高分子微球的应用与热射流球化技术解析

  高分子材料球化即高分子微球，是指直径在纳米级至微米级，形状为球形或其他几何体的高分子材料或高分子复合材料。高分子微球的起源非常悠久，最早的天然高分子微球来自天然橡胶树的树液，被称为乳胶(Latex)。

图1天然乳胶（可放侧边）（图片来源网络）

  合成的高分子微球最早被应用于橡胶制品或橡胶制品的添加剂中。以后随着微球制备技术的发展，高分子微球又开始被应用于涂料、胶粘剂、吸附剂等领域。如用于涂料印花领域的彩色共聚物微球[1]、用于提高原油采收率的杂化聚合物微球[2]等等。同时，高分子微球作为吸附剂，克服了传统吸附剂吸附能力低的缺点，具有可回收、无毒、经济、环保等特点。因此，高效、经济、环保的聚合物微球有潜力用于各种环境污染物的修复。如图2所示，Tian等人[3]通过通过接枝共聚合成的聚丙烯酸功能化羧甲基壳聚糖微球(PAA-CMC)改性微球对水中重金属镍的吸附性能得到显著提高。

图2 PAA-CMC吸附机理示意图[3]（图片来源网络）

  在生活中，鞋类作为出行必备品，也涉及高分子微球的应用。早期的运动跑鞋中底，大多采用机械结构。但是，由于材料密度大导致重量较高，且缓震性能上限有限，机械结构越来越不能满足跑鞋“轻质化”的要求，“发泡材料”应运而生。比如EVA树脂等代表性鞋底常用材料，通过发泡技术减重的同时，获得更好的缓震性和回弹性，已成为斯凯奇等运动品牌部分运动鞋的标配(图3)。在发泡技术方面，除了化学发泡与物理发泡技术外，微球发泡技术则是利用添加在浆料中的发泡粉，在受热过程中膨胀而起到发泡的效果。这种发泡粉是一种微小的球形空心热塑性聚合物粒子，它的直径一般在8～60μm，当加热时，小球的外壳变软，体积发生极大的变化。一个完全膨胀的微球，它的体积增大一般为其原来的40～60倍，但其外壳结构并不会受到破坏，并且还具有很好的弹性。
  除此之外，现有商用可充电锂离子电池性能主要受制于负极材料首次库仑效率低、容量接近石墨理论上限(372mAh/g)等问题，因此，探索现有负极材料的改性工艺与开发新型负极材料具有重要意义。由于煤沥青具有产量大、价格低、含碳量和得炭率高等优点，已被广泛应用在锂电池负极材料的黏结与改性等方面[4]。对于现广泛应用的石墨负极材料以及尚在探索阶段的硅基负极材料，当前工业上常用的改性工艺为表面包覆，如图4所示，该工艺通过固相、液相或气相炭化方式在负极材料的表面形成无定形碳,从而形成“核壳结构”。而在石墨负极的商业化生产过程中,将石墨与沥青颗粒通过混合、加热、气氛保护、搅拌等工序,以实现包覆功能的固相包覆法最为常用。
  天际智慧具有成熟的生产线与一流的技术和服务，比如热射流球化技术，该技术涉及如图3所示设备的一种粉体球化/致密化设备。其主要结构包括送粉枪、热射流球化发生器、球化塔、收集装置和集中控制系统等。天际热射流球化技术除了可以制备上文所述的空心微球、石墨、沥青等高分子球化锂电负极材料之外，还可以制备低熔点金属及合金材料、低熔点复合材料等材料。并且该设备通过冷气管内冷气流量的控制实现了对粉末在球化塔内熔融位置的调节，降低了粉末熔融时形成大颗粒球形粉末，同时结合旋风热气以及打散杆进一步的提高了粉末与热气混合均匀度、分散效果和受热均匀，制备出的球形粉末颗粒粒径均匀，产品质量稳定。
  参考文献：
  [1]赵高杰,et al.,彩色共聚物微球的制备及其在涂料印花中的应用.化工新型材料,2018.46(10):p.271-274.
  [2]Toyofuji,A.,et al.,Preparation of Hybrid Microspheres with Homogeneously Dispersed Nanosilica Using In-situ Sol-Gel Reaction inside a Polystyrene Matrix:Letter.Chemistry Letters,2022.51(6):p.639-642.
  [3]Tian,T.,et al.,Facile fabrication of polyacrylic acid functionalized carboxymethyl chitosan microspheres for selective and efficient removal of Ni(II)from multicomponent wastewater.Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2020.597(prepublish):p.124676-124676.
  [4]WANG Kai,GAO Chao,XING Huan,et al.Preparation of Ultrapure Coal Pitch-Based Activated Carbon and Its Electrochemical Properties[J].New Chem Mater,2019,47(4):140-144(in Chinese).