技术知识超临界流体技术在碳粉生产中的应用浅析

互推小编 2024-01-05

不知道关注粉体圈的朋友们是否还记得粉体圈曾经发表过的两篇文章（点击蓝色字可阅读）

在此，本文给大家献上的是关于碳粉生产工艺改进方向——用超临界流体技术生产碳粉的探讨。

一、碳粉传统生产工艺的不足

之前我们给大家介绍了碳粉的主要生产方法有二种：

1一种是机械法（产品为粉碎碳粉），是当今黑色的主流生产方法。2第二种是化学聚合法（产品为聚合碳粉），主要用于生产彩色墨粉。

机械法已被公认为是当今生产碳粉最成熟的技术，与此方法相依的原料、加工设备已形成完善的配套体系，产品质量及生产成本稳定，核心技术也走向普及。但用此方法生产的墨粉也不足之处。其中最主要的缺点就是此法生产出的碳粉均一性不足。

复印打印设备不断追求打印高分辨率图像，这就要求碳粉粒径越来越小。但是当碳粉颗粒小到一定程度，要每一墨粉粒子的组成成份实现理想的均一化，将会遇到极大的技术障碍。要实现对多组份成分的每一种成分的分散分配效果达到0.5～1.0um以下均一，是现有主流混炼机加工能力的不可逾越的门槛。由于碳粉是用机械粉碎方法成形的，所以颗粒形状是无规则，非均匀的，这也照成碳粉的流动性不够理想。正是由于上述两个原因，用机械法生产的碳转印率也只能达到85%左右。产生的废粉不仅造成资源的浪费，也是污染环境的元凶。

采用化学法直接集合的碳粉具有良好的均一性，而且颗粒呈球形。以此方法生产的碳粉流动性好，转印率高。理想转印率可达95%以上。废粉率很低。但是这种工艺在生产过程中需要大量纯净淡水。一般每生产一吨墨粉会产生几十到一百吨废水，排放这么多的洗涤废水，将直接造成对环境的污染。

除此之外，对洗涤过的墨粉还需干燥除水，为防止墨粉在干燥过程中结块，干燥过程要在低温的条件下进行，通常需60小时以上，这样一来，不仅生产周期长，而且也消耗更多的能量。生产成本也自然提高。正是由于上述缺陷，化学聚合法生产工艺普及率不高。

二、超临界流体技术在碳粉制造领域应用探讨

我们能否找到一种理想制造墨粉的新方法来克服机械法及化学聚合法的不足？

一些行业专家认为“超临界流体技术”将可能是未来生产墨粉的理想方法。我们在《超临界流体技术在粉体制备领域的应用浅析》一文中已经介绍过超临界流体技术（SCF）制备超微粉体是一项新技术。利用超临界流体较好的溶解、扩散和传质能力,能制备出性能优异的超微粉体。CO2资源廉价，安全性好，而且方便于在常温条件下用，没有污染环境问题，是目前应用超临界流体技术的首选材料。

美国已经把CO2超临界流体溶喷技术已应用于制造粉末涂料，实现了产业化。我国正在开展把CO2超临界流体做为加工介质，应用于制造碳粉的研究工作。

下面给大家介绍几种构想中的超临界流体技术制造碳粉方法。

11、溶喷法

首先把构成墨粉组份原料（树脂、CCA、颜料、促溶济等）加到高压溶融釜内，再把容器中的空气抽空，然后用高压泵注入二氧化碳，控制t＞31.1℃,当Ps>7.4Mpa后的某一压力时，使其处于能溶解热熔树脂的超临界态，启动搅拌装置，将不能溶于超临界流体的颜料等悬浮在流体中，从理论上，可认为颜料与CCA在树脂溶液中的分布可达到理想的均一化，控制溶融釜与喷雾室的压力关保持衡定，就可得到球形墨粉。由于溶喷法工艺已在粉末涂料行业取得成功，相信在制造碳粉生产领域的应用也是可期待的。

22、抗溶法（GAS）

由于CO2超临界流体直接溶解苯丙聚合物有一定困难，在没有找到理想促溶剂的情况下，可以把苯丙树脂或聚脂先溶解在某种溶剂中，并对同时加入的颜料及CCA在高压釜中搅拌，控制溶液浓度，温度使体系成为均匀的悬俘液体，然后再与超临界CO2的流体混合，由于溶剂是可溶于超临界体的，而溶质是不溶于CO2超临界流体，于是树脂携带颜料及CCA会析出形成球形微粒，有机溶剂和超临界流体形成的溶液经过解吸装置使二者分离，然后各自给予循环使用。可直接制造出微粉的球形粉体。该技术虽然还未在墨粉制造中有成功的前例，但在制药行业已有成功先例。

33、聚合法

该方法就是把超临界流体作为聚合反应介质使苯乙烯，甲基丙烯酸酯等单体，在超临界流体中进行聚合的方法。参考目前化学聚合墨粉的成功经验，采用适合超临界二氧化碳流体的引发剂与表面活性剂是可以找到适合聚合墨粉的工艺条件的，可以实现制造出D50为6u左右的球形洁净的粉体。用此方法实现的聚合物无需用水清洗与长时间的干燥，克服了化学聚合发以水为介质生产碳粉的所遇到高耗水、干燥过程周期长、耗能大的缺点。

小结：

采用CO2为介质的超临界流体技术制造碳粉工艺创新一旦成功，那将顺利克服机械法与化学聚合法的技术短板。在保障碳粉产品质量达到化学聚合法的高水平的同时，实现碳粉生产的无污染，低能耗，符合未来技术发展的趋势。大家期待着中国打印耗材企业在碳粉生产工艺水平的创新和突破，让我们拭目以待吧。

（粉体圈作者：敬之）

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