专利名称：充气粉末的正压密实法的制作方法
技术领域：
本发明涉及提高充气粉末体积密度的工艺和装置。例如，本发明可用于提高具有显著商业价值的高度充气的自由流动无机金属氧化物粉末的体积密度，例如，二氧化钛颜料、当前用于一次和二次可充电电池的络合金属氧化物(一般含有锂金属氧化物)以及此类络合金属氧化物和电池阴极组分中其他各种成分的混合物的体积密度。
处理和容纳精细的、高度充气的粉末在很多方面都存在问题。例如，如果没有事先将颜料除气，就很难有效地将经过高度处理的二氧化钛颜料(例如一种设计用于水基乳胶涂料的)充填满袋子或其他容器。由于颜料的体积密度相对低，因此容器通常只能填充至其容积的80-90％。通过静置，颜料中滞留的空气将经过重力沉降的颜料颗粒间的曲折通道缓慢上升，在此过程中提高颜料的体积密度从而允许向容器中加入额外的颜料。然而，在连续制造和包装过程中，填满容器容积所需要的额外的时间和过程造成该方法效率低。此外，在连续装袋过程中将固定的、预先确定量的颜料装入每个袋中十分困难。类似地，由于材料中滞留的空气，在电池舱或外壳中充填满或以准确量充填电池活性材料(例如阴极材料)很难实现。
用于除气和压紧自由流动粉末的方法已有多种。例如，将粉末容器置于设备顶部，在充填容器时摇晃或振荡容器。类似的技术包括将振荡杆置于容器内以驱散滞留的空气。过去采用的其他方法包括采用压缩装置压缩容器及其中的粉末以挤出粉末中存在的空气，以及在充填过程中将一个与真空系统连接的多孔管放入容器中以排除其中的空气。所有这些方法都有着严重的缺陷。例如，虽然采用多孔管去除存在的空气在短时间内奏效，但是由于很多粉末的颗粒体积细小，管中的孔最终会被堵塞。
多年来在商业中采用的一种技术是真空密实。在真空密实方法中，将需要除气的粉末置于一个与真空源连接的容器中，随后将真空开启至需要的水平。在获得所需真空水平后，关闭控制真空源的阀门并将通向容器的第二个阀门打开使得容器中的压力迅速平衡恢复至大气压。该方法可压紧粉末。
遗憾的是，和迄今为止采用的其他粉末除气方法一样，真空密实也存在缺陷。例如，真空系统需要精细的过滤系统，安装该系统通常比较昂贵；许多粉末制造工厂都没有真空系统；此外，真空系统还受到大气压(大约15psig(1kg/cm2，气压计))的限制。
在真空密实方法中，当真空室中的压力降低时粉末只以很小的程度压缩。但是，当空气迅速流入至已经去除空气的容器中时，通过解除真空而最终将除气材料压缩至显著的程度。如果真空以足够的速率解除，颜料顶部的空气的迅速流入使得空气来不及扩散回颗粒间，于是颜料就压缩至更小的体积。
目前已发现在封闭器皿中快速增加气压(例如空气)也会造成容器中高度充气的粉末密实化。因此，本发明提供了基于正压提高充气粉末体积密度的工艺。如以下讨论中所述，运用正压系统来获得理想的粉末密实拥有很多优点。
一方面，本发明提供了一种提高充气粉末体积密度的工艺。根据该工艺，将粉末置于容器中，随后将装有粉末的容器区域的气压以足够的速率升至大气压以上的水平，从而在加压气体的主体部分扩散至粉末中之前压紧粉末。如下所解释，气压必须升至大气压以上的水平以及为实现粉末压实的显著程度所需要的升压速率将依赖于粉末的种类、容器的型号和其他参数而变化。
例如，在一应用中，用以用本发明的工艺将预定体积的粉末装于袋子或其它器具中。将粉末放于容器内，随后将装有粉末的容器区域的气压以足够的速率升至大气压以上的水平，从而使粉末的体积密度升至预定的水平，然后将预定量的压紧的粉末从容器中移出放入器具中。此工艺可以在连续装袋过程中将固定的、预先确定量的粉末等装入每个袋子中。
在一个具体实施方案中，通过向容器中注入气体而将装有粉末的容器区域的气压升至大气压以上的水平。该气体注入容器的速率足以在加压气体的主体部分扩散至粉末中之前压紧粉末。在所选择的气体不与粉末发生有害反应或对此流程或进行此流程的装置产生负面影响的情况下，包括空气在内的各种气体均可使用。优选地，该注入的气体是一种惰性气体、空气、氮气、氧气、二氧化碳或氯气。
可以根据本发明的工艺进行密实的精细、高度充气粉末例子包括无机金属氧化物粉末如无机颜料(例如，二氧化钛颜料)和电池活性材料。电池活性材料包括用于一次和二次可充电电池的无机金属氧化物和金属磷酸盐粉末，如锂金属氧化物和锂金属磷酸盐，包括其中的金属为钒、锰、镍、钴、铁或这些金属的混合的那些磷酸盐。在这些电池活性材料的晶体结构中可能存在或不存在锂。本发明特别适合密实锂钒氧化物。同样地，如以下实施例的说明，电池活性材料和用于阴极组分中的其他组分的混合物也可以根据本发明的工艺进行密实。
在另一具体实施方案中，用于提高充气粉末体积密度的本发明的工艺包括将粉末置于容器中，该容器有第一末端及正对第一末端的第二末端。随后将装有粉末的容器区域的气压以足够的率升至大气压以上的水平，从而在加压气体的主体部分扩散至粉末中之前在容器第二末端将粉末压紧。此后，该容器的第二末端打开，于是造成容器的压力降低，并且使得粉末通过容器的第二末端而从容器中排出。
本发明还包括制备水浆的一种工艺。根据此工艺，首先将粉末研磨或进行其他处理。一般地，该研磨或其他处理程序会使粉末充气，在粉末完全沉降之前，将粉末除气而提高粉末的体积密度。在粉末体积密度提高之后，使粉末在液体介质中扩散。该除气步骤使得粉末能在液体介质中快速扩散(就是说，即使粉末没有完全沉降，粉末也可以迅速扩散进液体介质中)。如果不对粉末进行除气(经过一段时间自然发生或根据本发明)，将大量的粉末以适时的方式扩散进入液体介质就很难实现。优选地，粉末采用如上所述的正压除气系统除气。
例如，上述工艺可用于将新鲜的液能研磨二氧化钛颜料扩散进诸如水的合适液体中形成浓缩的颜料水浆。颜料体积密度的增加提高了该颜料“润湿”于水浆中的速率，从而加速了水浆的扩散过程。该浓缩的颜料水浆随后可以以一种相对快捷和简易的方法混合进涂料配方中。
另一方面，本发明包括了用于实施本发明工艺的装置。在一个具体实施方案中，该装置包括在压力下装粉末的容器，该容器具有第一末端和正对第一末端的第二末端。加压装置与容器相联，以将装有粉末的容器区域的气压以足够的速率升至大气压以上的水平，从而在加压气体的主体部分扩散至粉末中之前将粉末压紧。在一个具体实施方案中，该加压装置包括将气体注入容器的装置和压缩的气体源。
在另一具体实施方案中，本发明的装置包括1)带有分别形成入口和出口的第一末端和与之正对的第二末端的圆柱体；2)置于圆柱体内部的以中心辐射形(hub-and-spoke)排列的旋转密封装置，于是充气粉末可通过入口加入到由圆柱体内相邻的“轮辐”形成的粉末放置区域；以及3)加压装置包括将气体注入容器的装置和压缩的气体源。该设备可以旋转，由此通过加压装置输入的加压气体可以密实粉末放置区域内的粉末。然后，该设备可以进一步旋转从而使密实的粉末通过出口从圆柱体中除去。
本发明通过参考附图对而优选具体实施方案进行了更详细的说明，其中
图1和2是说明本发明的正压系统的简易容器的剖视图；图3是说明本创造性装置的一个具体实施方案的侧面正视图4是图3所示装置的俯视图；图5是说明本创造性装置的另一具体实施方案的正面示意图和局部剖视图；图6是对应于下述实施例4的曲线图。
本发明提供了提高充气粉末体积密度的工艺。
在此说明书及所附权利要求书中，粉末指固态的、干燥的材料的极小颗粒，其大小小于胶体尺寸(例如，0.01微米)。在此说明书及所附权利要求书中，“充气”粉末指在形成粉末的颗粒间有空气或其他气体滞留的粉末。粉末的体积密度是指通过以下实施例1所描述和说明的方法而确定的粉末的体积密度。
参照图1和2对本本发明的工艺的一般原理进行说明和描述。图1显示了装有密实前的充气粉末12的容器10。如图2所示，迅速地将装有粉末12的容器10的区域14(在本实施例中，该区域14是容器10的整个内部)的气压提高到大气压以上的水平，从而在加压气的主体部分没有扩散进粉末前将粉末压紧。对本发明不以任何方式产生限制地，从机械学上可以预期产生的压力锋或压力波(虚线16所示)迫使颗粒12聚集在一起，同时将粉末颗粒间滞留的空气排出，否则，这些空气必须通过颗粒12的重力沉降作用经过一段时间后才排出。
随后，可对压紧的粉末12进行有效处理。比如，除了易于处理外，可更有效地对该粉末进行包装(例如，使包装尺寸标准化)。该压紧的粉末12还可以更有效地置于外壳或其它器皿中(例如，电池外壳)。在绝大部分电池应用中，活性材料压得越紧密，电池的电荷密度越大，即压紧电池活性材料造就更好的电池。
根据本发明的工艺，首先将粉末置于容器内。随后装有粉末的容器区域的气压以足够的速率升至大气压以上的水平，从而在加压气体的主体部分扩散至粉末中之前将粉末压紧。气压必须升至大气压以上的水平以及为实现粉末一定的密实程度所需要的相应升压速率将依赖于有待密实的粉末的种类、粉末颗粒间滞留的气体量、以及用于进行流程的容器。当然，所用的气压量以及升压的速率也将依赖于需要的压紧程度。例如，优选且简单地，本工艺包括自大气压起增大压力，其中的所述粉末倾倒或通过重力流入容器中，该容器中的压力大于大气压，随后该大于大气压的压力帮助密实粉末从容器中排净至包装中。
例如，如下实施例1所示，在3升的内部直径为15.3cm高为15.9cm的圆柱体铁质器皿中，为了将新鲜研磨的、热的(150到200℃)水浆涂料级二氧化钛颜料(科麦奇化学公司销售的“CR-813”氯化法金红石颜料)的体积密度从24.8lbs/ft3(0.40g/cm3)提高到47.1lbs/ft3(0.67g/cm3)，将容器中装有颜料的区域(本例中是容器的整个内部)的气压在大约10到15秒内从0psig升至50psig(3.5kg/cm2)。类似地，如下实施例5所示，为了在同样的3升圆柱体铁质器皿中将新鲜干燥且真空密实的锂钒氧化物电池活性材料的体积密度从43.6lbs/ft3(0.70g/cm3)升至50.5lbs/ft3(0.81g/cm3)，将容器中装有颜料的区域(本例中是容器的整个内部)的气压在大约15秒内从完全真空状态(小于0.1psig)升至90psig(6.3kg/cm2)。
一般地，在获得理想的压实之后，将容器去压，并将压紧的粉末从容器中移出。在一个具体实施方案中，进行粉末密实的容器同时作为产物最终的或至少是中间的容器(例如包装)。在这种情况下，压紧的粉末当然不用从容器中移出。事实上，可将额外的粉末加入容器中并按照本发明通过一个或多个额外的循环来压紧粉末。
在一个具体实施方案中，通过向容器中注入气体，将装有粉末的容器区域的气压升至大气压以上的水平。例如，如上所述，为了压实粉末，将气体以足够的速度注入容器从而使容器中的整个压力在理想的时间内升至理想的水平。随后将容器去压，并将压紧的粉末从容器中移出。
上述加压气体可以是任何气体，但是该气体不应该与粉末发生有害的反应或对流程或进行流程的装置产生负面影响。该加压气体可以选择来以有益、理想的方式与粉末反应，从而有效地将反应步骤结合到粉末密实化制备(或处理)中。但是，对于大多数应用，该加压气体预期通常不应和流程及装置中的粉末产生反应。例如，在锂金属氧化物电池活性材料或对湿气或氧气敏感材料的密实中，诸如氮气的惰性干燥气体适合用作加压气体。然而，在密实充气二氧化钛粉末的情况下，可简单且优选地用空气作为加压气体。该气体还可以方便地选择那些在制造、处理或操作充气粉末的相关流程中存在和容易使用的(可能已经处于加压情况的)气体。例如，在二氧化钛颜料的生产中，通常会使用、生成和/或循环氯气。在本发明的一个具体实施方案中，将氯气用做气体注入容器以提高容器中的气压并将粉末压紧。
可以使用各种方法来对容器进行去压和从容器中移出压紧的粉末。例如，在一个具体实施方案中，将粉末置于带有第一末端及正对该第一末端的第二末端的容器中。这样设计容器使得在将装有粉末的容器区域的气压升至大气压以上的水平时粉末在容器的第二末端处压紧。一旦粉末被压紧，将容器的第二末端打开，于是容器得到去压，且压紧的粉末通过容器的第二末端从容器中排出。
根据本发明可以密实或压紧任何充气粉末。具有商业价值的充气粉末的例子为二氧化钛颜料和用做电池活性材料的络合金属氧化物和金属磷酸盐，例如基于钒、锰、镍、钴、铁或这些金属的混合物的那些磷酸盐。其中，特别感有益的是锂钒氧化物、锂钴氧化物、锂镍和锂锰氧化物(包括很多在各自基础上修饰的氧化物)。需要将这些充气粉末密实的有益应用的例子包括批量包装操作和将电池活性材料加入有限体积的电池舱的操作。
本发明特别适用的一类材料是无机颜料。例如，部分地由于最终的液能研磨步骤，高度处理后的二氧化钛颜料的体积密度(例如一类设计用于水基乳胶涂料的)非常之低以至于只能将常用容器填充至其容积的80-90％。一般地，高度处理的充气二氧化钛颜料的体积密度小于大约21.9lbs/ft3(0.35g/cm3)。根据本发明，该颜料的体积密度可以有效地升至大约49.9lbs/ft3(0.8g/cm3)以上的水平本发明的密实工艺对于体积密度小于大约21.9lbs/ft3(0.8g/cm3)的二氧化钛颜料特别有用。优选地，根据本发明，这样的二氧化钛颜料的体积密度可以升至高于35lbs/ft3(0.56g/cm3)的水平。更优地，根据本发明，该二氧化钛颜料的体积密度可以升至35lbs/ft3(0.56g/cm3)至50lbs/ft3(0.80g/cm3)之间的水平，甚至更优地升至40lbs/ft3(0.64g/cm3)至50lbs/ft3(0.80g/cm3)之间。
另一方面，本发明包括由充气粉末制备水浆的工艺。由于将粉末“润湿”进液体介质需要延长时间，因此由充气粉末(特别是高度充气粉末)制备水浆非常耗时。尽管充气粉末经过一定时间可以自然地重力沉降，但这就在最终的粉末处理步骤和水浆制备之间又增加了一个步骤。根据本发明，首先对粉末进行处理。例如，进行能典型地使粉末充气的最终粉末研磨步骤(例如液能研磨)。在粉末完全沉降之前，通过对粉末进行除气以提高粉末的体积密度。然后将该密实的粉末润湿(扩散)进水浆。生成的水浆可有效和有效率地加入到诸如涂料配方的另一种介质中。
优选地，粉末按照本发明除气，即将粉末在大气环境下放入容器，将装有粉末的容器区域的气压以足够的速率升至大气压以上的水平，从而使得在加压气体的主体部分扩散至粉末中之前将粉末压紧并将压紧的粉末从容器中移出。
在二氧化钛颜料工业中，相当数量的颜料以水浆的形式出售。一般地，这些水浆制备成质量百分比为65％-76％的固态水平。为了达到如此高的固态水平，将各种扩散剂加入其中以促进快速的“润湿”以及形成稳定的分散物。术语“润湿”指用液体替代颗粒周围的空气。在高度充气的粉末中，滞留的空气可以显著地增加完成“润湿”步骤所需的时间。通过在起始扩散流程之前将颜料密实，“润湿”时间可以显著缩短。例如，通过本工艺将二氧化钛颜料在水中扩散形成水浆的“润湿”时间和相同情况下相同颜料在颜料仅通过沉降自然除气时所需要的“润湿”时间相比优选地可缩短至少10％，更优地可缩短至少20％及最优地可缩短30％。
本发明同样对提高电池活性材料和含有这些材料的组分的体积密度特别有用，可用于制造一次或二次可充电电池的阴极。就这点而言应当承认随着越发小巧且精细的手持电子设备的出现，用于这些设备的电池和用于早期此类设备的电池相比必须能够传递相应更多的电能却只占有更小的空间。本发明满足了此类需要并有助于将更多量的指定电池活性材料装入所需的不断减小的、固定体积的电池箱或外壳中。优选地，通过本发明的工艺，含有电池活性材料(或这些材料的混合物)的电池有效组分的体积密度和没有使用任何正压密实或除气的相同组分的体积密度相比可以提高至少10％，更优地可以提高至少15％以及最优地可以提高30％。
本创造性工艺不需要精密装置；任何封闭容器均可使用，只要其制造材料能够支持理想的操作压力以及在使用腐蚀性材料时能够承受腐蚀性环境。
参照附图，特别是图3和4描述了本发明装置的一个优选具体实施方案，整体指定参考号为20。该装置20，即气闸部件，可用于提高任何粉末的体积密度。该装置20的具体形式并不重要。事实上，商业上可获得的多种球碟型阀门和气闸部件经过改良均可用于本发明。图3和4所示的特定装置是根据本发明改良的GEMCOO球碟型阀门或气闸。
上述装置20以垂直方式放置，包括在压力下装粉末的容器22。在连续的二氧化钛加工过程中，二氧化钛颜料可以直接从二氧化钛分离器(未显示)中加入到容器22中。
上述容器22包括第一末端30和正对的第二末端32加压装置34与容器22相连以将装有粉末的容器22的区域36的气压升至大气压以上水平，且升压速率足以使加压气体的主体部分扩散进粉末之前使粉末压紧。
在一个具体实施方案中，上述加压装置34包括将气体注入容器22的注射装置38和气源40(例如压缩气体)。该注射装置38包括从气源40延伸至容器22的管道42和相应的阀门44。压缩气体源40包括适配容器46。容器46内的气压足够推动气体以足够的速率经过管道42到达容器22，使得容器22中的气压在理想时间内提高到理想的水平。
容器22的第一末端30包括入口48，粉末通过该入口加入到容器中(该入口包括与加料口连接的凸缘48a)。容器22的第二末端32包括出口50，粉末通过该出口从容器中排放至袋中或其他接收器具(未显示)中(该出口包括与接收器具连接的凸缘50a)。该容器还包括用于开关入口48的第一阀门54和用于开关出口50的第二阀门56。如图所示，阀门54和56是传统的滑动闸刀阀，如本领域技术人员所公知，该阀门可通过相应的阀门马达58a和58b(例如电动马达或气动马达，可包含用于控制循环时间的程序性逻辑控制器)自动操作。该阀门54和56迅速地开关从而使该容器快速地充填或排放。一个或多个压力阀60可以与容器22连接以用于显示容器22中的压力。
在对如附图3和4所示的装置的操作中，开放第一阀门54，需要密实的粉末在重力的作用下通过入口48进入容器22。阀门56保持完全关闭，粉末落入并堆积于阀门56上。一旦将容器22填充至理想水平，将阀门54关闭。随后将阀门44打开以将气源40中的加压气体注入到容器22中。将气源40中的加压气体压缩使得气体可以以足够的速率注射进容器22中而使容器中的气压升至理想水平，即以足够的速率升至大气压以上的水平从而在加压气体的主体部分扩散进入粉末之前将粉末压紧，由此粉末在容器22的阀门56处得到压紧或密实。一旦粉末按需要得到压紧，就将阀门56打开，由此重力与容器22中升高的气压一起将粉末从容器22中彻底排出。这一点成为本发明的附加优点，特别是在一些粉末具有粘着特性而使得粉末容易粘在容器22的壁上而难以转移到独立的包装中的情况下。例如，容器22中增高的气压可以克服粉末粘附于容器22器壁的趋势。压紧的粉末被直接释放进袋子或其他类型产品器具中(未显示)，优选地，实现粉末的释放不需要额外的机械设备。
参照附图5，显示了用于提高粉末体积密度的本发明的装置的另一个具体实施方案。该具体实施方案中的装置，整体指定参考号为70，包括圆柱体72和与圆柱体相连的加压装置78。粉末80从加样容器82加入到圆柱体72中并最终从圆柱体进入终容器(如袋子)84中。
上述圆柱体72包括含有入口92的第一末端90，正对第一末端含有出口96的第二末端94和容器壁98。入口92包括第一阀门100，出口96包含第二阀门102。旋转容器设备74置于圆柱体72内。该旋转容器设备包括轴心110和三对与轴心相连的正对的页片，分别为112A和112B、114A和114B及116A和116B。页片112A和112B、114A和114B及116A和116B在圆柱体72内分割形成6个粉未容器区域120A至120F。该旋转容器设备74可以在圆柱体72中旋转，因此120A至120F的每一个粉末容器区域可以旋转至圆柱体内与入口92邻近的第一位置122，而使未压紧的粉末80加入到该区域；旋转至圆柱体内与器壁98邻近的第二位置124，而使粉末80在该区域压紧；旋转至与出口96邻近的第三位置126，而使压紧的粉末80从该区域释放至终容器84中。
上述旋转装置76包括马达130(用虚线表示)和轴杆132。轴杆132一端与马达130连接而另一端与轴心110连接。马达130转动轴杆132，该轴杆进而转动旋转容器设备74。
与圆柱体72连接的上述加压装置78的功能是提高旋转容器设备74内的各粉末容器区域120A至120F的气压而使得当区域在第二位置124时区域内的粉末可被压紧或密实。各粉末容器区域120A到120F内的气压以足够的速率升至大气压以上的水平，从而使得区域内的粉末在加压气体的主体部分扩散进区域之前被压紧。该加压装置78包括脉冲气压控制系统140、气体主管道142、过滤通风系统144和清除系统146。该气体主管道142的第一端148与脉冲气压控制系统140连接。该气体主管道142的第二端150延伸通过圆柱体72的容器壁98而位于各个粉末容器区域120A到120F中，此时所述区域位于第二位置124。
过滤通风系统144包括阀门154、压力计156和袋式滤器158。气体主管道142的第一分支160延伸进入滤器158。过滤通风系统144可以根据需要将空气从加压装置78中排走。
气体主管道142的第二分支164延伸进入清除系统146。清除系统146包括阀门166，使加压装置78中滞留的任何颗粒从其中去除。
在操作中，将需要压紧的粉末80置于加样容器82中。通过旋转装置76使得旋转容器设备74在圆柱体72中以逆时针方向以理想速率旋转；即该速率使得120A到120F的各个粉末容器区域在位于第一位置122时向其中加入适量的粉末80，并且当该区域在位于第二位置124时，其内的粉末80可得到充分的压紧。随后打开第一阀门100，使未压紧的粉末80加入到位于第一位置122的120A到120F的各个粉末容器区域中。随着旋转容器设备的转动，120A到120F的各粉末容器区域从第一位置122移至第二位置124。在第二位置124处，加压装置78运行而将相应粉末容器区域的气压以足够的速率提高到大气压以上的理想水平，从而使得该区域内的粉末在加压气体的主体部分扩散进粉末之前得到压紧。旋转容器设备74的旋转同样使得120A到120F的各个粉末容器区域从第二位置124转至第三位置126。当粉末容器区域位于第三位置126时，区域中压紧的粉末通过第二阀门102和出口96落入终容器或终袋84中。根据本发明连续地运作设备可以连续地将粉末密实。
运行加压装置78来提高120A到120F各粉末容器区域内的气压的操作如下通过脉冲气压控制系统140将空气注入气体主管道142。空气由气体主管道142导入到位于第二位置124的粉末容器区域，该空气是通过该气体主管道142的第二端150而进入第二位置区域的。脉冲气压控制系统140使得空气以足够的速率通过气体主管道142而使处于第二位置124的粉末容器区域内的气压以理想的速率升至大气压以上的理想水平，即该速率足够使区域内的粉末在加压气体的主体部分扩散进粉末前被压紧。
过滤通风系统144在当气压计156显示的系统压力超过需要的限制时将空气从系统中排出。打开阀门154使过量的气体经过管道142的第一分支160进入滤器158并最终进入大气。滤器158可以捕获排出气体中存在的任何颗粒。
清除系统146将聚集在气体主管道142或加压装置78的其他部分中的任何粉末从系统中除去。打开阀门146使得气体主管道142中的空气和颗粒进入管道的第二分支164，在那里它们通过阀门并以合理的方式加以收集。
提供下列实施例以进一步说明本发明的方法和组成的有效性。
实施例1
通过进行一系列试验证实了对装有高度充气的粉末的封闭器皿快速加压会使粉末密实或压紧(即，迫使粉末形成更小的体积)。对快速和慢速加压以及快速和慢速减压的全部四种组合进行了评估。体积密度值用“HOSOKAMA Micron粉体测定仪，PT-E型”以常规方法测定，将粉末装满100立方厘米的量杯并使其水平，在杯顶部附加一个延展层并同时填满延展层。以60循环频率轻敲填满的量杯和延展层180秒，并根据需要加入粉末以保持粉末的水平在量杯顶部之上。在轻敲的循环结束后，小心去除延展层并将量杯水平以去除多余粉末。填满的、轻敲过的水平的量杯和空杯在重量上的差异以克为单位，除以量杯100立方厘米的体积，得到单位为克每立方厘米的样品体积密度。
用于检测的粉末为高度充气的，乳胶涂料级的二氧化钛颜料(科麦奇化学公司销售的“CR-813”氯化法金红石颜料)。首先，用液能研磨法将颜料研磨，液能研磨的超热流将粉末充气并将颜料温度升至大约150-200℃。该颜料的体积密度在测试之前为24.8lbs/ft3(0.40g/cm3)。随后将大约500克的热颜料加入3升的带有可移动顶部的圆柱形铁质器皿内(内部直径15.3厘米，高15.9厘米)。随后将器皿的顶部安全连接。打开与器皿顶部相连且与压缩气体管连接的第一阀门，由此使得器皿在10-15分钟内从0psig加压至大约50psig(3.5kg/cm2，压力计)。一旦压力到达大约50psig的水平，关闭第一阀门并将同样与器皿顶部相连的第二阀门打开。第二阀门的打开使得器皿在大约10至15秒内平衡回到大气压。移走器皿的顶部从器皿中获得颜料。重新获得的颜料(样品1A)的体积密度测定为41.7lbs/ft3(0.67g/cm3)。因此颜料的体积密度显著提高，特定地达到了68％。
随后，使用同样的步骤和同样的热颜料的新鲜样品重复上述试验。唯一的不同是将器皿中的压力在3分钟内升至50psig，而不是10至15秒，且在1分钟而不是10至15秒内平衡恢复到大气压重新获得的颜料(样品1B)的体积密度测定为26.6lbs/ft3(0.43g/cm3)，几乎与起始材料相同。
进行的第三个测试同样运用相同的设备和步骤以及相同的热颜料的新鲜样品。但是在本测试中，器皿快速加压但缓慢降压。特定地，器皿中的压力在10至15秒内升至大约50psig随后经过大约1分钟平衡恢复至大气压。重新获得的颜料(样品1C)的体积密度测定为41.7lbs/ft3(0.67g/cm3)，与样品1A获得的水平相同。
进行的第四个例子是为了说明将器皿起始缓慢升压但快速降压的效果。再一次地，测试采用同样的设备和上述步骤以及热颜料的新鲜样品进行。但是在本测试中，压力在3分钟内升至大约50psig之后在30秒内降压。重新获得的颜料(样品1D)的体积密度测定为29.7lbs/ft3(0.47g/cm3)，只比起始材料略高。
以上试验的结果清楚显示将器皿快速升压是颜料显著密实的原因。
实施例2
将根据实施例1密实的颜料(样品1A)在涂料配方中进行检测以证实通过本发明的装置完成的密实对颜料的光学属性没有负面影响。对含有颜料样品1A(体积密度大约为41.7lbs/ft3(0.67g/cm3))的涂料配方以及含有未用本发明的工艺中处理的颜料的涂料配方(体积密度为24.8lbs/ft3(0.40g/cm3))(“未处理颜料样品”)进行测试。
涂料配方为标准的为建筑内部应用所设计的乳胶涂料配方。通过将颜料样品整合进新鲜制备的聚乙酸乙烯胶乳液中形成涂料配方，在每种配方中，加到乳液中的颜料样品的体积为乳液的总体积的60％。
将得到的涂料配方首先应用于黑色玻璃盘和白色卡片上。如本领域技术人员所公知，干燥涂料层的Y反射率运用Hunterlab色差仪测量。这些读数结合涂层的重量用于计算散射率，以颜料的平方英尺每磅(平方米每千克)的遮盖力表示。
接下来，将固定量的碳黑加入到每个涂料配方中以形成各配方的有色涂料样品。将四种有色涂料样品完全混匀。在标准LenetaTM测试纸上测试所有四种涂料样品和相应对照的下降，根据这些下降，从Hunterlab色差仪获得的读数可以用来计算着色强度。所有的方法和计算分别根据ASTM D2805和D2745进行。结果在以下表1中显示。
表1涂料配方的光学属性
测试的结果显示无论是遮盖力(或)还是着色强度实施例1中密实过的颜料都没有受到损伤。
实施例3针对改变密实压力对颜料体积密度产生的影响进行了验证。用于本系列测试的颜料是高度充气的、乳胶涂料级二氧化钛颜料(科麦奇化学公司出售的“CR-813”)。对颜料的六个样品进行了测试，其中包括一个对照。
首先，采用实施例1中描述的同样的工艺、装置和设备将颜料的六个样品中的五个进行密实。除了所采用的密实压力以外，每个试验中的测试参数都是相同的。在每个测试中，器皿在大约3-5秒内迅速加压到目标压力水平。在达到目标压力水平后，器皿在大约10-15秒内平衡恢复至大气压水平。密实过程中采用的密实化压力范围在15psig(1kg/cm2)到72psig(5kg/cm2)之间。每个颜料样品的体积密度，包括对照样品，用实施例1中的方法确定。
随后采用对照样品及五个经本发明的工艺密实的样品制作涂料配方。采用实施例2中描述的同样的配方、设备和步骤。随后采用实施例2中描述的同样的步骤测定样品的遮盖力和着色强度。测试结果如下表2所示。
表2密实压力对涂料配方光学属性的影响
体积密度测定证明了颜料的体积密度随着密实压力的增加而增加。在所评估的密实压力范围内通过对遮盖力和着色强度测定的光学属性没有变化。测试显示在不影响所形成的涂料配方的光学属性的情况下颜料可得到显著的密实(从0.40g/cm3到0.69g/cm3，增加了72％)。
实施例4进行测试以证明本发明的密实工艺和装置对粉末在水介质中扩散速率的有益影响。
测试所用颜料与以上实施例3中描述的颜料相同。颜料由颜料制造流程中的液能研磨步骤新鲜制备。体积密度值由实施例1中的方法确定。
制备两个样品，第一个用作对照。第二个样品用实施例1中描述的相同步骤和装置进行密实；在本实施例中压力在3-5秒内升至大约50psig并在10-15秒内降压。体积密度的测定显示对照的体积密度值为27.1lbs/ft3(0.43g/cm3)而密实样品的值为40.0lbs/ft3(0.64g/cm3，几乎增加了48％)。
接下来，用美国Byk-Gardner的配置了扭力感知功能的AE3C型DISPERMATTM将两种颜料样品制备水浆。该技术包括将775克待测颜料样品加入370克水和扩散剂的完全混合物中。所有的操作参数如速度和温度都保持在恒定的水平。在将颜料加入水介质的方法中唯一的限速因子是二氧化钛“润湿”进水浆的能力。
结果通过上述应用的图，即附图6所示。图6包括根据本发明密实的样品和对照样品的时间—扭距图。如图所示，根据本发明密实的颜料样品在对照之前50-52秒达到稳定态的扭距。因此，根据本发明将粉末密实可以充分提高粉末在水介质中的扩散能力。
实施例5对含有锂钒氧化物电池活性材料和质量百分比大约为5％的石墨和碳黑混合物的阴极组分进行压力密实测试，该组分事先经过干燥并只在真空下进行了密实。将样品置于实施例1中描述的相同的3升铁质测试圆柱体内并施以完全的真空(小于0.1psig)。圆柱体随后在15秒内用氮气加压至90psig(6.3kg/cm2)。紧张体积(轻拍)密度从43.6lbs/ft3(0.73g/cm3)升至50.0lbs/ft3(0.81g/cm3)，在密度上增加了15％。
实施例6至8在实施例6至8中，对另外三种电池有效的阴极组分的每种组分的两个样品进行相似的密实测试，所有的组分均含有锂钒氧化物电池活性材料、碳黑和石墨。用于实施例6和7的样品的组分是相同的，但样品8的组分中使用的石墨比例较碳黑大一些。
与实施例5形成对比，在起始阶段不施以真空，因此用氮气加压自大气压起大约15秒内到达90psig。随后将容器的阀门打开，压力在大约5秒内迅速释放。同样和前面的实施例形成对比，在实施例6至8中，对样品多进行两次相同的密实流程从而在测定紧装体积密度(轻拍)之前得到最大密实。下表3中显示了结果，其中密度以克每立方厘米表示表3
因此，样品的体积密度得到了显著提高。
权利要求
1.一种提高充气粉末体积密度的工艺，该工艺包括将所述粉末置于容器内；和将装有所述粉末的所述容器的区域的气压以足够的速率提高至大气压以上的水平，从而使得在所述加压气体的主体部分扩散进所述粉末之前压紧所述粉末。
2.如权利要求1所述的工艺，其还包括将所述容器降压及从所述容器中移出所述压紧粉末的步骤。
3.一种将预定体积的粉末放入器具中的工艺，该工艺包括包括将所述粉末置于容器内；将装有所述粉末的所述容器的区域的气压以足够的速率提高至大气压以上的水平，从而使得该粉末的体积密度升至预定的水平；和将预定量的所述粉末从所述容器中移出并置于所述器具中。
4.如权利要求1或3所述的工艺，其中所述的含有所述粉末的所述容器区域的气压通过将气体注入所述容器而提高至大气压以上的水平。
5.如权利要求4所述的工艺，其中注入所述容器的所述气体选自惰性气体、空气、氮气、氧气、二氧化碳和氯气。
6.如权利要求5所述的工艺，其中注入所述容器的所述气体是空气。
7.如权利要求1或3所述的工艺，其中所述的粉末是无机金属氧化物。
8.如权利要求7所述的工艺，其中所述的粉末是二氧化钛颜料。
9.如权利要求8所述的工艺，其中所述二氧化钛颜料的体积密度提高至大于大约0.56克每立方厘米的水平。
10.如权利要求9中所述的工艺，其中所述的二氧化钛颜料的体积密度提高至大约0.64克每立方厘米至大约0.80克每立方厘米之间的水平。
11.如权利要求8所述的工艺，其中所述的装有所述粉末的所述容器区域的气压通过将氯气注入所述容器而提高至大气压以上的水平。
12.如权利要求7所述的工艺，其中所述的粉末含有一种电池活性材料。
13.如权利要求12所述的工艺，其中所述的电池活性材料选自金属氧化物和金属磷酸盐，其中所述金属为钒、锰、镍、钴、铁或其组合。
14.如权利要求12所述的工艺，其中所述的电池活性材料选自锂金属氧化物和锂金属磷酸盐，其中所述金属为钒、锰、镍、钴、铁或其混合。
15.如权利要求14所述的工艺，其中所述的电池活性材料是锂钒氧化物。
16.如权利要求14所述的工艺，其中所述电池材料的体积密度提高了至少10％。
17.如权利要求16所述的工艺，其中所述电池材料的体积密度提高了至少15％。
18.一种提高充气粉末体积密度的工艺，该工艺包括将所述粉末置于容器中，所述容器带有第一末端和正对所述第一末端的第二末端；将装有所述粉末的所述容器区域的气压以足够的速率提高至大气压以上的水平，从而使得所述粉末在所述加压气体的主体部分扩散进所述粉末前在第二末端处压紧；打开所述容器的所述第二末端，由此所述容器降压并且所述粉末通过所述容器的该第二末端从该容器中排出。
19.如权利要求18所述的工艺，其中所述的装有所述粉末的所述容器区域的气压通过将气体注入所述容器而提高至大气压以上的水平。
20.一种制备水浆的工艺，该工艺包括处理粉末；在所述粉末完全沉降之前，通过将所述粉末除气来提高所述粉末的体积密度；和将密实的粉末扩散到液体介质中。
21.如权利要求20所述的工艺，其中将所述的粉末除气包括如下步骤将所述粉末置于容器中；将装有所述粉末的所述容器区域的气压以足够的速率提高至大气压以上的水平，从而使得所述粉末在所述加压气体的主体部分扩散进所述粉末之前压紧；和从所述容器中移走压紧的粉末。
22.如权利要求21所述的工艺，其中所述的粉末是二氧化钛颜料，所述的液体介质是水。
23.一种制备浓缩二氧化钛颜料水浆的工艺，该工艺包括研磨二氧化钛颜料；在所述二氧化钛颜料完全沉降之前，通过如下步骤提高所述颜料的体积密度将所述粉末置于容器内；和将装有所述粉末的所述容器区域的气压以足够的速率提高至大气压以上的水平，从而使得所述粉末在所述加压气体的主体部分扩散进所述粉末之前压紧；和将压紧的粉末从所述容器中移出；和将所述除气的粉末扩散到液体介质中。
24.一种提高粉末体积密度的装置，该装置包括在压力下用于盛装所述粉末的容器，该容器带有第一末端和正对所述第一末端的第二末端；和与所述容器相连的加压装置，其用于将装有所述粉末的所述容器区域的气压以足够的速率提高至大气压以上的水平，从而使得所述粉末在所述加压气体的主体部分扩散进所述粉末之前压紧。
25.如权利要求24所述的装置，其中所述的加压装置包括将气体注入所述容器的装置；和气源。
26.如权利要求24所述的装置，其中所述容器的第一末端包括将所述粉末加入所述容器的入口；所述容器的第二末端包括将所述粉末从所述容器中移出的出口；和所述容器还包括用于开关所述入口的第一阀门和用于开关所述出口的第二阀门。
27.如权利要求26所述的装置，其中所述的加压装置使得所述粉末在所述出口关闭时在所述出口处压紧，并在所述出口开放时从所述容器中释放。
28.一种提高粉末体积密度的装置，该装置包括圆柱体，所述圆柱体有第一末端和正对所述第一末端的第二末端，所述第一末端包括入口，所述第二末端包括出口；置于所述圆柱体内的旋转容器设备，所述旋转容器设备包括轴心；与所述轴心连接的一对正对的页片，其在所述圆柱体内形成两个粉末容器区域，所述旋转容器设备能够在所述圆柱体内旋转，由此当各个所述粉末容器区域旋转至所述圆柱体内与所述入口相邻的第一位置时粉末加入所述区域，当旋转至与所述圆柱体内所述圆柱体的所述器壁相邻的第二位置时，所述区域内的粉末被压紧，以及旋转至所述圆柱体内与所述出口相邻的第三位置时所述区域内的粉末从所述区域释放；和在所述圆柱体内旋转所述旋转容器设备的旋转装置；和与所述圆柱体相连的加压装置，该装置在所述旋转容器设备中的各个粉末容器区域位于所述第二位置时，将该区域内的气压以足够的速率提高至大气压以上的水平，从而使得该区域内的粉末在加压气体的主体部分扩散进粉末之前压紧。
29.如权利要求28所述的装置，其中所述的加压装置包括将气体注入所述粉末区域的装置；和压缩气体源。
全文摘要
本发明提供了提高充气粉末体积密度的工艺及设备。将粉末置于容器中，随后关闭容器并将容器内的气压升至大气压以上的水平且升压速率足以在所述加压气体的主体部分扩散进所述粉末之前将粉末压紧。在一个具体实施方案中，该工艺和设备用于提高充气的、自由流动的二氧化钛颜料的体积密度，以提高包装的连续性并易化其在乳胶涂料配方中的扩散。
文档编号H01M6/16GK1726165SQ200380105826
公开日2006年1月25日 申请日期2003年11月21日 优先权日2002年12月16日
发明者托马斯·伊恩·布朗布里奇, 詹姆斯·威廉·贝茨 申请人:科麦奇化学公司