層狀非金屬礦物干燥劑的試驗研究

王 鴿，張紅林

（咸陽非金屬礦研究設計院有限公司，陜西 咸陽 712021）

1 前言

干燥劑是一種從大氣中吸收潮氣的除水劑，它適用于儀器、儀表、電器設備、藥品、食品、紡織品及其他各種包裝物品防潮[1]。干燥劑的使用避免了水分對產品質量造成不良影響[2]。

層狀非金屬礦物因其獨特的晶體結構，在室溫及一般濕度下吸濕性能較好，具有吸附性、粘結性、膨脹性、靜態減濕和異味去除等功效[3]，廣泛應用于各類需要干燥的產品中，尤其是不能采用油封、氣相封存的產品，如：光學儀器、電子產品、醫學保健、食品、民用產品、集裝箱海運等密封包裝的防潮、吸附、防霉變等。膨潤土干燥劑因其無毒、無味、無腐蝕性、價格低廉，再生反復使用能力強[4]，還可吸附其他有害氣體。因此，該產品具有很大市場競爭的潛力。本試驗主要選取膨潤土為干燥劑，采用吸濕率動態分析方法，選取最佳工藝條件，生產高品質干燥劑產品。

目前，市面上售賣的干燥劑種類較多，有硅膠干燥劑，酸、堿性干燥劑以及分子篩干燥劑。硅膠干燥劑通常是用硅酸鈉和硫酸反應，并經老化、酸浸等一系列處理過程而制得，過程復雜，生產成本高[5]；酸、堿性干燥劑一般吸水能力比較大，干燥速度也比較快，但大多不能再生使用；分子篩干燥劑，是一種人工合成且對水分子有較強吸附性的干燥劑產品，結晶型鋁硅酸鹽化合物，其晶體結構中有規整而均勻的孔道，孔徑為分子大小的數量級，但其制備過程比較復雜，使用效果也有所限制[6]。膨潤土干燥劑通常需要原料高度提純，很難實現大規模、連續化生產[7]。本次試驗研究提出了一種簡單的層狀非金屬礦物——膨潤土干燥劑制備方法，成本低廉，無需提純，可規模化生產，制備的干燥劑產品性能穩定，再生使用效果好。

2 機理研究

2.1 吸附機理

層狀非金屬礦物膨潤土是通過物理或化學方式將水分子吸附在自身的結構中或吸收水分子并改變其化學結構。膨潤土具有無數蜂窩狀的空隙，表面積大，交換容量大，吸附性能佳，能吸附相當于自身體積8～20倍的水。引起膨潤土吸附膨脹的動力是層間交換性陽離子和晶層表面的水化能。硅氧四面體晶格表面上裸露的氧原子可與水分子通過氫鍵鍵合，顆粒表面靜電場越大，吸附能力也越高[8]。

2.2 造粒機理

試驗采用高效混合制粒裝置進行顆粒整形。通過液體的表面張力，形成細小的顆粒，可根據具體情況造粒為0.5～3mm粒徑的球形顆粒。

3 試驗部分

3.1 試驗材料

本試驗采用湖北鈣基膨潤土原礦，該礦吸藍量為42.20g/100g，膨脹倍為6.0mL/g，符合干燥劑所需的高吸藍量、低膨脹倍的要求。

3.2 試驗方法

膨潤土干燥劑在加工過程中添加部分助劑，主要是提高干燥劑的吸濕性能，防止表面返潮、粘手等不良現象。

試驗方法：膨潤土原礦經晾曬除濕，破碎至5mm以下，送至攪拌機內加水混勻，電磁振動給料機調節添加劑的加入量。物料輸送至造粒機進行造粒整形，之后進入干燥設備中進行顆粒烘干。調節進料速度和烘干溫度，控制出料水分≤3%。烘干后的干燥劑顆粒經篩分至1.0～2.0mm，再經特殊無紡布包裝成客戶要求的規格即可。

3.3 吸濕率分析測試方法

3.3.1 吸濕率動態吸附裝置

動態吸附裝置如圖1所示。其中動態吸附管為玻璃制。

圖1 動態吸附裝置

3.3.2 測試條件

試驗環境的溫度(室溫)控制在25℃±2℃范圍內，利用除濕機控制室內濕度為40%，因膨潤土干燥劑特殊的測試環境，將整套裝置放置于專門封閉的操作室進行，避免外界對試驗環境的溫度、濕度造成影響。

3.3.3 測試步驟

(1) 稱取預先烘至恒重的試樣10g，放入動態吸附管6內。

(2) 蓋緊裝水玻璃瓶2的塞子，完全打開螺旋夾4，開動空氣壓力機，打開螺旋夾3。

(3) 利用螺旋夾4將空氣流量控制為2～2.5L/min，在25℃±2℃吸附5h。

(4) 完全打開螺旋夾4，關閉螺旋夾3取下動態吸附管，稱量，精確至0.002g。

(5) 重復進行上述操作并每隔1.5～2h稱量一次，直至增重不超過0.01g為止。

3.3.4 結果計算

吸濕率W1，數值以%表示，按下式計算：

式中：m3——試樣吸附平衡后質量(g)；

m ——試樣質量(g)。

4 試驗過程與討論

吸濕率是表征干燥劑質量指標的重要參數，吸濕率低，產品干燥性能差。因此，在本次試驗研究中，重點對干燥劑的吸濕率和回收率指標進行測試、表征。

選取試樣10g進行吸濕性能的測試，并對試樣測試后的回收率進行統計。其中，膨潤土干燥劑試樣因在生產實踐過程中，顆粒形態、強度對后期回收率有一定影響，測試過程也會因為干燥劑顆粒的散落對再次重復使用造成影響。因此，根據實際情況，在測試中考核了試樣回收率指標。膨潤土干燥劑回收率在本文中指的是測試樣品在反復稱量、測試后，再次可以重復使用的干燥劑顆粒的比率。

4.1 加水量對吸濕效果的影響

造粒中加水量的控制尤為重要，加水過多，吸濕效果相對較低，造粒效果也不明顯；加水過少，產量低，顆粒強度不高，所造顆粒不致密，易碎，給后期使用和重復回收利用帶來不便。

固定添加劑氯化鈣為1.0%，高分子添加劑為0.2%，造粒時間10min，產品粒徑為0.5～2.0mm，考察加水量對干燥劑吸濕效果的影響，測試溫度25℃，濕度40%，結果見表1。

表1 加水量對吸濕效果的影響

由表1可以看出，加水量在24%時，吸濕率、回收率都相對較高。因此選擇加水量為24%。

4.2 造粒時間對吸濕效果的影響

固定加水量24%，添加劑氯化鈣1.0%，高分子材料0.2%，產品粒徑為0.5～2.0mm，不同造粒時間對吸濕效果的影響見表2。

表2 造粒時間對吸濕效果的影響

由表2可以看出，隨造粒時間的增加，吸濕率增長趨勢不明顯，回收率差別也不大。所以造粒時間對吸濕率影響不大，綜合產量和經濟效益考慮，選擇造粒時間為5min。

4.3 添加劑對吸濕效果的影響

固定加水量24%，高分子材料0.2%，造粒時間5min，產品粒徑為0.5～2.0mm，不同添加劑對吸濕效果的影響見表3。

表3 添加劑無水氯化鈣或氯化鎂對吸濕效果的影響

由表3可以看出，當氯化鈣和氯化鎂添加量比例達到2∶1時，吸濕效果較好，吸濕率、回收率都相對較高。因此，選擇氯化鈣為1.0%，氯化鎂為0.5%。

4.4 高分子材料對吸濕效果的影響

固定加水量24%，氯化鈣為1.0%，氯化鎂為0.5%，造粒時間5min，產品粒徑為0.5～2.0mm，高分子材料對吸濕性的影響見表4。

高分子材料的添加對干燥劑顆粒的粘結起了一定的作用，不添加高分子材料，吸濕性不強，隨高分子添加劑的增加，吸濕速率先上升后下降，這是由于高分子材料雖對吸濕性有一定的作用，但過量添加會降低吸濕速率。通過表4測試結果可知，將高分子材料的添加量確定為0.2%。

表4 高分子材料對吸濕性的影響

4.5 造粒粒徑對吸濕效果的影響

固定加水量24%，氯化鈣為1.0%，氯化鎂為0.5%，造粒時間5min，高分子材料添加量0.2%。干燥劑半成品制作完成后，進行烘干處理，不同分級粒徑對產品指標的影響見表5。

表5 分級粒徑對干燥劑產品吸濕性的影響

由表5可知，不同分級粒徑對產品指標有一定的影響，隨著分級粒徑增大，各指標測試結果趨于變差，表現最為突出的是吸濕率。分級粒徑變大，試樣中大顆粒相對較多，吸濕率降低。因此，選擇分級粒徑為1.0～2.0mm。

5 結論

本膨潤土干燥劑無毒、無味、無腐蝕性，化學性能穩定，可再生重復使用、吸濕性好，成本低廉。本試驗研究采用的原料屬安山巖鈣基膨潤土，無需提純處理。本干燥劑屬于綠色環保型產品。與市面上其他干燥劑進行綜合比較結果見表6，本干燥劑具有制備成本低、使用效果佳等方面的優勢。

表6 幾種干燥劑性能對比