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涂料和油墨行业用高速搅拌机

作者:Christine Banaszek,应用工程师 | Charles & Son公司,美国纽约霍伯格   |  发表于:2016-02-24   |  关键词:油墨,   | 摘自: 2015年美国PCI中文版电子杂志6月刊

本文概述了涂料和油墨生产过程中使用的不同类型的高速搅拌机。这些搅拌机能完成一系列有时会重叠的处理任务。本文中讨论的建议着眼于选择适当的搅拌机。

过去几十年的法规要求促使涂料工业的焦点从传统的低固体份溶剂型配方转向到水性体系、高固体份涂料、能量固化型油墨和其它低挥发性有机化合物含量(VOC)的技术。这种对环境负责的重要转变正好与客户不断变化的需要及令人兴奋的新功能开发方向相一致。现在随着对专业化和高附加值涂料的需求越来越大,生产商正在密切关注他们的处理工艺,特别是混合搅拌和研磨步骤。“我们可以做的更好吗?”这是个更加恳切的要求,因为涂料生产商在进行成本管理的同时正在努力改善性能和符合法规要求。

赋有热致变色、荧光、颜色变化、防锈或其它新的性能,现代涂料和油墨可能含有具有独特组合的新型原材料,但是从根本上来讲它们仍然是需要依赖于良好混合搅拌的配方。对某一产品采用不同程度的搅拌混合和分散会影响它的颜色、光泽、导电性、稳定性、附着力、固化速率、耐候性和其它性能特征。因此需要有良好的商业意识来优化搅拌工艺。即使是传统的产品和完善的工艺也能从对搅拌操作的重新战略评估中收益受益。

在涂料和油墨的生产过程中使用各种不同的分散工具。这些技术中的有一些对于古老的工艺问题来说是相对较新的解决方案。搅拌机的选择要基于许多因素,其中包括黏度曲线、剪切要求、添加顺序和生产量。

高速分散机

高速分散机,以前称为高速溶解器,是涂料行业使用的标准重负荷机器。它是一种既经济又相对简单的混合设备部件,主要作用是将粉末加入到液体中,使松散的附聚物分离开来以得到一种可接受水平的分散体,然后再进行研磨(图1)。

图1

叶片尖端的运行速度高达约5000英尺/分钟,高速分散机敞开的圆盘刀片能在低黏度的物料中形成剧烈的湍流。它也会产生一种独特的旋涡,这样干的物料加入后可以快速润湿。分散叶片可以位于中心或偏离中心,这取决于涡流的深度(偏心叶片产生一种较小的涡流,能减少空气的滞留)。随着物料增稠或体积增加,调节叶片转速以保持物料翻转的旋涡和速率。通常在高速分散机的选型和操作过程中遵守的一些基本准则是:

•正常工作黏度范围:像水一样至约50000厘泊(CP);

•电机规格:每10加仑产品为1 马力(HP);

•分散叶片直径:约为容器直径的1/3;

•分散叶片位置:离容器底部0.5个叶片直径——液体表面以下1.5个叶片直径;

•混合容器的全容积:比批次的量至少大30%,以提供足够的上升高度满足搅拌过程中液面的上升。

虽然许多厂商仍然依赖于高速分散机进行预混合操作,但是许多厂商已经开始将更有效的搅拌器进行组合,其功能不再是简单的将粉末润湿。其根据是:如果预混合器能够将附聚物分散得尽可能接近到所需要的规格——换句话说,模仿研磨的早期阶段——它可以降低研磨机的研磨次数,甚至允许使用更小的研磨介质来研磨更细的固体。这为大幅提高效率和缩短周期时间提供了机会。这些搅拌机的一些替代品包括新一代高剪切搅拌机和超高剪切搅拌机。

高剪切搅拌机

高剪切搅拌机是用于更具挑战性的固液分散体和乳液的转子/定子搅拌机,这些高速分散机不能进行充分处理。这种类型混合装置的典型特征是四叶片的转子在静止的定子内高速转动。当叶片旋转时,物料被连续地抽入搅拌头,并通过所述定子(图2)的开口部位将气体高速排出。由此产生的液压剪切能促进快速均化、解聚和乳化。典型的转子尖端速度是3000~4000英尺/分钟。

图2

由于受到定子的限制,该搅拌机提供了较高的剪切速度,但比开放式圆盘型锯齿型叶片分散机的泵送容量少。出于同样的原因,其黏度限值也较低——约10000~20000厘泊。

另一个区别在于,转子/定子搅拌机既有可用于批量生产的结构,也有可用于在线(连续)生产的结构。在线高剪切搅拌机的表现类似于离心泵。它不能自动启动自吸,需要静压(重力送料)或正压力(泵送料)来将物料加入到搅拌釜内。在大多数情况下,当搅拌器通常位于低于再循环罐液位的地面上或者平台上时,可通过重力作用将产品输送到转子/定子组件。标准在线型搅拌机很容易移动流动产品,甚至黏度高达约10000厘泊,这取决于配方的剪切变稀特性。使用辅助泵,中等黏度的涂料、预混合物和中间体都可以在高剪切搅拌机中处理。对于大型搅拌釜(> 500加仑),与批量转子/定子搅拌机或其它需要高功率电机驱动以及相对较大的叶片来产生足够的循环而从顶部进入的高速搅拌机相比较,在线结构往往更实用。另一方面,在线高剪切搅拌机能使产品通过2500加仑的搅拌釜循环,就像在25加仑的搅拌槽中一样容易。事实上,采用合适的管道,一个在线搅拌机能同时服务于多个不同规格的批量罐。典型的安装方法是使用简单的阀门直接流向下游的成品区或瞬间从一个原料源切换到另一个。

当需要很快将大批量的粉末加入到液体中时,或当难以分散的固体需要很长时间才能完全加入时,就需要考虑带有可在液面下加入粉末的内置装置的高剪切搅拌机。基于喷射器的粉末注入系统,尽管能有效地去除漂浮的固体,在搅拌混合过程中能提供更精准的控制,但确实经常受到堵塞和密集的设备维护问题的影响。此外,这些系统需要有经验的操作者来处理经常遇到的困难任务,即串联的三个独立装置的性能平衡:喷射器、泵和搅拌器。具有粉末注入整体构造的高剪切搅拌机更可靠和更容易操作。

采用SLIM技术的高剪切搅拌机

配有固体/液体注入歧管(SLIM)技术的罗斯高剪切搅拌机能提供一种在液面下注入粉末的方法,与基于喷射器的系统相比,它是一种更加用户友好型、更容易维护的混合器。SLIM结构的关键优点是它不需要离心泵或喷射器来创造粉末注入的抽吸操作。

SLIM具有独特的转子/定子,它们能产生强大的真空度来抽吸粉末和直接将粉末喷射到搅拌机的高剪切区。由于固体和液体恰恰是在强烈混合区结合,虽然还不能完全消除结块和“鱼眼”,但也能大大减少。在SLIM工艺流程中,粉末可以降低“粉尘”的方式输送到批量罐中(将气体颗粒释放到混合区),这样清理更简单、转变更快。通过使用一根软管和杆状附件就可完成——柔性软管连接到固体入口端口,而在另一端是不锈钢棒浸入散装袋或容器中,以方便地吸入轻质粉末,不会造成多尘环境。问题较少的固体可加入料斗中,通过重力作用快速吸入。

SLIM技术在批量或在线结构中都使用(图3和4),这使得它易于为大多数现有工艺进行翻新。它通常处理的固体负载量高达70%,这取决于该用途,同时能在宽的黏度范围内操作:粉末注入期间,从水状样至黏度高达10000厘泊。

多轴搅拌机

配备有两个或者多个独立驱动的搅拌器串联工作的多轴混合机是强有力的系统,既能进行超高剪切搅拌,也能在很宽的黏度范围内提供层流:黏度范围从水状样至数十万厘泊。

图5

最简单的结构是双轴搅拌机,其特点是有一个低速锚和高速锯齿状分散叶片(图5)。在锚式搅拌器的翼通常包括可调式刮壁刀来擦拭容器底部和侧壁。除了能提高产量外,还能进行更严格的温度控制。

另一种典型的构造是三轴搅拌机,它包括另一个转子/定子组件。该结构很受欢迎配方设计师欢迎,其中最终颗粒大小分布是至关重要的。如前面所讨论的,使用锯齿状叶片将粉末加入液体中能得到可接受水平的分散体,但是采用更强剪切的机械如定子/转子搅拌器,通常会得到更细、更均匀的粒径分布。

SLIM技术是工作容量为4加仑或更大的罗斯三轴搅拌机的一个选项。在粉末注入期间,液体基料必须低于10000厘泊,但在所有固体加入后,产物的黏度可能会持续上升。混合周期的后期可能只能依靠锚式搅拌器,如果产品是通过转子/定子组件进行流动,分散机会受限制。

多轴搅拌机与单轴装置相比,除了在黏度和热传导方面有改进外,另一个设计优点是它们是封闭的系统,能提供真空混合的优点。在真空条件下处理,消除了在大气条件下搅拌时产生的不需要的空气空隙,但同样重要的是有助于将某些配方研发成更高密度、具有更好的性能,这些性能是改进的剪切作用和不同部件接触的结果。

行星式搅拌机

特种涂料和油墨有非常高的黏度峰值(超过100万厘泊),最好用行星式分散机和双行星式搅拌机处理更好。这些机器具有两个或多个叶片,它们能绕着各自的轴旋转,同时也会绕着混合容器旋转。换句话来说,所有的搅拌器不断前进到批处理料中,会一直与新的产品接触。

对于非常具有挑战性的配方,可以使用双行星式分散搅拌机。该分散机由两个分散轴(每个轴都具有两个锯齿状叶片)和两个行星式搅拌器组成。

图6

另一方面,传统的双行星式搅拌机(DPM)对于半固体状物料或者高黏度浆状物的熔融和揉捏来说是理想的搅拌机(图6)。虽然不被认为是高速搅拌机,DPM配备有两个相同的搅拌器,当批料量达到相当高的黏度时,能提高剪切水平。在这个非常强健的机器中,一个通用的处理技术是高黏度混合以确保获得令人满意的固体分散体(从200万厘泊到高达约600万厘泊),接下来是调漆步骤,直到循环结束。

结论

对于涂料和油墨厂家来说,有多种高速搅拌机可供选择。在为您的工艺选择合适的搅拌机时,了解它们之间的差异是非常重要的一步。

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