炭黑是一種堆積密度很低的粉末狀物質(zhì)，易飛揚(yáng)而污染環(huán)境，運(yùn)輸性極差。一般說(shuō)來(lái)，增加其密度，在某種程度上會(huì)克服或清除這些缺點(diǎn)，但也降低了它在介質(zhì)中的分散性。炭黑工業(yè)常以濕法或干法造粒機(jī)的方式對(duì)粉狀炭黑進(jìn)行加工。
     濕法造粒是上個(gè)世紀(jì)4o年代開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)。在近5O多年中，炭黑工業(yè)也在一直不斷地改進(jìn)濕法造粒過(guò)程，使之日臻完善。這些改進(jìn)主要包括如下幾個(gè)方面：
     · 開(kāi)發(fā)各種粘合劑，提高造粒品的強(qiáng)度；
     · 探索*適宜的攪齒排列方式，以產(chǎn)生理想的顆粒；
     · 尋求合適的攪齒材質(zhì)，明顯降低其磨損速率；
     · 摸索攪齒軸功率與水量的關(guān)系，建立炭黑／水自調(diào)系統(tǒng)；
     · 改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，如筒壁夾套加熱除去附著層、粉料人口加設(shè)螺旋葉片、局部更換攪齒尖以及保持?jǐn)圐X尖與筒壁的*佳距離等。
     盡管濕法造粒過(guò)程是一種能耗較高的單元操作，人們一直力圖對(duì)它進(jìn)行改造，但是，到目前為止該方法仍在世界上橡膠用炭黑的后加工工序中占主流地位。對(duì)橡膠用炭黑而言，由于橡膠在混煉過(guò)程中粘度較高，高硬度的濕法造粒品在膠料中受到強(qiáng)烈的剪切作用，完全能均勻地分散在聚合物中。另外，隨著橡膠加工業(yè)混煉工序自動(dòng)化程度的不斷提高，炭黑的氣力輸送和自動(dòng)稱量，也要求使用強(qiáng)度較高的濕法造粒品。至今，散裝炭黑的規(guī)模亦愈來(lái)愈大，由集散紙箱、槽車，到容量lt的太空包，以至lO一20t的大型集散箱運(yùn)輸。從橡膠用戶的需求來(lái)看，濕法造粒產(chǎn)品仍是人們所優(yōu)選的。
     炭黑在介質(zhì)中的良好分散是制品達(dá)到*佳使用性能的基礎(chǔ)。在非橡膠應(yīng)用領(lǐng)域，特別是塑料和油墨等制品中，由于聚合物性質(zhì)和混配設(shè)備的制約，常采用干法造粒機(jī)炭黑。但是，這種造粒方式的粒子硬度較差，在貯運(yùn)過(guò)程中粒子極易破碎，細(xì)粉量相對(duì)較多而且是變化的，導(dǎo)致喂料機(jī)很難均勻送料，致使混配過(guò)程不穩(wěn)定。另外，從炭黑生產(chǎn)的角度看，在普通的干法造粒機(jī)中，炭黑的造粒速率很慢，過(guò)程效率亦太低。毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)非橡膠用炭黑而言，提高現(xiàn)有干法過(guò)程的效率或?qū)で笃渌绞皆黾犹亢诿芏龋允钱?dāng)前技術(shù)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。
1 有關(guān)造粒過(guò)程的簡(jiǎn)單描述
     Hartley 等人在研究炭黑的內(nèi)聚性(Cohesiveness)時(shí)發(fā)現(xiàn)，加壓成型的炭黑塊，隨著密度的微小增加，其抗張強(qiáng)度迅速增大。Rwei等人則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，炭黑塊的抗張強(qiáng)度與其密度的4次方成正比。他們?cè)跍y(cè)定粒子在剪切流中的破碎與磨損性時(shí)也證實(shí)，炭黑的分散性與粒子密度呈類似的函數(shù)關(guān)系。顯然，造粒炭黑的粒子強(qiáng)度和分散性，受其密度的影響十分強(qiáng)烈。
     在干法造粒機(jī)造粒過(guò)程中，粉狀炭黑沿轉(zhuǎn)鼓的筒壁滾動(dòng)，聚集體靠范德華力與靜電力附聚在一起。造粒轉(zhuǎn)鼓的圓周速度只有1—2m／s。因而，這種造粒過(guò)程進(jìn)行得相當(dāng)柔和與緩慢。若轉(zhuǎn)鼓的圓周速度太高，在離心力的作用下，粒子則不沿筒壁發(fā)生滾動(dòng)，而且作用于粒子球上的作用力太大，反而會(huì)使粒子破碎。
     在濕法造粒時(shí)，粉狀炭黑必須被水潤(rùn)濕到一定程度，以取代聚集體表面上吸附的氣體。潤(rùn)濕后的粉末，通過(guò)液橋和毛細(xì)力附著在一起。在機(jī)械力作用下，粒子附聚與長(zhǎng)大。濕法造粒的優(yōu)點(diǎn)在于，以水作為介質(zhì)，不僅造粒速度快，過(guò)程效率高，而造粒品的強(qiáng)度亦較高。
     造粒質(zhì)量，一般以影響炭黑貯運(yùn)性能有關(guān)的參數(shù)來(lái)衡量。*常用的指標(biāo)是，細(xì)粉量、粒子磨損量、堆積強(qiáng)度、單個(gè)粒子強(qiáng)度、平均顆粒尺寸以及顆粒尺寸分布等。
2 攪齒造粒機(jī)用于干法造粒
     攪齒造粒機(jī)，歷來(lái)是濕法造粒的關(guān)鍵設(shè)備。它與干燥機(jī)串聯(lián)一起，完成炭黑的濕法造粒過(guò)程?，F(xiàn)在，攪齒造粒機(jī)用于干法造粒，其目的主要有兩個(gè)。一是改進(jìn)現(xiàn)有干法造粒的過(guò)程效率；再則是提供分散性好、細(xì)粉量低而粒子尺寸分布更均勻的造粒品。
     眾所周知，攪齒造粒機(jī)在用于濕法過(guò)程時(shí)，攪齒端的圓周線速度一般應(yīng)在1O～20m／s范圍；炭黑在造粒機(jī)中的停留時(shí)間也很短，只有幾秒鐘。當(dāng)這種攪齒造粒機(jī)用于干法過(guò)程時(shí)，業(yè)已證實(shí)，其攪齒端的圓周線速度應(yīng)降至1～6m／s，而炭黑在造粒機(jī)中的停留時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)到20～180s。在這樣的工藝條件下，即使不向攪齒造粒機(jī)中加水，也能獲得質(zhì)量穩(wěn)定的造粒炭黑。
     以攪齒造粒機(jī)進(jìn)行干法造粒的流程示于圖1。
                     
     該流程的特點(diǎn)是，造粒機(jī)軸線不是水平放置，而是粉狀炭黑入口稍低，粒狀炭黑出口稍高。造粒機(jī)軸線與水平線呈0～15。的傾角。與傳統(tǒng)的千法造粒一樣，粉狀炭黑要與一定量的母粒一起送入造粒機(jī)。如圖所示，母粒乃是由貯缶14經(jīng)螺旋輸送器送人攪齒造粒機(jī)10的進(jìn)料口15的。造粒機(jī)的外壁，用夾套加熱，由恒溫器16調(diào)節(jié)到所需溫度。
     該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)調(diào)整攪齒的圓周線速度和平均停留時(shí)間，即可滿足任一特定炭黑品種的造粒質(zhì)量要求。另外，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)鼓式造粒機(jī)相比，過(guò)程效率顯著提高。適當(dāng)選擇攪齒造粒機(jī)尺寸，如內(nèi)徑700～800ram，在保持理想的造粒質(zhì)量的條件下，設(shè)備生產(chǎn)能力可達(dá)2t／h或更高。
2.1 工藝參數(shù)對(duì)造粒質(zhì)量的影響
     下面，以一臺(tái)實(shí)驗(yàn)用攪齒造粒機(jī)為例，研究工藝參數(shù)對(duì)造粒質(zhì)量的影響。這臺(tái)實(shí)驗(yàn)用造粒機(jī)，筒壁內(nèi)徑200mm，長(zhǎng)度1200mm，夾套溫度控制在100℃，粉狀炭黑*大處理能力約60kg／h。實(shí)驗(yàn)用粉狀炭黑，近似于N231類產(chǎn)品，其BET表面積120m2／g,DBP吸油值106ml/100g,24M4DBP值81ml／100g，而堆積密度約為120g／L。
     (1)停留時(shí)間
     當(dāng)攪齒軸的轉(zhuǎn)速保持恒定的條件下，炭黑在造粒機(jī)中的停留時(shí)間，可通常以下式表達(dá)：
     t=mf／m
     式中，t為平均停留時(shí)間；mf為造粒機(jī)中炭黑填充量；m為炭黑進(jìn)料量。平均停留時(shí)間，取決于造粒機(jī)中的炭黑填充量和炭黑進(jìn)料量。
     粉狀炭黑，通常是由螺旋輸送機(jī)送入攪齒造粒機(jī)的。因此，在設(shè)備達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，造粒炭黑產(chǎn)量、粉狀炭黑處理和螺旋輸送機(jī)的喂料量皆是相同的，并可在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。顯然，可以通過(guò)調(diào)節(jié)攪齒造粒機(jī)軸線與水平線的夾角，來(lái)改變?cè)炝C(jī)中的炭黑填充量和延長(zhǎng)停留時(shí)間。
     當(dāng)然，炭黑在造粒機(jī)中的填充量與停留時(shí)間也受攪齒軸轉(zhuǎn)速的影響。造粒炭黑產(chǎn)量保持恒定時(shí)，隨著攪齒軸轉(zhuǎn)速的加快，炭黑填充量與停留時(shí)間彼此成比例地減少。
     實(shí)驗(yàn)表明，停留時(shí)間的調(diào)整，應(yīng)在保持造粒機(jī)產(chǎn)量恒定的條件下，改變?cè)炝C(jī)的傾斜度，即造粒機(jī)軸線與水平線的夾角在0—15。之內(nèi)，優(yōu)選的停留時(shí)間宜在20～180s范圍之內(nèi)。為此，要為每個(gè)傾斜角度計(jì)算出穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)條件下造粒機(jī)內(nèi)的炭黑填充量。