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对于易碎的陶瓷颗粒料,如何在保证混合质量的同时兼顾颗粒完整性?

脆性陶瓷颗粒料,例如由氧化铝、氧化锆、碳化硅、铁氧体或其他工程陶瓷经喷雾干燥而成的压制颗粒料,通常需要后续与黏结剂、润滑剂、颜料、添加剂或掺杂剂进行混合。这其中存在一种目标冲突:添加物应在整批物料中实现均匀分布,而颗粒本身对成型至关重要的大小、形状、孔隙率及流动性则必须尽可能保持不变。

颗粒完整性对后续压制工艺至关重要。之所以采用喷雾干燥颗粒料,是因为其大多接近球形的形状及明确的粒度分布,有助于实现流动性及压模的可重复填充。粒度分布的变化,尤其是因磨损或破碎导致细粉比例上升,可能改变松装密度、流动特性、充模情况及压实行为。而颗粒大小及其分布,又会进一步影响生坯密度、密度梯度以及烧结过程中的表现。

对于此类任务,机械应力较低的混合系统原则上更具优势。若各组分具有相近的颗粒特性,且有足够的时间实现扩散型混合,容器混合机、翻转式混合机、V型混合机或双锥形混合机均可能适用。这些系统主要通过滚动、翻转及反复分割物料层来实现混合,避免了产品空间内使用高速旋转工具,但对于极小加入量的分布,或黏性液体的加入,能力则相对有限。

若需要实现温和的对流式翻转,立式锥形螺旋混合机可作为一种替代方案。贴壁运行的螺旋会将产品向上提升,随后借助重力回落。在转速及工具几何形状适配的情况下,由此产生的应力可以保持在较低水平。运行速度较慢的双轴桨叶混合机,也可能适用于较大批量,前提是其混合强度须与颗粒料的抗破碎强度相匹配。一般而言,混合系统不应仅根据其结构形式来评判:转速、填充率、工具几何形状、混合时长、加料条件及卸料方式,均会对实际的颗粒受力情况产生重要影响。

配备高速粉碎工具、切割转子或明显剪切及撞击区域的强力系统,对于已经成型的脆性压制颗粒料而言,通常并非首选方案,但当需要有针对性地解聚团聚体或加入液体时,此类系统可能是合适的选择。对于脆性颗粒料的单纯终混合而言,混合强度越高,磨损和颗粒破碎的风险也会随之增加。犁刀式混合机或其他强力混合系统是否仍可使用,取决于颗粒强度、所需的混合时间以及允许的细粉比例变化。

工艺参数的设定必须能够以最小的机械负荷实现所需的均匀度。较低的转速及受控的产品运动,可限制撞击和摩擦能量。对于旋转式容器混合机,弗劳德数可作为运动状态的参考指标;滚动或轻柔级联式运行通常比抛甩式或离心式运行更为温和。但无法给出一个普遍适用的目标弗劳德数,因为容器几何形状、填充率、颗粒特性及内部构件均会对运动行为产生显著影响。

填充率必须与相应的混合机相匹配。填充率过低可能导致较大的下落高度及较高的颗粒运动速度;填充率过高则会降低有效的翻转效果,并可能导致混合时间延长。因此,应以制造商规定的工作范围作为出发点,而非采用一个普遍适用的填充率区间,随后再使用原始颗粒料进行优化。

混合时间必须限制在实际所需的均匀度范围内。一旦达到所需的混合均匀度,额外的处理时间往往只会造成进一步的磨损。这种所谓的过度混合须通过试验加以确定:在不同时间点采集具有代表性的样品,并同时评估某一指示成分的分布情况及粒度分布。对于混合均匀度,可采用合适的示踪成分或活性成分的变异系数作为评价指标。但诸如“变异系数低于5%”这样的统一限值,并不适用于所有陶瓷配方;允许值须根据加入量、取样方式、分析方法及终产品的质量要求来确定。

颗粒完整性通过混合前后的粒度分布来评估。对于压制颗粒料而言,筛分分析或成像方法通常最具说服力;只要测量方法不会在样品制备过程中就已破坏颗粒,激光衍射法也可作为补充手段。至少应测定细粉比例、粗颗粒比例、d10、d50、d90及分布宽度,此外还可评估松装密度、振实密度、豪斯纳比、流动时间,以及必要时单个颗粒的抗破碎强度。细粉比例上升、豪斯纳比发生变化或流动时间改变,均可能指示磨蚀或结构变化。

除混合机本身外,整个外围设备也会影响颗粒磨损。关键部位包括加料点、输送螺旋、气力输送管路、星形阀、物料转接处、卸料装置及下落高度。颗粒料应尽可能均匀地、以较小的下落高度加入混合机,并在混合后温和地卸出。缓冲挡板可降低下落能量,但也可能产生额外的摩擦或黏附,因此其设计须结合具体产品来选择。相较于不受控的物料跌落,通常采用平缓引导的滑道、匹配的转接通道及较短的自由下落路径更为有利。

对于极小的加入量而言,采用预混料可能是合理的做法:先将添加物与少量载体材料混合,随后再将该预混料与主批料相结合。这样可以缩短对整批敏感物料所需的混合时间。该方法是否适用,取决于载体组分是否具有相同的颗粒结构,以及预混料本身能否在不产生明显磨损的情况下制备完成。

配方同样会影响颗粒的坚固性。黏结剂含量、残余水分、造粒条件及干燥曲线,共同决定了颗粒的强度和可变形性。提高颗粒强度可减少磨损,但不得因此影响压制及烧结行为。喷雾干燥颗粒料通常经过刻意设计,使其一方面具有良好的流动性和可输送性,另一方面又能在压制时实现受控破碎或变形。因此,最佳强度必须针对整个工艺流程——调制、混合、输送、充模及压实——加以设计。

amixon®如此支持脆性颗粒料的温和混合

温和的产品运动作为设计目标

对于脆性陶瓷颗粒料、包覆颗粒、晶体、速溶产品或喷雾干燥粉末而言,保持颗粒结构是首要考量。amixon® VM及HM系列立式混合机可在低圆周速度下运行。制造商为此类系统给出的可调范围约为0.8至3.5米/秒;在实际应用中,立式混合机通常以较低转速运行。

SinConvex®混合工具可产生三维产品运动:散装物料在靠近器壁的区域被提升,随后在中心区域借助重力回落。在转速、混合时间、填充率及工具形式均针对具体产品进行调整的情况下,这一混合原理可在有限的机械应力下实现均匀分布。但完全排除磨损、颗粒破碎或温升,无法一概而论地予以承诺;尤其对于脆性陶瓷颗粒料而言,允许的细粉比例、粒度分布及温升情况须通过使用原始产品的试验来确定。

有针对性地调节混合强度

混合强度并非仅由混合机的结构形式决定,而是取决于工具几何形状、转速、填充率、混合时长、加料条件以及必要时附加的内部构件的组合。对于敏感颗粒料的单纯均质化,通常不使用高速粉碎或切割转子;但若需要解聚软团聚体,或有针对性地分布液体,则可在局部、限定时间内投入单独驱动的切割转子。

主混合工具的转速、混合时间及可能采用的转子应用,均可作为配方参数存储于控制系统中,从而在工艺开发成功后实现可重复的批次程序。所需的混合时间应限制在达到所需均匀度的时点为止;即使在较低转速下,不必要地延长混合时间也可能造成额外的磨损。

对大批量物料实现产品友好型加工

据制造商介绍,立式单轴及立式双轴混合机的规格最大可达约50立方米。但对于较大批量的放大而言,须重新评估颗粒受力情况,因为料位高度、压力负荷、混合路径、加料能量及卸料行为均可能随之变化,因此规模放大不能仅通过圆周速度来加以保障。

对于大批量物料,amixon®提供Gyraton®混合机GM型。据制造商介绍,其规格范围为10至约70立方米;对于食品行业应用,amixon®还提供容积最大达100立方米的混合筒仓。该混合系统所需的安装功率相对较低,专为干态、湿态及糊状散装物料的温和均质化而设计。因此,对于大批量的敏感产品而言,Gyraton®可能具有吸引力,前提是针对具体配方,对混合均匀度、颗粒完整性及卸料效果加以验证。

专用解决方案与防磨损保护

对于特别敏感的物料,SpherHelics®球壳混合机及KoneSlid®混合机同样可纳入考虑范围。这些系统均以温和的产品运动及充分卸料为设计目标。KoneSlid®尤其是为经喷雾干燥、流化床造粒或带式干燥形成、且需尽可能保持颗粒结构的产品而开发的。但可达到的混合时间、残余卸料效果及实际的分离倾向,始终取决于产品、填充率及设备配置。

对于陶瓷粉末及坯料,amixon®提供防磨损结构方案。根据产品的磨蚀性不同,可采用耐磨材料、堆焊硬化层、硬质合金或陶瓷防护系统。对于高纯度技术陶瓷,须核实所选防护材料可能产生的磨损,是否与产品所要求的纯度相符。amixon®为粉末冶金及精细陶瓷提供防磨损的混合及混合干燥系统,适用于约5至40,000公斤的批量。

在技术中心进行验证

混合技术的适用性,应使用原始颗粒料加以验证。在此过程中,可对混合机类型、工具形式、填充率、转速、混合时间、加料策略及卸料条件进行变化。除混合均匀度外,还应评估粒度分布、细粉比例、松装密度和振实密度、流动特性、温升情况,以及必要时对充模、生坯密度和烧结结果的影响。

据amixon®介绍,公司总部帕德博恩运营着30台以上不同规格的测试装置;此外,在日本、印度、泰国、中国、韩国及美国还设有配套的技术中心。记录下来的结果,可作为确定日后生产规模下合适设备及允许运行窗口的依据。