿法分级处理后收集的硫酸钡粉体悬浮液中添加硫酸钡粉体质量0.8％的硬脂酸钠，以进行表面改性处理；

(5)干燥：用热空气对表面改性处理后的硫酸钡粉体悬浮液进行干燥，制得成品。

Claims (9)

1、一种用于超细功能粉体制备的湿法精确分级工艺，包括以下步骤：首先将制备得到的初始无机材料粉体进行浆化，将浆化后的无机材料粉体悬浮液输送到连续离心机，离心过程中溢出的悬浮液经分离、干燥后得成品储存；连续离心时未溢出的悬浮液中分离所得的固化物经过浆化、研磨后再进入连续离心机进行离心处理。

2、根据权利要求1所述的湿法精确分级工艺，其特征在于所述离心机的分离因数控制在1500～3000。

3、根据权利要求2所述的湿法精确分级工艺，其特征在于将制备得到的成品浆化后再重复一次以上的权利要求1所述的步骤；在重复权利要求1所述步骤过程中，连续离心机的分离因数大于在制备成品时连续离心机的分离因数。

4、根据权利要求3所述的湿法精确分级工艺，其特征在于所述浆化后的无机材料粉体悬浮液中固形物的质量百分数控制在10～20％。

5、根据权利要求1～4中任一项所述的湿法精确分级工艺，其特征在于所述初始无机材料粉体为硫酸钡粉体。

6、根据权利要求5所述的湿法精确分级工艺，其特征在于所述初始无机材料粉体是由碳酸钡、硫酸溶液和反应隔离剂经合成反应后制备得到，所述反应隔离剂为硫酸铝、六偏磷酸钠、偏硅酸钠、聚乙烯钠、乙二胺四乙酸或三乙醇胺，所述反应隔离剂的添加量为碳酸钡质量的1‰～2％。

7、根据权利要求6所述的湿法精确分级工艺，其特征在于所述合成反应的温度控制在20～60℃，合成反应的时间控制在25～80分钟。

8、根据权利要求7所述的湿法精确分级工艺，其特征在于所述离心处理过程中溢出的悬浮液在分离、干燥以前进行表面改性处理，所述表面改性处理是指向湿法精确分级后的硫酸钡粉体悬浮液中添加硫酸钡粉体质量0.5‰～8％的处理剂，所述处理剂为硬脂酸钠、硅酸钠、硅油、硅氧烷或者乙二胺四乙酸与三乙醇胺的混合物。

9、根据权利要求8所述的湿法精确分级工艺，其特征在于所述乙二胺四乙酸与三乙醇胺的质量比为1∶3；所述处理剂是在加水配制成质量浓度为5～30％的溶液后添加到硫酸钡粉体悬浮液中。

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