漿料干燥過(guò)程中形成顆粒和松裝密度的實(shí)驗(yàn)研究

漿料干燥過(guò)程中形成顆粒和松裝密度的實(shí)驗(yàn)研究

1ptc粉體的制備采用噴霧式干燥劑法，將液態(tài)材料溶解在煙霧和熱介質(zhì)中，并同時(shí)轉(zhuǎn)化為干燥粉末。制備的粉末形狀為球形，流動(dòng)性好，含水量低，密度穩(wěn)定。在PTC元器件生產(chǎn)中,粉體對(duì)坯體、瓷體性能有極重要的影響。噴霧造粒除了工藝條件對(duì)粉體有影響外,其漿料性能及粘結(jié)劑對(duì)形成實(shí)心還是空心顆粒也有重要影響。本文從泵壓大小、漿料固含量、粘結(jié)劑含量等方面進(jìn)行研究,影響顆粒形成的因素,探討了實(shí)心還是空心粉體的形成機(jī)理。2氧化物漿料的制備鈦酸鋇漿料主要原料為BaTiO3和添加物Al、Si、Sr、Mn、Ti、Y等的氧化物,經(jīng)混合、球磨制得的漿料。噴霧造粒前,在鈦酸鋇漿料中加入表面活性劑:粘合劑、分散劑、消泡劑等,使用噴霧干燥造粒機(jī)制備粉體。3結(jié)果與分析3.1壓力大小的影響表1是一組粉末分析測(cè)試的結(jié)果。其分布范圍如圖1、圖2所示。工作條件:進(jìn)口溫度:370℃,出口溫度:125～135℃。在噴霧造粒過(guò)程中,當(dāng)其它工藝條件不變時(shí),表的壓力增大,粉體的粒度分布向粒徑增大的方向移動(dòng),壓力增大總是有一個(gè)限度,壓力過(guò)大粉粒又變細(xì)。噴霧造粒過(guò)程中,當(dāng)其它條件不變而壓力較低時(shí),空心錐形料霧化角較大,水分蒸發(fā)不完全,粉體顆粒雖較大,但含水率較高,流動(dòng)性差。而當(dāng)壓力過(guò)大時(shí),霧滴噴射高,水分蒸發(fā)快且顆粒破裂,粉體多數(shù)為干細(xì)粉,泵壓與松裝密度關(guān)系如圖3所示(Tin:380℃,Tout:130℃)。3.2檢查造粒機(jī)的密度固體物含量對(duì)于噴霧造粒的漿料是一個(gè)非常重要的參數(shù),它的小變化可能造成干粉顆粒特性的顯著變化。PTC粉體在成型時(shí),總希望用松裝密度較大的造粒料。通過(guò)掃描電鏡可以觀察到,噴霧造粒機(jī)造出的粉體顆粒小部分為空心球殼狀,內(nèi)部包含有氣孔,如圖4所示。即使造出實(shí)心的球體,表面也是由包含微氣孔的多孔殼體所組成。這種粉體顆粒的松裝密度比實(shí)心的要低。為了增大粉體的密度,就必須提高漿料的固含量,如圖5所示(進(jìn)口、出口溫度各為370℃、130℃)。這是因?yàn)槭褂酶吖毯康臐{料,能形成較多的實(shí)心球體,并使空心球狀顆粒的壁變厚的緣故。3.3粉體流動(dòng)性差粘合劑主要起粘合作用,增大顆粒粒徑,增加顆粒強(qiáng)度。漿料中粘合劑含量較多時(shí),會(huì)增大粘性系數(shù),霧化角變小,霧滴經(jīng)干燥造粒后易互相團(tuán)聚在一起,得到粒度分布范圍廣,流動(dòng)性差的粉體。而且粘合劑含量太高時(shí),粘度增加,對(duì)壓力噴嘴內(nèi)的各部件易磨損,還會(huì)產(chǎn)生粉料沾壁現(xiàn)象,對(duì)制備粉體是不利的。粒徑及粒度分布與粘合劑的關(guān)系見(jiàn)圖6示,當(dāng)橫坐標(biāo)上表示的粘合劑含量為1.0%、2.0%、3.0%、4.0%時(shí),兩條曲線上對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)的“●”和“▲”分別表示粉體粒徑分布的上、下限或?qū)?yīng)的范圍;粘合劑含量較低時(shí),粉體粒徑分布窄,平均粒徑較小;粘合劑含量較高時(shí),粉體粒徑分布變寬,且平均粒徑較大。粘合劑含量不同,制得的PTC粉體粒徑分布是有較大差別的。3.4得松裝密度的確定對(duì)于在干燥過(guò)程中會(huì)膨脹的液滴,若提高干燥溫度,則可獲得松裝密度低的較大顆粒。若溫度提高到一定程度時(shí),蒸發(fā)變得非常之快,終將使液滴因膨脹而破碎,或者崩解分散,最后生成松密度較高的粉狀物。圖7為不同干燥溫度的顆粒形貌。3.5空氣中空氣的溫度變化為第一階段、c-d段干殼蒸發(fā),符合以下途徑水分從漿料中蒸發(fā)時(shí),傳熱與傳質(zhì)同時(shí)進(jìn)行。熱質(zhì)傳遞速率是霧滴周?chē)諝獾臏囟取穸群蛡鬟f特性的函數(shù),也是霧滴直徑和霧滴對(duì)空氣的相對(duì)速度的函數(shù)。圖8所示的霧滴的干燥速率曲線描述了一般漿料的干燥特性:A-B段,霧滴與干燥空氣接觸立即形成一定的干燥速率。隨霧滴表面溫度上升,干燥速率也隨之上升,瞬間霧滴與空氣的熱傳遞達(dá)到平衡。B-C段,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。霧滴干燥以恒速進(jìn)行,霧滴內(nèi)部向表面以一定的速率遷移水分,使霧滴表面保持飽和狀態(tài)。這稱(chēng)為干燥的第一階段或恒速干燥階段。C-D段,C點(diǎn)是臨界點(diǎn),霧滴內(nèi)部水分不足以保持表面的飽和,干燥速率開(kāi)始下降。D-E段,傳質(zhì)阻力完全在固體層。蒸發(fā)速率繼續(xù)下降,直到霧滴的水分與熱空氣的水分達(dá)到平衡。這個(gè)過(guò)程是很緩慢的。當(dāng)霧滴的水分不再能保持表面飽和狀態(tài),也就是達(dá)到臨界點(diǎn)以后,霧滴表面形成干殼。水分通過(guò)這層干殼的擴(kuò)散速度就決定蒸發(fā)的快慢。干殼的厚度隨著時(shí)間而增大,蒸發(fā)速度也逐漸降低。這一階段稱(chēng)為干燥的降速階段或第二階段。3.6密度對(duì)粉體粒徑的影響c在蒸發(fā)過(guò)程中,關(guān)于霧滴轉(zhuǎn)變成粉體時(shí)直徑的變化,有助于理解粉體內(nèi)部空隙形成的機(jī)理,可根據(jù)溶質(zhì)的質(zhì)量平衡求出霧滴直徑與干粉平均直徑的關(guān)系。利用一個(gè)霧滴固體物含量的質(zhì)量平衡,能得到粉體平均顆粒直徑與霧滴直徑之比為:DDDw=[ρwρD×CwCD]13DDDw=[ρwρD×CwCD]13式中,Dw、DD各為霧滴、干粉的平均直徑,ρw、ρD各為液體、干粉的密度,C為固體在料液或成品中的重量比。可以定性認(rèn)為,噴霧造粒時(shí),高固含量漿料能制成密度大的粉體。當(dāng)液體中固含量增加時(shí),蒸發(fā)的水分減少,顆粒內(nèi)部空隙減小。3.7粘合劑的流變學(xué)特性噴霧造粒中,粘合劑在霧滴干燥時(shí)傾向于跟著水分流動(dòng)。粘合劑遷移將造成干粉顆粒內(nèi)有機(jī)物分布不均勻,或者使顆粒有堅(jiān)固的表面層,或者形成空心的顆粒,成型時(shí)壓縮和變形困難。粘合劑隨水汽流遷移的線性流速為:dl/dt=r?COSθ/4ηL式中r是毛細(xì)管半徑,?是液體表面張力,θ為接觸角,η是液體粘度,液體流速是表面張力、接觸角和細(xì)管半徑的函數(shù)。霧滴內(nèi)流體通道不是圓管,也沒(méi)有恒定半徑,因此,上式說(shuō)明了通過(guò)控制宏觀水汽流的參數(shù)的關(guān)系,能定性解釋粘合劑遷移的機(jī)理。如果霧滴內(nèi)水分蒸發(fā)恒速率干燥時(shí)間很短,則粘合劑分布較均勻,且向表面的遷移會(huì)減小,能形成實(shí)心的球狀顆粒。高固體物含量的漿料和恒速率干燥時(shí)間短,將有助于減小粘合劑遷移。3.8有蒸汽氣空心粉粒的形成和膨脹傾向,對(duì)干粉的松裝密度、粉體特性及瓷體性能有很大的負(fù)面作用?？招姆哿？砂此姆N機(jī)理形成:(1)霧滴表面形成一個(gè)半透蒸汽的表面層,霧滴中形成的蒸汽使霧滴鼓起,霧滴隨溫度上升而膨脹。(2)霧滴中水分蒸發(fā)速率比固體擴(kuò)散到霧滴內(nèi)部的速率快,當(dāng)蒸發(fā)完成時(shí),霧滴內(nèi)部出現(xiàn)氣孔。(3)霧滴內(nèi)水流以毛細(xì)作用把固體帶到霧滴表面,這使霧滴中以形成氣孔。(4)通入料液的空氣泡沫,使霧滴內(nèi)形成空氣泡。4顆粒粉體的制備噴霧造粒過(guò)程中,當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí),上述因素是非常重要的。在整個(gè)造粒過(guò)程中,干燥溫度過(guò)高,蒸發(fā)速率快,易形成表面硬殼、內(nèi)部空隙的粉體。負(fù)壓過(guò)高,顆粒下降速度快,含水率高,雖松裝密度大,但粉體性