Оборудование для диспергирования пигментов

Планетарные смесители

Планетарные смесители применяют для получения нетекучих или труднотекучих паст. Валы мешалок смесителя, снабженные лопастями вращаются вместе с рамой вокруг ее вертикальной оси и относительно собственных осей за счет сцепления закрепленных на валах мешалок шестерен с неподвижной шестерней, прикрепленной к крышке аппарата. Тем самым они совершают планетарное движение. Лопасти мешалки расположены по спирали таким образом, чтобы лопасть, закрепленная на одном валу, проходила при его вращении между парой вращающихся навстречу лопастей, закрепленных на другом валу. Это способствует интенсивному перемешиванию перерабатываемой массы

Применяются для получения небольших партий средне и высоковязких замесов.

Достоинства:

- может применяться для замесов любой вязкости;

- небольшой расход растворителя на замывку аппарата.

Недостатки:

- низкая степень дисперсности получаемого замеса.

Шаровые мельницы

Для диспергирования пигментов в средневязких средах широко применяются шаровые мельницы. Поскольку в результате намола металла белые пасты в таких мельницах загрязняются, то для их диспергирования используют мельницы внутренние поверхности которых футерованы фарфором и др материалами, намол которых не вызывает изменения цвета пасты. Соответственно выбирается материал для изготовления шаров.

При вращении барабана шары под действием центробежной силы поднимаются вверх. Достигнув определенной точки, в которой вес шаров оказывается больше центробежной силы, они отрываются и падают, раздрабливая при ударе куски загруженного в мельницу материала. Вращение барабана вызывает также перекатывание мелющих тел относительно друг друга и тонкое истирание материала, попадающего между шарами.

В шаровых мельницах с уменьшением размера шаров до определенного предела возрастает возможность увеличения дисперсности.

 

Аттритор

Необходимость вовлечения максимального количества мелющих тел в эффективную работу измельчения привела к созданию вертикальных шаровых мельниц с лопастными мешалками, так называемых аттриторов. Аттритор представляет собой вертикальный цилиндр, заполненный металлическими шарами с размерами от двух до пятнадцати миллиметров. Внутри корпуса вращается вал с лопастями, имеющими круглое сечение и расположенными на валу по спирали. Контейнер аттритора снабжен рубашкой для регулирования температуры паст.

Недостаток: чрезвычайно сольный износ мелющих тел и контейнера, непригоды для диспергирования паст, содержащих абразивные пигменты и для получения эмалей светлых тонов.

Достоинство:

- в отличии от шаровых мельниц мелющие тела всегда совершают полезную работу, т.к. находятся в непрерывном движении и в постоянном контакте с продуктом.

Широкое применение аттриторы получили для диспергирования полиграфических красок.

Дисольвер. Для диспергирования низковязких пигментированных материалов используются различного типа быстроходные мешалки. Наибольшее распространение получили дисковые мешалки. Рабочий орган таких мешалок – импеллер – представляет собой диск с отогнутыми в противоположные стороны зубцами, которые сообщают среде движение, направленное под углом касательной диска, равным 30-50 градусов.

Зона наиболее высокой турбулентности и, соответственно, наиболее интенсивного диспергирования находится вблизи периферии диска, остальной объем материала подвергается хорошему перемешиванию. Дисольверы используются для предварительного смешения пигментов и пленкообразователей, осуществления предварительной дезагрегации перед подачей пигментной пасты в бисерные диспергаторы. Дисольверы могут служить и самостоятельными диспергирующими аппаратами в том случае если не требуется высокой степени дисперсности. Неля использовати дисольвер для обработки пигментных паст, склонных к тиксотропии, так как в этом случае возможно неполное вовлечение пасты в рабочую зону.

Диссольвер необходим для гомогенизации частиц пигмента в среде пленкообразующего вещества, его смачивания и предварительного диспергирования, а бисерная мельница – для окончательного измельчения агломератов пигмента (для сокращения среднего эквивалентного диаметра частиц и получения более узкого распределения их размеров).

Диссольверы могут служить и самостоятельными диспергирующими аппаратами (например, для изготовления пигментных паст для различных грунтовок, фасадных и водно-дисперсионных строительных эмалей, эмалей для разметки дорог и др.), если при получении конечного продукта не требуется высокой степени дисперсности. Размер частиц пигментной суспензии по окончании предварительного диспергирования, как правило, колеблется в пределах 60 – 90 мкм. Разумеется, эта величина зависит от многих факторов, в первую очередь – от диспергируемости пигмента.

Внешне диссольвер незначительно отличается от механического смесителя, оснащенного мешалкой – в случае диссольвера – эксцентрически упорядоченным зубчатым диском - фрезой (см. Рис. 1). Однако, двигатель диссольвера значительно мощнее, чем у смесителя.

Рис 1. Диссольвер. Фреза диссольвера.

 

Диссольвер реализует процесс диспергирования по гибридному механизму – путем одновременного перемешивания гетерогенной двухфазной среды и измельчения твердых частиц. Вращающаяся с большой скоростью фреза создает высокое срезывающее напряжение, вызывающее разрушение агломератов.

При использовании диссольвера для обработки пигментных паст, склонных к тиксотропии, необходимым условием является оснащение диссольвера дополнительной мешалкой (расположенной либо непосредственно на валу фрезы, либо на отдельном валу); в противном случае возможно неполное вовлечение пасты в рабочую зону.

Грамотно подобранный диссольвер должен обеспечить возможность получения продукта не только с низкой величиной среднего диаметра частиц, но также и с узким распределением их размеров.

Большое значение для эффективности процесса преддиспергирования имеет величина окружной скорости фрезы. Введение сыпучих компонентов в пленкообразователь целесообразно проводить на малых скоростях. При преддиспергировании скорость вращения фрезы должна быть такой, чтобы образовалась воронка, в основании которой было видно основание фрезы. На эффективность процесса при прочих равных условиях (окружная скорость фрезы, наполнение и вязкость пигментной суспензии) также значительное влияние оказывают как геометрия и конфигурация самой фрезы, так и геометрия всей измельчающей системы «фреза – дежа диссольвера». Геометрические пропорции системы диспергирования сопоставляются диаметру фрезы dфрезы следующим образом:

Диаметр дежи: Dдежи = (1,30 ÷ 3,00)dфрезы; Оптимальный диаметр дежи Dопт = (2,00 ÷ 2,50)dфрезы; Расстояние от фрезы до дна дежи h = (0,25 ÷ 0,50)dфрезы; Статистическая высота суспензии в деже hст = (0,50 ÷ 1,50)dфрезы.

Поворотный диссольвер.

Бисерные диспергаторы

Основным типом диспергирующего оборудования, применяемого для получения ПЛМ являются бисерные диспергаторы. Они состоят из контейнера, заполненного мелющими телами, который приводится в движение установленными на валу дисковыми мешалками различной конструкции. Мелющими телами служат шарики из стекла, стали, фарфора, оксида циркония и др материалов, в качестве мелющих тел используют также кварцевый песок с размерами частиц от 0,6 до 1 мм. Контейнеры бисерных машин снабжены рубашками для регулирования температуры.

В бисерных машинах изменением частоты вращения дисков (500- 2500 об/мин), их формы и расположения, размеров, плотности и степени заполнения бисером можно изменять гидродинамический режим Время диспергирования регулируют скоростью подачи пигментной пасты.

Применение одной мельницы без диссольвера невозможно, т.к. на бисерную мельницу подается уже смоченный и частично дезагрегированный пигмент. Бисерная мельница применяется с целью окончательного измельчения агломератов пигмента - как для сокращения среднего эквивалентного диаметра частиц, так и для получения более узкого распределения их размеров.

Т.к. в ходе диспергирования при разрушении агломератов частиц выделяется значительное количества тепла, рабочий орган бисерной мельницы, а зачастую – и емкость с измельчаемым продуктом, требуется принудительно охлаждать.

Выбор типа бисерной мельницы определяется параметрами, касающимися ее способности измельчать частицы пигмента – т.е. конструктивными особенностями аппарата, установленной мощностью, непосредственно влияющей на плотность диссипации энергии, а также параметрами производительности, характеризующими ее способность разделения продукта и мелющих тел, и возможностями системы охлаждения мельницы.

В настоящее время в лакокрасочных производствах наиболее часто встречаются следующие типы бисерных мельниц: вертикальные, горизонтальные, циклические, конусные и погружные.

Вибрационная машина

 

Машина, рабочему органу которой сообщается колебательное движение, необходимое для осуществления или интенсификации выполняемого процесса. бывают с частотой колебаний от сотых долей гц до 10 кгц и с амплитудой колебаний от 1 м до долей мкм.

Классифицируются: по типу привода — механические, электрические, гидравлические, пневматические и т.д.; по форме траекторий точек рабочего органа — с направленными прямолинейно, круговыми, эллиптическими, винтовыми и др. колебаниями; по наличию ударов — безударные и ударно-вибрационные; по соотношению частоты вынужденных колебаний и собственных частот — дорезонансные, зарезонансные, резонансные, околорезонансные и межрезонансные и. т. д.

Диспергатор Кейди-Милл

В диспергаторе Кейди-милл со щелевыми ротором и статором можно получать воднодисперсионные краски более дисперсные, чем в машине с дискозубчатой мешалкой.

Действие аппаратов «Кэйди- Милл» основано на том, что дисперсия вталкивается в центральное отверстие дисового ротора и через пазы, направленные под небольши углом к его радиусу, выбрасывается под действием центробежных сил. Выходящая из пазов ротора дисперсия ударяется с большой силой о кольцевой статор, при этом происходит разрушение пигментных агрегатов. Через радиальные щели статора дисперсия поступает в емкость, в которую погружена диспергирующая головка. Кроме того, вследствие малой ширины щелевых каналов в роторе и статоре, суспензия перемещается в них толчками в моменты их совмещения, что создает большую частоту пульсации суспензии в каналах.

Эффект диспергирования достигается за счет того, что кинетическая энергия жидкости преобразуется в ультрозвуковую.

Меняя величину зазора между ротором и статером можно менять дисперсность пигментной пасты.

Недостаток - элементы диспергирующей головки быстро изнашиваются даже при диспергировании слабоабразивных пигментов, при значительном объеме или повышенной вязкости перерабатываемой массы возможно образование застойных зон.

Ультразвуковые установки

Механизм действия ультразвуковых машин основан на том, что звуковая волна, распространяющаяся внутри частиц пигмента, вызывает их разрушение в результате деформации частиц и перепаду, давления на границе раздела частица-жидкость.

Достоинства по сравнению с шаровой мельницей:

1) высокая производительность оборудования (250 кг/ч, у шаровой мельницы 30 кг/ч)

2) требуется меньшая площадь для установки,

3) меньший расход электроэнергии.

Оборудование для диспергирования пигментов

Аппараты, используемые для диспергирования пигментов в среде пленкообразователей, можно разделить на две большие группы. К первой группе относятся машины с жестко закрепленными рабочими телами, скорость движения которых не зависит от вязкости обрабатываемой пигментной пасты (валковые и дисковые краскотерочные машины, двух-червячные экструдеры). Эффективность действия машин этой группы растет с повышением вязкости обрабатываемой пасты. В эту же группу входят и высокоскоростные дисковые машины, и аппараты с перемешивающими устройствами. Ко второй группе относятся аппараты, в которых рабочие ьтела свободно движутся в пигментной пасте, причес скорость их движения определяется вязкостью пасты (все виды шаровых мельниц, аттриторы, бисерныеи песочные мельницы, электромагнитные машины). Максимальная эффективность этих аппаратов достигается при определенной (оптимальной) вязкости.

Используемые для получения ПЛМ аппараты можно классифицировать в зависимости от вязкости перерабатываемой на них пигментной пасты. Это машины для паст высокой вязкостью (10-10⁴ Па*с), средней (0,5-10 Па*с) и низкой (менее 0,5 Па*с).

При выборе диспергирующего оборудования следует учитывать сдвиговые усилия необходимые для разрушения пигментных агрегатов. Для грубодисперсных и абразивных природных немикронизированных пигментов и наполнителей (железный сурик, оксид хрома, барит, кальцит и др.) используют шаровые и вибрационные мельницы, где наряду с диспергированием происходит измельчение (размол) частиц. Для высокодисперсных (0,01-0,1 мкм) синтетических труднодиспергируемых пигментов (железная лазурь, технический углерод, некоторые органические пигменты) используют валковые краскотерочные машины или вибрационные шаровые мельницы, в которых создаются более высокие удельные напряжения сдвига. Ультразвуковые диспергаторы эффективны только для легкодиспергируемых пигментов в низковязких средах.

Диспергирование высоковязких паст происходит главным образом за счет возникновения чрезвычайно высоких напряжений сдвига в слое обрабатываемого материала. Высоковязкие системы характеризуется ограниченной подвижностью и требует для обработки большой затраты энергии. Тем не менее, способ диспергирования пигментов в чрезвычайно вязких средах нашел применение для получения суховальцованных паст твердых при обычной температуре и размягчающихся при нагревании дисперсии пигментов в термопластичных полимерах с добавкой пластификаторов. Суховальцованные пасты (чипсы) в течении многих лет успешно применяются для получения эмалей различных цветов на основе поливинилхлорида, поливинилбутираля, коллоксилина и др. термопластичных пленкообразователей. Получение эмалей с получением суховальцованных паст сводится к их интенсивному перемешиванию в высокоскоростных смесителях в среде соответствующего растворителя. Для производства суховальцованых паст используются фрикционные вальцы и Z-образные смесители.

 

Таблица - Вязкость паст и применяемое оборудование для смешения и диспергирования пигментов в пленкообразующих системах

При обработке на фрикционных вальцах паста постепенно втягивается в зазор между валками, испытывая при этом значительные давления. В зазоре развиваются большие сдвиговые напряжения в результате разности окружных скоростей валков. Зазор между валками можно изменять перемещением одного из них. Давление, развиваемое валками, колеблется от 40 до 120 МПа. При установившемся непрерывном режиме производительность G (в кг/ч) может быть выражено уравнением:

 

G=3600π D n b i ρ

 

D – диаметр валка, с которого производится съем продукта, м;

n – частота вращения валка, с-1;

b – длина линии съема, м;

i – зазор между валками, м

ρ – плотность пасты, кг/м3.

 

Эти машины оборудуются приспособлениями для нагревания и охлаждения валков.

Машины с Z-образными мешалками и червячные машины находят применение для предварительного смешения компонентов пигментной пасты и для ее диспергирования, а также для получения густотертых красок и для отбивки воды из водных пигментных паст. Корпус таких машин оснащается рубашкой, позволяющей нагревать или охлаждать обрабатываемую пасту. Предусматривается также охлаждение валов подачей воды через цапфу. Производительность G (кг/ч) одночервячной машины при постоянном угле наклона винтовой линии можно приближенно определить из уравнения:

 

G=60π к D² h ρ n sinφ cosφ

 

к – коэффициент заполнения цилиндра пастой

D – диаметр червячного вала, м;

h – глубина нарезки червяка, м

n – частота вращения вала, с-1;

ρ – плотность пасты, кг/м3.

φ – угол наклона угловой линии червяка.

 

Все эти машины непригодны для диспергирования высокоабразивных пигментов из-за сильного износа рабочих органов и корпуса.

Для диспергирования пигментных паст со средней вязкостью применяются валковые краскотерочные машины (последние годы весьма ограниченно), шаровые мельницы различных конструкций, бисерные диспергаторы, аттриторы, электромагнитные аппараты со свободно движущимися рабочими телами.

Валковые краскотерочные машины используются для изготовления шпатлевок, некоторых масляных красок. Производительность валковых краскотерочных машин зависит от окружных скоростей вращения валков, зазора между ними и длины линии контакта. Обычно паста снимается с помощью ножа, прижатого к валку, обладающему наибольшей линейной скоростью. Для достижения лучших технико-экономических показателей работы валковой машины рекомендуется обрабатывать пасты с высоким содержанием пигмента. Если в рецептуре предусмотрена возможность применения нескольких связующих, то следует выбирать связующие, являющиеся хорошим диспергатором, с низкой вязкостью и увеличивать содержание пигмента для повышения вязкости. Обрабатывать низковязкие пасты на валковых машинах нецелесообразно также из-за опасности их разбрызгивания и образования натеков на торцах валков. Чаще применяются машины с тремя валками.

Благодаря неодинаковым скоростям вращения вальцов происходит не только раздавливание зерен пигмента, но и перегрев вследствие трения между частицами пигмента и связующего, с образованием однородной густой красочной пасты. Зазор между валками регулируется с точностью до микрона. За счет того, что частицы большего размера не могут свободно пройти через такой зазор, возникает еще и эффект очистки.

Замес краски загружается между задним и средним валами; средний вал, имея вдвое большую скорость вращения, снимает краску с заднего вала, далее краска с среднего вала поступает на передний и падает на нож. Нож оканчивается фартуком; накопившаяся в фартуке недостаточно перетертая краска перебрасывается шпателем обратно на второй перетир в загрузочную часть машины, а готовая паста собирается в ящики или дежи.

Одно- и двухвалковые машины предназначены в основном для фильтрования паст. В одновалковых машинах паста подается через загрузочную воронку на валок и при прохождении между ними и перетирочным брусом подвергается фильтрованию и незначительному диспергированию. Валок машины помимо вращательного имеет также и возвратнопоступательное движение, что способствует растиранию агрегатов, попадающих в зазор между валком и перетирочным брусом. Двухвалковые фильтрующие машины отличаются тем, что они снабжены дополнительным валком небольшого диаметра, который находится в загрузочном бункере он имеет только вращательное движение и прижат к основному рабочему валку. Существенным недостатком валковых машин является невозможность их герметизации, что при большой поверхности испарения делает их непригодными для диспергирования паст, содержащих летучие растворители.

Достоинства:

- простота устройства и обслуживания;

- легкость зачистки при смене пасты;

- возможность диспергирования труднодиспергируемых пигментов;

- относительно невысокий намол материала валков, то есть можно готовить пасты белого цвета и ярких цветов.

Недостатки:

- открытая поверхность валков, что создает плохие санитарно-гигиенические условия труда;

- относительная сложность наладки, так как зазор между валками должен быть равномерен по всей длине и составлять 10 – 40 нм.;

- низкая производительность;

- высокие затраты ручного труда;

Планетарные смесители

Планетарные смесители применяют для получения нетекучих или труднотекучих паст. Валы мешалок смесителя, снабженные лопастями вращаются вместе с рамой вокруг ее вертикальной оси и относительно собственных осей за счет сцепления закрепленных на валах мешалок шестерен с неподвижной шестерней, прикрепленной к крышке аппарата. Тем самым они совершают планетарное движение. Лопасти мешалки расположены по спирали таким образом, чтобы лопасть, закрепленная на одном валу, проходила при его вращении между парой вращающихся навстречу лопастей, закрепленных на другом валу. Это способствует интенсивному перемешиванию перерабатываемой массы

Применяются для получения небольших партий средне и высоковязких замесов.

Достоинства:

- может применяться для замесов любой вязкости;

- небольшой расход растворителя на замывку аппарата.

Недостатки:

- низкая степень дисперсности получаемого замеса.

Шаровые мельницы

Для диспергирования пигментов в средневязких средах широко применяются шаровые мельницы. Поскольку в результате намола металла белые пасты в таких мельницах загрязняются, то для их диспергирования используют мельницы внутренние поверхности которых футерованы фарфором и др материалами, намол которых не вызывает изменения цвета пасты. Соответственно выбирается материал для изготовления шаров.

При вращении барабана шары под действием центробежной силы поднимаются вверх. Достигнув определенной точки, в которой вес шаров оказывается больше центробежной силы, они отрываются и падают, раздрабливая при ударе куски загруженного в мельницу материала. Вращение барабана вызывает также перекатывание мелющих тел относительно друг друга и тонкое истирание материала, попадающего между шарами.

В шаровых мельницах с уменьшением размера шаров до определенного предела возрастает возможность увеличения дисперсности.

 

Аттритор

Необходимость вовлечения максимального количества мелющих тел в эффективную работу измельчения привела к созданию вертикальных шаровых мельниц с лопастными мешалками, так называемых аттриторов. Аттритор представляет собой вертикальный цилиндр, заполненный металлическими шарами с размерами от двух до пятнадцати миллиметров. Внутри корпуса вращается вал с лопастями, имеющими круглое сечение и расположенными на валу по спирали. Контейнер аттритора снабжен рубашкой для регулирования температуры паст.

Недостаток: чрезвычайно сольный износ мелющих тел и контейнера, непригоды для диспергирования паст, содержащих абразивные пигменты и для получения эмалей светлых тонов.

Достоинство:

- в отличии от шаровых мельниц мелющие тела всегда совершают полезную работу, т.к. находятся в непрерывном движении и в постоянном контакте с продуктом.

Широкое применение аттриторы получили для диспергирования полиграфических красок.

Дисольвер. Для диспергирования низковязких пигментированных материалов используются различного типа быстроходные мешалки. Наибольшее распространение получили дисковые мешалки. Рабочий орган таких мешалок – импеллер – представляет собой диск с отогнутыми в противоположные стороны зубцами, которые сообщают среде движение, направленное под углом касательной диска, равным 30-50 градусов.

Зона наиболее высокой турбулентности и, соответственно, наиболее интенсивного диспергирования находится вблизи периферии диска, остальной объем материала подвергается хорошему перемешиванию. Дисольверы используются для предварительного смешения пигментов и пленкообразователей, осуществления предварительной дезагрегации перед подачей пигментной пасты в бисерные диспергаторы. Дисольверы могут служить и самостоятельными диспергирующими аппаратами в том случае если не требуется высокой степени дисперсности. Неля использовати дисольвер для обработки пигментных паст, склонных к тиксотропии, так как в этом случае возможно неполное вовлечение пасты в рабочую зону.

Диссольвер необходим для гомогенизации частиц пигмента в среде пленкообразующего вещества, его смачивания и предварительного диспергирования, а бисерная мельница – для окончательного измельчения агломератов пигмента (для сокращения среднего эквивалентного диаметра частиц и получения более узкого распределения их размеров).

Диссольверы могут служить и самостоятельными диспергирующими аппаратами (например, для изготовления пигментных паст для различных грунтовок, фасадных и водно-дисперсионных строительных эмалей, эмалей для разметки дорог и др.), если при получении конечного продукта не требуется высокой степени дисперсности. Размер частиц пигментной суспензии по окончании предварительного диспергирования, как правило, колеблется в пределах 60 – 90 мкм. Разумеется, эта величина зависит от многих факторов, в первую очередь – от диспергируемости пигмента.

Внешне диссольвер незначительно отличается от механического смесителя, оснащенного мешалкой – в случае диссольвера – эксцентрически упорядоченным зубчатым диском - фрезой (см. Рис. 1). Однако, двигатель диссольвера значительно мощнее, чем у смесителя.

Рис 1. Диссольвер. Фреза диссольвера.

 

Диссольвер реализует процесс диспергирования по гибридному механизму – путем одновременного перемешивания гетерогенной двухфазной среды и измельчения твердых частиц. Вращающаяся с большой скоростью фреза создает высокое срезывающее напряжение, вызывающее разрушение агломератов.

При использовании диссольвера для обработки пигментных паст, склонных к тиксотропии, необходимым условием является оснащение диссольвера дополнительной мешалкой (расположенной либо непосредственно на валу фрезы, либо на отдельном валу); в противном случае возможно неполное вовлечение пасты в рабочую зону.

Грамотно подобранный диссольвер должен обеспечить возможность получения продукта не только с низкой величиной среднего диаметра частиц, но также и с узким распределением их размеров.

Большое значение для эффективности процесса преддиспергирования имеет величина окружной скорости фрезы. Введение сыпучих компонентов в пленкообразователь целесообразно проводить на малых скоростях. При преддиспергировании скорость вращения фрезы должна быть такой, чтобы образовалась воронка, в основании которой было видно основание фрезы. На эффективность процесса при прочих равных условиях (окружная скорость фрезы, наполнение и вязкость пигментной суспензии) также значительное влияние оказывают как геометрия и конфигурация самой фрезы, так и геометрия всей измельчающей системы «фреза – дежа диссольвера». Геометрические пропорции системы диспергирования сопоставляются диаметру фрезы dфрезы следующим образом: