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精细混合,更快加工

作者:   |  发表于:2013-04-01   |  关键词:

通过选择有效的预混合机且在研磨阶段之前追踪粒径能实现颜料加工最优化


为了与现代消费品和奢侈品的大量生产保持同步,涂料工业已加速技术更新并为支持防腐、耐候和紧扣环保法规的各种应用交付了不同种类的涂料。获得更好产品的一个途径是严密控制粒径和粒径分布,因为这两个参数影响很多重要的涂料性能。

颜料、填料等制造商都用“平均粒径”描述粉末。实际上,粉末常以聚集体的形式供应,因此,当初始粒子的平均粒径是8-10微米时,平均的聚集体粒径可以是200-600微米。当粉末加到流体中时,可能发生进一步的聚集。因此,混合和研磨操作降低了聚集体而不是初始粒子的尺寸。本文中,术语"粒径"在上文的语境内使用。

实色涂料的粒径通过影响诸如不透明度、光泽、色相和着色力等参数而直接影响光学效果。通常较小的粒子产生更合意的产品,且与窄粒径分布结合赋予涂料光滑高光的涂层。粒径也影响堆积性能包括触变性和稳定性。例如,在固体含量恒定的情况下,降低粒径不仅提升展色性,而且增加粘度并也改进最终产品的稳定性。这可导致颜料用量降低。

以涂层和操作而论,客户需求正驱动着制造商向更细的粒径和更窄的分布方向发展(产品),因而增加了严密控制和有效加工的需要。这篇文章讨论了查尔斯罗斯父子公司的研究人员如何用激光衍射粒度分析仪(型号Mastersizer, 马尔文仪器公司)优化商业油墨悬浮液的生产。结果表明:公司的新混合机极大改善了预混合/润湿效率,产生了能更迅速研磨到最终产品的更精细预混合。

颜料分散

尽管颜料基油墨和涂料的化学和配方已有巨大进步,业界生产始终保持两步工序加工。首先,颜料润湿,在适宜的流动相内产生一分散体。然后研磨预混合样品,通过聚集体的破裂和摩擦减小粒径。

预混颜料分散体的形成一般是使用安装在开放容器中的螺旋桨和涡轮混合机完成的。这些混合机的能力局限于研磨前简单地润湿粉末。高速分散机的引入是受欢迎的改进。叶片端速5,000英尺/分钟(25/秒)或更高,高速分散机在容器内引起了更有力的流动并较螺旋桨和涡轮给予(物料)更大的剪切力。这导致了润湿时间的大大降低。但是,由于人们认为研磨是磨料过程中最重要的步骤,起初并没认识到润湿期间粒径控制的重要性。因而控制润湿阶段以确保颜料悬浮体转换成适合下个工序研磨的形式,不考虑最终应用的需求。

那些如今意识到润湿步骤在研磨过程中扮演关键角色的人,采取措施用更有效的设备替代他们的螺旋桨、涡轮混合机或高速分散机。在这种情况下,效率是混合机能在多大程度上将颜料聚集体分散到尽可能接近需要的规格的量度。这个原理探求减少通过研磨机的次数,且在某些情况下,完全省略研磨工序。研磨前的粒径测量因而变成了保证预混合效率的必要手段。

激光衍射粒径分析

激光衍射是已为大家接受的粒子分析技术,跨制造业范围广泛应用。粒子样本,或湿或干,散射通过它们的激光,产生与它们的尺寸有关的衍射图。较小的粒子在广角微弱地散射光,而较大的粒子在较窄的角度产生较强的信号。激光衍射系统检测生成的衍射图,凭借电磁波行为的详细数学描述,通常根据米氏光散射理论,将衍射图转换成粒径分布。

最好的激光衍射系统是高度自动化的,消除了与传统粒径分析技术(如海格曼细度计)相联系的操作者的变化性。

细度计在业内广泛使用,但其仅提供样板中最大粒子的量度。相反,激光衍射分析仪测量全部的粒径分布,宽动态范围(从0.022,000微米)使它们适合于过程的每一阶段,从润湿到最终研磨完的产品。测量需时少于一分钟,因此易于迅速检测分散状态,或当它持续工作时追踪粒径降低的过程。这些能力使得激光衍射成为产品研发、放大、过程优化和质量控制的杰出工具。

在预混合过程中最大化过程效率

寻找颜料润湿期间的更有效混合设备,已经引导很多用户考虑使用转子/定子高剪切混合装置。这些混合机包括一安装在接近定子的净空的高速转子(叶片端速在3,0004,000英尺/分钟或1520/秒间)。这一结构通过不断地牵引产品组份升到转子开放的端部,并驱逐它们迅速地通过定子的开口创造了极强的机械和液压剪切。

这些设备跨台和阻碍许多人依靠这种设备作预混合的主因是,流动不足。传统的转子/定子(组)生成分散颜料必须的强剪切,但在容器内引起产品流动不良,导致高剪切区域局部热量集中,并且需要加外套的容器。涡流一般在混合头下发生,且由于粘度增加,通常没有强到足以拉动固体从液体表面向下到高剪切区域。

查尔斯罗斯父子公司,一个特殊的混合设备制造商,认识到转子/定子混合机的这种局限性,用“三角”转子/定子技术开发了PreMax(美国专利号6,000,840)。一般靠近转子/定子震荡器一端的导流板做成可移动、可调节的,因此把固体从表面拉到混合处的速率现在是可控的。转子也额定在比普通高剪切混合装置更高的叶片端速(5,000英尺/分钟或25/秒)运行,引起机械、液力和空化剪切水平提高。“三角”形状产生了双重涡流和比传统转子设计大的多的流动,将流动相表面的粉末正好拉到高剪切区域。通过消除原材料流到混合机顶部的可能性并提供粉尘最少化的粉末吸入方法,这种设计提升了混合性能。

PreMax改善转子/定子概念的价值已在实验室定量试验中,并且非常重要的是在实际生产线上显示出来。用 PreMax预混合通常产生可媲美于经过媒介研磨一到二次的效果。减少了达到最终产品粒径需要经过研磨机的次数,减少了加工时间和生产成本。

用激光衍射试验 PreMax 系统

使用PreMax 系统增大在润湿期间产生的剪切力的好处从图1 可见。一独立咨询师评估了三款预混合设备:高速分散机、传统的转子/定子混合机和PreMax,以确定加工过程中油墨产品的粒径是怎样变化的和是否润湿阶段的最优化可导致过程的改善。

激光衍射粒径分析表明商业油墨的平均粒径(D4,3])是2微米。用高速分散机预混合,在流动相内颜料分散体的平均粒径只是14.2微米。这种预混合包含了很大量的聚集物料,因此生成最终产品需要通过研磨机的次数是很多的。在润湿过程中使用标准转子/定子高剪切混合装置的确改善了预混合中的分散状态,产生8.2微米的平均粒径。于此相对,PreMax产生3.3微米的平均粒径和商业分散可接受范围内的粒径分布。这表明,使用PreMax,这类油墨产品的制造商有了一个只通过一次媒介研磨机或完全删除研磨的选择,既增加了产品总处理量又降低了加工成本。

在其它应用中的试验给出了使用PreMax在速度和分散程度上实现改善的数值。润湿过程中粒径检测表明有色物料如酞青蓝或赭石棕的分散体,使用PreMax系统,Dv90(90%的粒子粒径在其下的粒径)能降低到40微米,与其相比,当使用传统的高速分散机时,Dv90 却大于200-300微米。

结论

细粒径实色涂料的制造,赋予了产品卓越的性能,包括更好的遮盖力和光泽,但却对加工过程有要求。在初始润湿阶段发生的粒径降低最大化减少或消除了随后的研磨过程,因此就整个过程优化而言是有益的。激光衍射对研究颜料分散过程是有价值的分析技术,因为它具备制造过程中每一阶段全部特征粒径所需要的动态范围和检测速度,并且当它持续工作时可追踪粒径降低过程。这里呈现的结果说明了它在评估新开发的混合设备方面的应用。该新混合设备通过改善润湿过程,产生更快研磨到最终产品的更精细预混合,提高了生产率。




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