方衛(wèi)民 汪建陽 劉國晶 聞 濤 譚 軍

（1.浙江富士特硅材料有限公司，浙江 衢州324000；2.嘉興學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 嘉興314001）

氣相白炭黑由硅烷鹵化物（主要是四氯化硅和甲基三氯硅烷）在氫氧火焰中高溫水解生成的納米級(jí)白色粉末，學(xué)名氣相二氧化硅或氣溶膠二氧化硅，是極其重要的納米級(jí)無機(jī)原材料之一。由于其粒徑很小，因此比表面積大、表面吸附力強(qiáng)、表面能大、化學(xué)純度高、分散性能好，熱阻、電阻等方面具有特異的性能，以其優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性和觸變性，在眾多學(xué)科及領(lǐng)域內(nèi)獨(dú)具特性，有著不可取代的作用。氣相白炭黑俗稱“納米白炭黑”，廣泛用于各行業(yè)作為添加劑、催化劑載體、脫色劑、消光劑、橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑、塑料充填劑、油墨增稠劑、金屬軟性磨光劑、絕緣絕熱填充劑、高級(jí)日用化妝品填料及噴涂材料、醫(yī)藥、環(huán)保等各種領(lǐng)域，并為相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新材料基礎(chǔ)和技術(shù)保證[1-3]。

國外氣相法白炭黑工業(yè)經(jīng)過60多年的發(fā)展，已達(dá)到很高水平。目前德國Degussa、Wacker等公司、美國Cabot以及日本Tokuyama等少數(shù)幾家公司控制全球市場[4-5]。氣相法白炭黑生產(chǎn)在我國起步較晚，但近10年來發(fā)展較快，競爭也日趨激烈。但總體生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量與國外相比仍有較大差距。國內(nèi)氣相法白炭黑2010年市場需求量已超過20 kt/a，2015年初步估計(jì)至少達(dá)到40 kt/a[6]。

氣相法白炭黑常態(tài)下為白色無定形絮狀半透明固體膠狀納米粒子（粒徑小于50 nm），有巨大的比表面積（100～400 m2/g，F(xiàn)-Sorb2400比表面積儀BET法測試）。氣相法白炭黑的密度小，灌裝的時(shí)候容易漂浮，灌裝環(huán)境中污染嚴(yán)重，影響了工人操作的效率[7]。為了解決上述的生產(chǎn)技術(shù)問題，筆者等設(shè)計(jì)制造了1種新型氣相白炭黑自動(dòng)灌裝機(jī)。

1 自動(dòng)包裝機(jī)結(jié)構(gòu)

新型氣相白炭黑自動(dòng)包裝機(jī)包括機(jī)座、白炭黑出料裝置，白炭黑出料裝置固定設(shè)置在機(jī)座上。如圖1所示。

圖1 氣相白炭黑自動(dòng)包裝機(jī)Fig 1 The schematic diagram of automatic packaging machine of fumed silica

該自動(dòng)灌裝機(jī)的機(jī)座上設(shè)有包裝袋支撐座，包裝袋支撐座為“L”型，在包裝袋支撐座的底部設(shè)有滾輪，所述的噴嘴設(shè)置在包裝袋支撐座的上部。包裝袋支撐座還包括稱重模塊，稱量模塊連接設(shè)有控制模塊，噴嘴上設(shè)置有氣動(dòng)控制閥門，控制模塊控制氣動(dòng)控制閥門關(guān)閉并同時(shí)控制變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)工作。

圖2為氣相白炭黑的自動(dòng)出料裝置結(jié)構(gòu)。

圖2 氣相白炭黑自動(dòng)出料裝置Fig 2 The schematic diagram of automatic feeding device of fumed silica

其中白炭黑出料裝置包括電機(jī)、進(jìn)料斗、旋轉(zhuǎn)箱體、出料箱體、傳動(dòng)軸、減速器和皮帶輪；進(jìn)料斗設(shè)置在最右側(cè)，進(jìn)料斗的上方設(shè)置有進(jìn)料口；旋轉(zhuǎn)箱體固定設(shè)置在進(jìn)料斗的左側(cè)，旋轉(zhuǎn)箱體與進(jìn)料斗的內(nèi)腔相通，旋轉(zhuǎn)箱體內(nèi)設(shè)置有螺桿，螺桿的外徑與旋轉(zhuǎn)箱體的內(nèi)側(cè)壁直徑相配合，螺桿的一端與傳動(dòng)軸相傳動(dòng)連接，另一端延伸設(shè)置在進(jìn)料斗內(nèi)；出料箱體固定設(shè)置在旋轉(zhuǎn)箱體的左側(cè)，出料箱體與旋轉(zhuǎn)箱體的內(nèi)腔相通，在旋轉(zhuǎn)箱體內(nèi)設(shè)置有多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片，多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片均勻呈周向分布，旋轉(zhuǎn)葉片的外徑與出料箱體的內(nèi)側(cè)壁直徑相配合，并且多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片均與所述的傳動(dòng)軸相傳動(dòng)連接；旋轉(zhuǎn)箱體的側(cè)壁上設(shè)置有出料口，出料口上連接設(shè)有噴嘴；減速器固定設(shè)置在旋轉(zhuǎn)箱體上，減速器與傳動(dòng)軸相傳動(dòng)連接，所述的皮帶輪固定的減速器的動(dòng)力輸入軸上，皮帶輪與電機(jī)通過皮帶相連接，電機(jī)采用變頻調(diào)速。

2 工作原理

新型氣相法白炭黑自動(dòng)包裝機(jī)采用了上述的技術(shù)方案，白炭黑粉體由進(jìn)料口進(jìn)入進(jìn)料斗，通過進(jìn)料斗的螺桿輸送至出料箱體，葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使物料迅速沿切線方向被甩出，形成的一股正壓（猶如離心風(fēng)機(jī)）迫使物料經(jīng)噴嘴輸送擠壓入套在噴嘴口的包裝袋中。該自動(dòng)灌裝機(jī)可以滿足多種密度的粉體包裝，同時(shí)又可以防止白炭黑的溢出，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，極大地改善了氣相白炭黑灌裝的工作環(huán)境，是同時(shí)通過稱量模塊、氣動(dòng)控制閥門和PLC可編程控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)定量包裝的一種粉體包裝機(jī)。該自動(dòng)灌裝機(jī)性能穩(wěn)定，動(dòng)行可靠，技術(shù)先進(jìn)，灌裝一步到位，提高了產(chǎn)品的包裝質(zhì)量和包裝效率[8-10]。

當(dāng)使用該包裝機(jī)進(jìn)行氣相白炭黑灌裝的時(shí)候，白炭黑粉體由進(jìn)料口進(jìn)入進(jìn)料斗，通過進(jìn)料斗的螺桿輸送至出料箱體，在出料箱體的葉片高速旋轉(zhuǎn)將白炭黑粉體經(jīng)噴嘴輸送擠壓入套在噴嘴口的包裝袋中。在包裝袋達(dá)到設(shè)定量后，稱量模塊給控制模塊信號(hào)控制氣動(dòng)控制閥門和電機(jī)關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)定量包裝。

3 優(yōu)化改進(jìn)

為了滿足多規(guī)格多品種的白炭黑粉料包裝，與舊包裝機(jī)相比，新型氣相法白炭黑自動(dòng)包裝機(jī)進(jìn)行了多處改進(jìn)：

1)新型包裝機(jī)加大了出料箱體內(nèi)的葉片直徑，由老式機(jī)型葉片直徑300mm加大到320mm，從而增大了粉料的送料離心力，使粉料進(jìn)入包裝袋的推力增大，粉料進(jìn)袋容易。老式機(jī)型同密度白炭黑粉料包裝速度1.5min/包，新機(jī)型同密度白炭黑粉料包裝速度1.05min/包；

2)加大葉片后，在相同的進(jìn)料速度下，使主軸轉(zhuǎn)速由原來的2 700 r/min降低到2 200 r/min，延長了主軸軸承的使用壽命。

3)增加了旋轉(zhuǎn)箱體，從螺桿輸送至進(jìn)料箱的粉料不會(huì)因?yàn)榘b袋內(nèi)的壓力升高而停止進(jìn)料，有強(qiáng)制進(jìn)料和加大進(jìn)料壓力的作用，因此，老式機(jī)型高密度白炭黑粉料不能包裝，新機(jī)型高密度白炭黑粉料包裝速度1.05min/包。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)和研制了一種新型氣相法白炭黑自動(dòng)包裝機(jī)，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了出料、灌裝、稱量等一系列功能于一體，實(shí)現(xiàn)了極高程度的自動(dòng)化與封閉化，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了氣相白炭黑灌裝的工作環(huán)境。該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，該設(shè)備已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用，并取得了滿意的效果。

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