CN104492328A - 一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法，包括以下步骤：将待混物料按比例和顺序加入混合容器(1)；对混合容器(1)和待混物料体系进行加热，温度为30～100℃，保温1～5min后开始混合；在0～200Hz范围内确定混合频率f_optim，在0～±10mm范围内确定混合振幅A_optim；根据f_optim和A_optim进行稳态混合和非稳态混合，其中稳态混合时间为(30～240s)/100g；非稳态混合时间为(150～540s)/100g；混合结束后，待混合容器(1)温度降至40℃后，将混合容器(1)整体取下出料。本发明提供的混合方法具有混合无死角、无混合元件对物料的机械作用、无化学分散剂引入等优点，适用于高固含量粘合剂体系的混合，特别适用于火炸药等危险领域高固含量粘合剂体系的混合。

Description

一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法

技术领域

本发明涉及化工混合领域，主要涉及异相体系物理混合领域，尤其涉及一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法。

背景技术

超细粉体粒径通常在1nm～100um之间，因具有不同于原固体材料的表面效应和体积效应，而表现出表面张力增大、熔点变低、磁性增强、光吸收性变好、活性增大、导热性能增强等特性。由于超细粉体在物理和化学性能上的优越性，其正在渗入整个工业部门和高技术领域，被誉为现代高技术的原点。超细粉体作为一种复合材料的重要组成部分，越来越被化工、建材、火炸药等领域广泛应用。

超细粉体广泛应用的重要途径是通过将一种或多种超细粉体单颗粒的分散在粘合剂体系中，形成具有优越性能的复合材料。但是，由于超细粉体高表面能、大比表面积、摩擦静电等效应导致颗粒之间极易团聚，且粘合剂体系一般都为粘度较高的聚合物，更加增加了超细粉体在粘合剂体系中均匀分散的难度。

目前，粘合剂基体中的超细粉体分散方法主要有机械分散法和化学分散法，机械分散主要借助磨砂机、双螺杆、捏合机、辊碾机等提供的外界剪切力、摩擦力或撞击力等机械能，使粒子在介质中充分分散；化学分散方法是通过对颗粒表面进行化学修饰、表面包覆或加入抗凝剂等改变超细粉体的表面性质，从而改变颗粒与介质、颗粒与颗粒之间的相互作用，增强颗粒之间的排斥力，起到抑制絮凝团聚的作用。

目前超细粉体在粘合剂体系内分散的机械法和化学法主要存在如下缺陷：(1)随着粘合剂体系中固体含量的不断增高，机械设备的桨叶或捏合元件无法将剪切或撞击作用输送到混合容器的任何角落；(2)化学分散方法需要改变超细粉体本身的化学属性或需要引入化学助剂，导致了被分散物料的化学污染；(3)对于火炸药等易燃易爆材料，固含量的增高大大增加了机械分散方式因对固体粉料挤压、摩擦刺激而产生的燃爆危险性。

为了强化复合材料的功能，高质量分数的超细固体粉末需要在粘合剂体系中单颗粒分散。高固含量粘合剂体系分散的高效性、安全性、纯净性要求对现有传统混合方法进行突破，以适应工艺要求。

发明内容

针对以上背景中所述技术的不足，本发明的目的在于提供一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法，通过共振在混合系统整体区域内形成混合场，满足粘合剂体系内高固含量超细粉体的高效分散，同时采用无金属元器件硬挤压与碰撞的混合容器，实现易燃易爆材料混合的本质安全化。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、加料：将粒径为1nm～100um的待混超细粉体加入混合容器，加入待混粘合剂，超细粉体与粘合剂的质量比为(0.6～11.5):1，加料完成后将容器盖盖在混合容器上并将混合容器通过连接支座固定于激振器上；

B、加热与保温：对混合容器和待混物料体系进行加热，温度为30～100℃，保温1～5min后开始混合，整个混合过程均处于加热保温状态；

C、确定工艺参数：混合容器振动的频率和振幅的变化范围分别为0～200Hz和0～10mm；

D、确定混合频率f_optim及混合振幅A_optim；

E、稳态混合：在步骤D所述确定的混合频率f_optim和混合振幅A_optim工况下进行混合，混合时间为(30～240s)/100g；

F、非稳态混合：保持步骤E中混合频率f_optim不变，振幅进行周期性扫描继续对待混物料进行混合，若A_optim＜0.5mm，则不进行振幅扫描；若0.5mm≤A_optim＜1mm，则振幅在0.5mm～A_optim范围内周期性扫描，扫描振幅变化幅度为A_optim/4，每个振幅点停留时间为5～20s；若1mm≤A_optim＜3mm，则振幅在0.5mm～A_optim范围内周期性扫描，扫描振幅变化幅度为0.5mm，每个振幅点停留时间为5～20s；若A_optim≥3mm，则振幅在(A_optim～2.5mm)～A_optim范围内周期性扫描，扫描振幅变化幅度为0.5mm，每个振幅点停留时间为5～20s；频率在f_optim条件下振幅周期性扫描持续时间为(30～240s)/100g；

然后混合容器振幅保持A_optim不变，通过频率周期性扫描继续对待混物料进行混合，频率扫描范围为20～200Hz，扫描变化幅度为20Hz，每个频率点停留时间为5～20s，混合时间为(120～300s)/100g；

非稳态混合的两个阶段所需时间总共为(150～540s)/100g；

G、出料：调节激振器振幅和频率均为0，关停加热器，若步骤B中加热温度小于等于40℃，则直接将混合容器取下进行出料；若步骤B中加热温度大于40℃，则待混合容器温度降低到40℃后将混合容器整体取下进行出料。

所述混合容器为轴对称容器，高径比为1:(0.5～1)，装填系数为0.1～0.6。

所述粘合剂为端羟基聚丁二烯(HTPB)、月桂醇异丁烯酸酯(LMA)、聚己内酯(PCP)、聚己酸内酯(PCL)、端羟基聚醚(HTPE)、聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、聚氰基二氟氨基环氧乙烷(PCDE)、PEG(聚乙二醇)。

优选地，步骤C中所述混合容器频率扫描范围为30～150Hz，振幅扫描范围为0.5～5mm。

所述激振器的类型为惯性激振器或电磁激振器或电动激振器或电液激振器。

所述步骤B中加热温度，其波动范围为±1℃；加热和保温最低温度高于粘合剂体系的熔融温度；加热和保温最高温度较粘合剂沸腾温度、超细粉体熔融温度和超细粉体分解温度三个温度中的最低温度低5～10℃。

本发明的基本原理是：激振器提供低频、小振幅的机械振动，与激振器相连接的混合容器通过吸收振动能量而使整个混合系统达到共振，使整个待混物料场在均一剪切作用下进行流化和缠结从而实现物质的充分交换。特别是在非稳态混合阶段，由于混合频率的变化，待混物料内部微观部分达到自身共振频率，在整个待混物料场内形成众多混合微单元，将团聚的超细粉体打散，更加有利于超细粉体在粘合剂体系内的分散。

与现有技术相比，本发明的优点是：(1)以共振形成的微混合单元形成整场混合，有效避免了桨叶等混合方式存在死角的缺陷；(2)混合过程不需引入分散化学助剂，有利于保持待混物料的纯净性；(3)采用非接触混合方式，不需要金属桨叶或螺杆元件对待混物料的挤压、摩擦和撞击，适合于超细粉体为火炸药等易燃易爆材料的安全混合；(4)通过待混物料整场内的微单元的共振流化，大大缩小了混合单元的尺寸，更加有利于超细粉体团絮的破裂。

附图说明

图1为一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法所用装置示意图。图中：1、混合容器，2、容器盖，3、连接支座，4、激振器，5、加热器。

图2为实施例1中所得混合样品放大200倍的SEM形貌表征图。

图3为实施例1中所得混合样品放大1000倍的SEM形貌表征图。

具体实施方式

下面结合发明书附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明的共振混合方法是基于共振混合装置来完成的，该混合装置包括混合容器1、容器盖2、连接支座3、激振器4、加热器5；其中激振器4固定安装在水平地面或支座上，然后将连接支座3居中安装在激振器4正上方，然后将加热器5安装在混合容器1上，然后将混合容器1安装在连接支座3上，然后安装容器盖2。拆解顺序与安装顺序相反。

在工作时，混合容器1的频率和振幅由激振器4提供，激振器4的频率和振幅通过其控制程序来调节。在整个混合过程中始终保持容器盖2盖紧，加料和出料时，将混合容器1整体取下，然后打开容器盖2进行加料和出料。

本发明针对超细粉体在粘合剂体系中分散容易积聚成团的问题，结合共振频率随物料属性、质量、刚度、状态的不同而不同，将混合主体过程分为稳态混合和非稳态混合两个阶段。

一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、加料：将粒径为1nm～100um的待混超细粉体加入混合容器1，然后加入待混粘合剂，超细粉体与粘合剂的质量比为(0.6～11.5):1，加料完成后将容器盖2盖在混合容器1上并将混合容器1通过连接支座3固定于激振器4上；

B、加热与保温：对混合容器1和待混物料体系进行加热，温度为30～100℃，保温1～5min后开始混合，整个混合过程均处于加热保温状态；

C、确定工艺参数：混合容器1振动的频率和振幅的变化范围分别为0～200Hz和0～±10mm；

D、确定混合频率f_optim及混合振幅A_optim；

确定f_optim及A_optim的方法是：调节激振器4的频率，使混合容器1的振动频率保持在5Hz；调节激振器4的功率使混合容器1的振幅从0mm到±10mm依次增大，增幅为±0.5mm；混合容器1振幅增大至±10mm时，再将振幅逐渐减小到0mm，减小幅度为±0.5mm；然后调节激振器4频率使混合容器1振动频率增大到10Hz，然后调节激振器4功率使混合容器1振幅从0到±10mm依次增大，增幅为±0.5mm；混合容器1振幅增大至±10mm时，将振幅逐渐减小到±0mm，减小幅度为±0.5mm；以此类推，混合容器1频率变化增幅为5Hz,最大频率为200Hz。在以上工况变化过程中，依据混合状态的剧烈程度选确定合适的频率f_optim和振幅A_optim。

E、稳态混合：在步骤D所述确定的混合频率f_optim和混合振幅A_optim工况下进行混合，混合时间为(30～240s)/100g；

F、非稳态混合：保持步骤E中混合频率f_optim不变，振幅进行周期性扫描继续对待混物料进行混合，若A_optim＜0.5mm，则不进行振幅扫描；若0.5mm≤A_optim＜1mm，则振幅在0.5mm～A_optim范围内周期性扫描，扫描振幅变化幅度为A_optim/4，每个振幅点停留时间为5～20s；若1mm≤A_optim＜3mm，则振幅在0.5mm～A_optim范围内周期性扫描，扫描振幅变化幅度为0.5mm，每个振幅点停留时间为5～20s；若A_optim≥3mm，则振幅在(A_optim～2.5mm)～A_optim范围内周期性扫描，扫描振幅变化幅度为0.5mm，每个振幅点停留时间为5～20s；频率在f_optim条件下振幅周期性扫描持续时间为(30～240s)/100g；

然后保持混合容器1振幅保持A_optim不变，通过频率周期性扫描继续对待混物料进行混合，频率扫描范围为20～200Hz，扫描变化幅度为20Hz，每个频率点停留时间为5～20s，混合时间为(120～300s)/100g；

非稳态混合的两个阶段所需时间总共为(150～540s)/100g；

G、出料：调节激振器4振幅和频率均为0，关停加热器5，若步骤B中加热温度小于等于40℃，则直接将混合容器1取下进行出料；若步骤B中加热温度大于40℃，则待混合容器1温度降低到40℃后将混合容器1整体取下进行出料。

所述混合容器1为轴对称容器，高径比为1:(0.5～1)，装填系数为0.1～0.6。

所述粘合剂为端羟基聚丁二烯(HTPB)、月桂醇异丁烯酸酯(LMA)、聚己内酯(PCP)、聚己酸内酯(PCL)、端羟基聚醚(HTPE)、聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、聚氰基二氟氨基环氧乙烷(PCDE)、PEG(聚乙二醇)。

优选地，步骤C中混合容器1频率扫描范围为30～150Hz，振幅扫描范围为0.5～5mm。

所述激振器4的类型为惯性激振器或电磁激振器或电动激振器或电液激振器。

所述步骤B中加热温度，其波动范围为±1℃；加热和保温最低温度高于粘合剂体系的熔融温度；加热和保温最高温度较粘合剂沸腾温度、超细粉体熔融温度和超细粉体分解温度三个温度中的最低温度低5～10℃。

与现有技术相比，本发明的方法采用一种与传统混合工艺完全不同的混合机理，不但通过对混合系统施加一定频率的振动来实现混合系统整体的共振；同时，通过频率扫描，实现混合系统内部不同状态物料体系的局部共振。待混物料在振动流化的作用下，在整个混合场内实现剧烈翻滚和缠结，实现较小刺激作用下的无死角高效混合。

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的同等变换均落入本发明的保护范围。

实施例1

本实施例在一套电磁激振器4上进行，该电磁激振器4的频率范围为5～3000Hz,最大振幅为±5mm，混合容器1为轻质树脂材料圆筒，内径为92mm，高为105mm，有机玻璃材质连接支座3与激振器4连接，将混合容器1固定在连接支座3上并与激振器4同轴。采用特氟龙低压加热线缠绕在混合容器1外表面进行加热。具体的共振混合方法通过以下步骤完成：

称取30g颗粒直径为29um的铝粉加入混合容器1，然后称取60g微粉碳酸钙加入混合容器1，然后称取20g HTPB(端羟基聚丁二烯，粘合剂)加入混合容器1。加料完成后，将混合容器1通过连接支座3固定在激振器4上，并盖上容器盖2。开启加热器5，加热温度为65℃，保温2min后开始混合。

将激振器4频率调节至30Hz,调节激振器4的功率使混合容器1的振幅在1～3mm范围内扫描，然后增大频率至35Hz，调节激振器4的功率使混合容器1的振幅在1～3mm范围内扫描。依次类推，直至频率增大至100Hz。最终确定混合频率为65Hz，振幅为2.5mm。

频率保持在65Hz,振幅在2.5mm情况下对待混物料进行60s稳态混合；稳态混合结束后，保持振动频率在65Hz不变，振幅在0.5～2.5mm范围内扫描，即0.5mm→1.0mm→1.5mm→2.0mm→2.5mm→2.0mm→1.5mm→1.0mm→0.5mm，每个扫描点停留5s，共扫描两个周期，共用时90s；然后保持振幅在2.5mm，频率在20～200Hz范围内扫描，增幅是20Hz，即20Hz→40Hz→60Hz→80Hz→100Hz→120Hz→140Hz→160Hz→180Hz→200Hz→180Hz→160Hz→140Hz→120Hz→100Hz→80Hz→60Hz→40Hz→20Hz，扫描一个周期，共用时95s。

至此，混合过程结束，整个混合过程耗时245s，待混合完成后，静置10min，使混合容器1温度降低至40℃，将混合容器1整体取下，打开容器盖2进行出料。出料后取样通过电镜扫描观察其形貌分布。

图2为放大倍数为200倍的电镜扫描形貌图，图中呈白点的球形颗粒为铝粉，密实的黑色颗粒为碳酸钙，球形铝粉均匀的镶嵌在碳酸钙和HTPB粘合剂组成的基体中；图3为放大倍数为1000倍的电镜扫描形貌图，图中呈白点的球形颗粒为铝粉，灰黑色颗粒为碳酸钙，个别不规则颗粒为杂质，可以看出，混合后的铝粉和碳酸钙颗粒处于相互分散状态，铝粉和碳酸钙没有团聚现象，特别是铝粉颗粒，几乎呈单颗粒分布在混合体系中。

Claims (6)

1.一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、加料：将粒径为1nm～100um的待混超细粉体加入混合容器(1)，然后加入待混粘合剂，超细粉体与粘合剂的质量比为(0.6～11.5):1，加料完成后将容器盖(2)盖在混合容器(1)上并将混合容器(1)通过连接支座(3)固定于激振器(4)上；

B、加热与保温：对混合容器(1)和待混物料体系进行加热，温度为30～100℃，保温1～5min后开始混合，整个混合过程均处于加热保温状态；

C、确定工艺参数：混合容器(1)振动的频率和振幅的变化范围分别为0～200Hz和0～±10mm；

D、确定混合频率f_optim及混合振幅A_optim；

E、稳态混合：在步骤D所述确定的混合频率f_optim和混合振幅A_optim工况下进行混合，混合时间为(30～240s)/100g；

F、非稳态混合：保持步骤E中混合频率f_optim不变，振幅进行周期性扫描继续对待混物料进行混合，若A_optim＜0.5mm，则不进行振幅扫描；若0.5mm≤A_optim＜1mm，则振幅在0.5mm～A_optim范围内周期性扫描，扫描振幅变化幅度为A_optim/4，每个振幅点停留时间为5～20s；若1mm≤A_optim＜3mm，则振幅在0.5mm～A_optim范围内周期性扫描，扫描振幅变化幅度为0.5mm，每个振幅点停留时间为5～20s；若A_optim≥3mm，则振幅在(A_optim～2.5mm)～A_optim范围内周期性扫描，扫描振幅变化幅度为0.5mm，每个振幅点停留时间为5～20s；频率在f_optim条件下振幅周期性扫描持续时间为(30～240s)/100g；

然后混合容器(1)振幅保持A_optim不变，通过频率周期性扫描继续对待混物料进行混合，频率扫描范围为20～200Hz，扫描变化幅度为20Hz，每个频率点停留时间为5～20s，混合时间为(120～300s)/100g；

非稳态混合的两个阶段所需时间总共为(150～540s)/100g；

G、出料：调节激振器(4)振幅和频率均为0，关停加热器(5)，若步骤B中加热温度小于等于40℃，则直接将混合容器(1)取下进行出料；若步骤B中加热温度大于40℃，则待混合容器(1)温度降低到40℃后将混合容器(1)整体取下进行出料。

2.根据权利要求1所述的一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法，其特征在于，混合容器(1)为轴对称容器，高径比为1:(0.5～1)，装填系数为0.1～0.6。

3.根据权利要求1所述的一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法，其特征在于，所述粘合剂为端羟基聚丁二烯(HTPB)、月桂醇异丁烯酸酯(LMA)、聚己内酯(PCP)、聚己酸内酯(PCL)、端羟基聚醚(HTPE)、聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、聚氰基二氟氨基环氧乙烷(PCDE)、PEG(聚乙二醇)。

4.根据权利要求1所述的一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法，其特征在于，步骤C中混合容器(1)频率扫描范围为30～150Hz，振幅扫描范围为0.5～5mm。

5.根据权利要求1所述的一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法，其特征在于，所述激振器(4)的类型为惯性激振器或电磁激振器或电动激振器或电液激振器。

6.根据权利要求1所述的一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法，其特征在于，所述步骤B中加热温度，其波动范围为±1℃；加热和保温最低温度高于粘合剂体系的熔融温度；加热和保温最高温度较粘合剂沸腾温度、超细粉体熔融温度和超细粉体分解温度三个温度中的最低温度低5～10℃。