一种纳米碳酸钙乳化循环改性装置及纳米碳酸钙乳化改性的方法

技术领域

本发明属于碳酸钙工业领域，具体是一种纳米碳酸钙乳化循环改性装置，及应用该装置进行纳米碳酸钙乳化改性的方法。

背景技术

纳米碳酸钙在直接作用于有机介质时，有两个缺陷：一是静电作用、氢键等引起纳米碳酸钙粉体的团聚；二是纳米碳酸钙为亲水性无机化合物，其表面有亲水性较强的羟基，呈强碱性，使其与聚合物的亲和性变差，易形成聚集体，造成在高聚物中分散不均匀，导致两材料间界面缺陷，直接应用效果不好。因此，需要对纳米碳酸钙进行表面改性，使其表面能减小，分散性提高，表面呈亲油性，从而增大其与高聚物的亲和性。常见的方法有干法表面改性和湿法表面改性，将活化剂均匀披覆在纳米碳酸钙表面。前者的生产成本虽然较低，但是活化效果不佳，难以制备出高品质的成品。因此湿法表面改性是最常采用的生产方法。公开号为CN105524489A的中国专利文献，于2016年4月27日公开了“一种聚氨酯密封胶用纳米碳酸钙的原位乳化改性方法”，包括如下步骤：加入纳米碳酸钙熟浆和乳化剂，搅拌、混合、均化；加入复合改性剂后进行高剪切乳化，然后继续搅拌剪切细化和解聚；陈化、增浓、压滤、干燥和粉碎分级。在该文献中还提及，“所述复合改性剂为月桂酸、油酸、异硬脂酸、椰子油、蓖麻油、月桂酸钠、油酸钠、硬脂酸钠、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硬脂酸锌、二异硬脂酸铝及异硬脂酸稀土化合物ReSA3(Re＝La～Lu，，SA为异硬脂酸(2,2,4,8,10,10-六甲基十一烷-5-羧酸))中任意组合的混合物”。可见，在目前技术环境下，湿法表面改性所使用的改性剂主要是脂肪酸及其盐类。由于脂肪酸及除钾、钠、铵根以外的脂肪酸盐的水溶性差，密度小于碳酸钙浆液，因此在反应容器中始终浮于碳酸钙浆液之上，两者无法充分而均匀的混合，即使使用乳化机、乳化泵等专用的乳化设备，乳化的效果依然不理想，导致产品的质量不稳定，同时，乳化工艺时间长、能耗大，成本难以有效降低。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，现有改性设备对以脂肪酸为改性剂的纳米碳酸钙浆液的改性效果不佳，从而提供一种纳米碳酸钙乳化循环改性装置，能优质高效地对纳米碳酸钙浆液进行乳化改性，还能节约能耗，降低生产成本；同时提供一种使用该装置对纳米碳酸钙进行改性乳化的方法。

为了实现发明目的一，本发明采用如下技术方案：一种纳米碳酸钙乳化循环改性装置，包括乳化罐和乳化机，还包括循环管；乳化机设于乳化罐的上方，乳化机的乳化头向下伸入乳化罐，位于乳化罐内的最上端；乳化罐设有上下两个开口，分别与循环管的上端开口、下端开口连接，循环管上设有泵，且循环管的上端开口的位置高于乳化头最下端所在的位置。

在本技术方案中，将乳化机设置在了乳化罐的上方，使乳化机的乳化头可以伸入乳化罐，位于乳化罐内的最上端，该高度位置包括由乳化罐内侧顶部至以下的一段距离，与乳化头的长度相当。在该位置对应的乳化罐的侧壁，通过开口连接循环管的上端开口，循环管的下端开口则导通连接至乳化罐罐体下方的开口，循环管上设计了泵，使来自循环管上端开口的物料可以被不断地输送至乳化罐的罐体内部下方。由于脂肪酸改性剂的密度较纳米碳酸钙浆液更低，因此控制乳化罐内纳米碳酸钙浆液的高度至乳化头的最下端，而使纳米碳酸钙浆液液面以上至乳化罐罐顶之间为脂肪酸改性剂，此时打开泵，使位于循环管的上端开口附近的脂肪酸改性剂被吸入循环管，从下方重新进入乳化罐内，就导致罐内纳米碳酸钙浆液的液面高度上升至乳化头所在高度，即乳化头此时正好处于纳米碳酸钙浆液和脂肪酸改性剂的液面相交处。打开乳化机，使乳化头开始工作，正好可以同时搅拌剪切到纳米碳酸钙浆液和脂肪酸改性剂，形成最佳的乳化改性效果。而通过循环管泵送到乳化罐下方的脂肪酸改性剂，则因为密度相对较低的关系逐渐上浮至上方乳化头的工作平面处，参与后续的乳化改性反应。随着乳化改性反应的逐渐进行，纳米碳酸钙浆液和脂肪酸改性剂也逐渐被消耗，完成乳化改性的纳米碳酸钙浆液则逐渐充满乳化罐内，最终达到乳化改性要求后，即可通过循环管将完成乳化改性的纳米碳酸钙浆液泵送出来，至其它容器进行后续加工。在整个乳化改性过程中，由于乳化头始终同时接触纳米碳酸钙浆液和脂肪酸改性剂，因此始终处于最佳的工作状态，这就能使乳化机的工作效率最高，一方面可以改善乳化改性效果，提高产品质量稳定性；另一方面可以有效节约能耗，降低产品的生产成本。

作为优选，还设有高压蒸汽管，高压蒸汽管开口于循环管上泵的下游段；乳化罐的顶端附近设有排气孔。通过循环管被输送至乳化罐底部的除了脂肪酸改性剂，还有高压蒸汽。高压蒸汽带动脂肪酸改性剂从下向上经过乳化罐内部，对下方的纳米碳酸钙浆液起到了搅动作用。高压蒸汽有两个作用，一是提高反应体系温度，确保脂肪酸改性剂充分液化，提升乳化改性效果；二是脂肪酸改性剂与高压蒸汽一同喷出时被击碎为细小液滴，可以有效增加脂肪酸改性剂与纳米碳酸钙浆液的接触面积，提高改性效率。由于纳米碳酸钙生产企业在生产中会形成大量的热量作为副产品，因此这些高压蒸汽的利用还可以减少能源成本，降低浪费，具有可观的经济效益。

作为优选，循环管的下端伸入乳化罐底部，开口于乳化罐底部的中心位置；乳化罐内还设有内桶壁，内桶壁为间隙套接在乳化罐内的圆筒形，上端开口于乳化机的乳化头下方，下方开口于循环管的下端开口上方。内桶壁上下开口，套接在乳化罐内，当由循环管泵入的脂肪酸改性剂在密度的作用下向上浮动的过程中，会带动内桶壁内侧的纳米碳酸钙浆液向上流动，至液面顶部后除了部分参与乳化反应外，其余的继续沿内桶壁与乳化罐罐壁之间的间隙下沉至罐体底部，从而形成一个循环。由此可见内桶壁起到了搅拌均化的作用，可以保持乳化罐内部的浆液均匀稳定。

作为优选，循环管的下端开口上安装有旋转喷头；旋转喷头在水平向的圆周上按角度均布有至少2个喷嘴，各喷嘴的喷射方向为该圆周的切线方向。本方案设计循环管的下端开口上安装有旋转喷头，旋转喷头的各个喷嘴沿水平向圆周排列，从循环管泵出的脂肪酸改性剂同时沿圆周切线方向向外喷出，一方面喷出的物料自身推动碳酸钙浆液旋转混合，另一方面可以推动旋转喷头逆向旋转，起到进一步搅拌的作用，进一步提升了反应体系的均化效果。

作为优选，乳化罐为阶梯杆形，乳化头所在位置为阶梯杆的上段，其它位置为阶梯杆的下段，阶梯杆上段的直径小于下段的直径。本方案的设计使乳化头作业时只针对小范围内的纳米碳酸钙浆液进行乳化改性，因此选择的乳化机功率可以更小，生产能耗可以得到有效降低。

作为优选，循环管上所设的泵为乳化泵。在上端的乳化机开始工作后，被循环管吸入的液体不仅有脂肪酸改性剂，还含有已部分乳化的纳米碳酸钙浆液，在将其送回乳化罐的时候以乳化泵进行二次乳化改性，可以进一步提高乳化改性效果。

为了实现发明目的二，本发明采用如下技术方案：一种纳米碳酸钙乳化改性的方法，应用了纳米碳酸钙乳化循环改性装置，所述纳米碳酸钙乳化循环改性装置包括乳化罐和乳化机，还包括循环管和高压蒸汽管；乳化机设于乳化罐的上方，乳化机的乳化头向下伸入乳化罐，位于乳化罐内的最上端；乳化罐设有上下两个开口，分别与循环管的上端开口、下端开口连接，循环管上设有泵，且循环管的上端开口的位置高于乳化头最下端所在的位置；高压蒸汽管开口于循环管上的泵的下游段；乳化罐的顶端附近设有排气孔；循环管的下端伸入乳化罐底部，开口于乳化罐底部的中心位置；乳化罐内还设有内桶壁，内桶壁为间隙套接在乳化罐内的圆筒形，上端开口于乳化机的乳化头下方，下方开口于循环管的下端开口上方；循环管的下端开口上安装有旋转喷头；旋转喷头在水平向的圆周上按角度均布有至少2个喷嘴，各喷嘴的喷射方向为该圆周的切线方向；乳化罐为阶梯杆形，乳化头所在位置为阶梯杆的上段，其它位置为阶梯杆的下段，阶梯杆上段的直径小于下段的直径；循环管上所设的泵为乳化泵；其特征是，包括下列步骤：

A，将纳米碳酸钙浆液和脂肪酸改性剂从进料口注入，脂肪酸改性剂浮在纳米碳酸钙浆液液面上方，注意控制纳米碳酸钙浆液液面位于乳化头的最底端位置；

B，启动乳化泵，将循环管的上端开口附近的脂肪酸改性剂吸入循环管，并从循环管的下端开口泵出，此时纳米碳酸钙浆液的液面高度上升至乳化头所在高度；

C，与步骤B同步开启蒸汽管阀门，将高压蒸汽导入循环管的乳化泵下游侧，与循环管内的物料混合，并从循环管的下端开口泵出；

D，启动乳化机对乳化头工作区域的纳米碳酸钙浆液与脂肪酸改性剂进行乳化改性；

E，循环管中的物料经旋转喷头喷出后，对位于乳化罐下方的纳米碳酸钙浆液形成水平旋转和垂直升降的两个方向的搅动，脂肪酸改性剂上浮至乳化头工作区域进行下一个乳化改性循环，富余的高压蒸汽由排气口排出乳化罐；

F，由循环管泵入的物料在向上浮动的过程中，会带动内桶壁内侧的纳米碳酸钙浆液向上流动。至液面顶部后除了部分参与乳化反应外，其余的继续沿内桶壁与乳化罐罐壁之间的间隙下沉至罐体底部，从而形成一个循环。

G，开启出浆阀门，将完成乳化改性的纳米碳酸钙浆液从乳化罐下端排出。

在本方法中，首先，将完成初步乳化改性的纳米碳酸钙浆液抽离乳化头工作区域，使乳化机的工作效率最大化；其次，通过乳化泵对循环管内完成初步乳化改性的纳米碳酸钙浆液进行二次乳化改性，效率更高、乳化效果更好；再次，将循环管中的物料与高压蒸汽混合，提高了反应体系温度，确保脂肪酸改性剂充分液化，提升了乳化改性的效果；另外，利用内桶壁结构引起乳化罐内部浆液上下循环流动，可以有效提高均化效果，减少搅拌能耗；最后，使用了旋转喷头来人为制造旋转扰动，提高乳化罐下方反应体系的搅拌和均化效果。

作为优选，步骤E和步骤G之间还设有步骤E-1：采用连续加料的方式向乳化罐内添加脂肪酸改性剂，直至所有纳米碳酸钙浆液的乳化改性反应完成。由于脂肪酸改性剂与纳米碳酸钙浆液的乳化改性反应是逐渐发生的，因此对脂肪酸改性剂的消耗也是逐渐的。在反应开始后，可以根据适量原则从进料口连续添加脂肪酸改性剂，保证有足量的脂肪酸改性剂参与反应，而不会造成不足或过量。

综上所述，本发明的有益效果是：能优质高效的对纳米碳酸钙浆液进行乳化改性，还能节约能耗，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中旋转喷头的结构示意图。

其中：1进料口阀门，2进料口，3乳化机，4排气口，5循环管，6乳化泵，7高压蒸汽管，8循环管回料阀门，9蒸汽管阀门，10出浆阀门，11出浆管，12旋转喷头，13内桶壁，14乳化罐，31乳化头，121喷嘴；箭头所示为流体的流动方向。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1

如图1所示的实施例1，为一种纳米碳酸钙乳化循环改性装置，应用在纳米碳酸钙制造企业的乳化循环改性工序中。本装置设有一个乳化罐14，乳化罐的上方安装有乳化机3，乳化机的乳化头31从乳化罐的顶部伸入，固定于乳化罐的最上端。整个乳化罐的形状为圆柱形的阶梯杆形状，对应乳化头所在的为阶梯杆的上段，其他为下段，上段的直径要小于下段，即乳化头所在位置为乳化罐直径最小的位置。乳化罐的罐顶为微微设有弧形的顶，罐顶的左侧设计有进料口2，进料口上设有进料口阀门1，右侧设有排气口4。在乳化头所在位置对应的乳化罐的侧壁上设有开口，通过开口连通循环管5。循环管的开口位置高于乳化头的最低位置。循环管的中部依次设有乳化泵6和循环管回料阀门8，循环管的下端从乳化罐的罐底中心位置伸入罐体内，开口位置安装有旋转喷头12。

如图2所示，本例的旋转喷头设有4个喷嘴121，以等夹角的方式排列在水平位置的圆周上，且每个喷嘴的喷射方向为该圆周的切线方向，本例中的为逆时针方向。旋转喷头在沿切线方向喷出物料的同时，自身也会受力顺时针旋转。

乳化罐的内部间隙地套接有内桶壁13。内桶壁是一个上下开口的圆筒形，上端开口正对乳化头的工作区间，下端开口正对旋转喷头。

此外，本装置还设有高压蒸汽管7，连通在循环管的近下端开口处，可通过蒸汽管阀门9控制。

本装置的具体使用步骤参见实施例2。

实施例2

实施例2为一种纳米碳酸钙乳化改性的方法，应用了如实施例1中所示的纳米碳酸钙乳化循环改性装置，所述纳米碳酸钙乳化循环改性装置包括乳化罐和乳化机，还包括循环管和高压蒸汽管；乳化机设于乳化罐的上方，乳化机的乳化头向下伸入乳化罐，位于乳化罐内的最上端；乳化罐设有上下两个开口，分别与循环管的上端开口、下端开口连接，循环管上设有泵，且循环管的上端开口的位置高于乳化头最下端所在的位置；高压蒸汽管开口于循环管上的泵的下游段；乳化罐的顶端附近设有排气孔；循环管的下端伸入乳化罐底部，开口于乳化罐底部的中心位置；乳化罐内还设有内桶壁，内桶壁为间隙套接在乳化罐内的圆筒形，上端开口于乳化机的乳化头下方，下方开口于循环管的下端开口上方；循环管的下端开口上安装有旋转喷头；旋转喷头在水平向的圆周上按角度均布有至少2个喷嘴，各喷嘴的喷射方向为该圆周的切线方向；乳化罐为阶梯杆形，乳化头所在位置为阶梯杆的上段，其它位置为阶梯杆的下段，阶梯杆上段的直径小于下段的直径；循环管上所设的泵为乳化泵；具体方法包括如下步骤：

A，将纳米碳酸钙浆液和脂肪酸改性剂从进料口注入，脂肪酸改性剂浮在纳米碳酸钙浆液液面上方，注意控制纳米碳酸钙浆液液面位于乳化头的最底端位置；

B，启动乳化泵，将循环管的上端开口附近的脂肪酸改性剂吸入循环管，并从循环管的下端开口泵出，此时纳米碳酸钙浆液的液面高度上升至乳化头所在高度；

C，与步骤B同步开启蒸汽管阀门，将高压蒸汽导入循环管的乳化泵下游侧，与循环管内的物料混合，并从循环管的下端开口泵出；

D，启动乳化机对乳化头工作区域的纳米碳酸钙浆液与脂肪酸改性剂进行乳化改性；

E，循环管中的物料经旋转喷头喷出后，对位于乳化罐下方的纳米碳酸钙浆液形成水平旋转和垂直升降的两个方向的搅动，脂肪酸改性剂上浮至乳化头工作区域进行下一个乳化改性循环，富余的高压蒸汽由排气口排出乳化罐；

E-1，采用连续加料的方式向乳化罐内添加脂肪酸改性剂，直至所有纳米碳酸钙浆液的乳化改性反应完成；

F，由循环管泵入的物料在向上浮动的过程中，会带动内桶壁内侧的纳米碳酸钙浆液向上流动。至液面顶部后除了部分参与乳化反应外，其余的继续沿内桶壁与乳化罐罐壁之间的间隙下沉至罐体底部，从而形成一个循环；

G，开启出浆阀门，将完成乳化改性的纳米碳酸钙浆液从乳化罐下端排出。

具体描述如下：将纳米碳酸钙浆液和脂肪酸改性剂从进料口注入，脂肪酸改性剂浮在纳米碳酸钙浆液液面上方，注意控制纳米碳酸钙浆液液面位于乳化头的最底端位置。此时开启乳化泵，通过循环管将位于乳化罐内最上方的脂肪酸改性剂吸入，再输送到乳化罐内最下方，这就导致罐内纳米碳酸钙浆液的液面高度上升至乳化头所在高度，即乳化头此时正好处于纳米碳酸钙浆液和脂肪酸改性剂的液面相交处。打开乳化机，使乳化头开始乳化工作，正好可以同时搅拌剪切到纳米碳酸钙浆液和脂肪酸改性剂，形成最佳的乳化改性效果。在此过程中，打开蒸汽管阀门，将高压蒸汽与脂肪酸改性剂同步输送到乳化罐内，一方面提高反应体系温度，确保脂肪酸改性剂充分液化，提升乳化改性效果；另一方面脂肪酸改性剂与高压蒸汽一同喷出时被击碎为细小液滴，可以有效增加脂肪酸改性剂与纳米碳酸钙浆液的接触面积，提高改性效率。从旋转喷头的喷嘴喷出的脂肪酸改性剂对周围的纳米碳酸钙浆液形成了水平旋转和垂直上升两个方向的搅拌力，两股力的结合，使纳米碳酸钙浆液在上升的同时还不断旋转，形成了充分的搅拌效果。与此同时，从旋转喷头的喷嘴喷出的脂肪酸改性剂还可以推动旋转喷头逆向旋转，起到进一步搅拌的作用，进一步提升了反应体系的均化效果。由循环罐泵入的脂肪酸改性剂与高压蒸汽将带动内桶壁内侧的纳米碳酸钙浆液向上流动，当流动至乳化罐上部时，一部分物料进入乳化头工作区间进行乳化改性反应，另一部分从内桶壁和乳化罐罐壁之间的间隙向下流动，如此周而复始，不断循环。在乳化过程中，乳化头不断的对工作区间的纳米碳酸钙浆液和脂肪酸改性剂进行乳化改性，循环管在除启动时刻以后，吸入的除了未反应的脂肪酸改性剂，还有部分已被乳化头乳化的纳米碳酸钙浆液，这些混合液体在乳化泵处进行了再次乳化改性，进一步提高了乳化改性效果。经过一定时间后，乳化罐中的纳米碳酸钙浆液和脂肪酸改性剂已经完成乳化改性，就可以打开出浆阀门10，从出浆管11将完成乳化的纳米碳酸钙浆液排出，进行后期处理。在反应过程中，随着脂肪酸改性剂的逐步消耗，可以采用连续加料的方式向乳化罐内添加脂肪酸改性剂以满足反应需要。

在本装置的工作过程中，使用循环管将乳化后的纳米碳酸钙浆液泵送到罐体下方，而参与乳化改性的纳米碳酸钙浆液和脂肪酸改性剂始终位于乳化头的工作区域；使用高压蒸汽对反应体系进行了加热，提升了乳化改性的效果，降低了生产成本；使用了旋转喷头对纳米碳酸钙浆液进行了充分的搅动；使用了内套内桶壁的结构使纳米碳酸钙浆液形成循环的上下翻动。经本装置乳化改性得到的纳米碳酸钙产品，其改性效果更佳、均匀性更好、工艺用时更短、能耗更低、产品更具竞争优势。