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研磨触变材料

作者:   |  发表于:2013-04-01   |  关键词:

在搅拌介质研磨机中研磨的所有不同类型的产品中,许多产品没有理想的流动性。这些非牛顿型产品包括色漆、清漆和颜料浆。它们通常含有大块的聚集体和发皱的聚合物结构。这些聚合物,包括聚电解质,经常用于润湿悬浮液中的粒子,作为分散剂使用。其固体含量通常远大于40%(质量比);这意味着聚集更易发生,因为用于润湿粒子的液体量很低。这些因素会影响流动性,此外由于研磨时增加了固体表面积而使黏度提高。随着粒子更小,黏附力提高,进一步加剧再聚集。高固体含量的一个主要原因是如干燥等过程所期望的,因此这样干燥所需能耗更低。

在开始使材料流动时需要施加高剪切应力,这是由于上面所提到的结构的原因。因此这种材料需要仔细选择设备和工艺参数。除了比能量输入,研磨珠大小和生产速度以外,细度要求、以及研磨机的运行状态都非常重要。启动后必须维持强的剪切应力以获得合理的研磨进度和保持黏度受控。通过调整研磨机的端速或通过使用齿轮泵和高剪切速度在产品进入研磨机前剪切产品来实现这一点。应使用短的软管和管道来降低上面提及的结构和黏度增加的可能性。本文讲述了触变性颜料浆的研磨参数。


实验

所有实验都以再循环的模式进行,如图1所示。用Promass 83I25通过测量互补力来在线测量产量,以及进入研磨机的产品的密度和黏度。为了在产品中产生剪切应力,使用由Gebr. Steimel 股份有限公司生产的T4-95G-GKGM齿轮泵。用Mastersizer 2000进行粒径分析,该仪器采用光散射原理进行测试。该仪器的红色激光用于粒径大于1um的粒子的测量,蓝色激光用于粒径小于1um的粒子的测量。产品中90%以上的粒子在研磨前粒径低于1um,这意味着粒子分散的作用要大于“真正的研磨”。为了检查离线产品的流动性,用Thermo Haake公司生产的旋转黏度计ROTO VISCO 1测量黏度。颜料浆在中等粒径产品研磨机(图2所示的WABDYNO®-MILL ECM Poly)上生产。

下面给出了采用的参数:

流量500 kg/h 4000 kg/h

端头速度:10.9 m/s

研磨珠尺寸:0.8 mm,后来为0.3 mm

研磨时间:采用两种大小的珠子,共4小时;

批量:100 kg

结果和讨论

作为比能量输入函数的粒径

实验采用直径为0.8 mm0.3 mm的研磨珠进行。图3给出了D90粒径,对应于不同研磨珠时比能量输入的函数。

采用0.8mm研磨珠研磨结果

在比能量输入高达500 kJ/kg时,事实上采用0.8mm的研磨珠没有研磨效果。在500-700 kJ/kg时,粒径暂时有增加。这是主要发生去聚集和粒子润湿的迹象。比能量输入在700-1,700kJ/kg时,粒径下降至低于700nm。在这一区域,可能发生某些“真正的研磨过程”。超过1,700 kJ/kg时,粒径几乎不再下降。这很有可能是再聚集的迹象,由于“真正的研磨过程”而导致粒子表面积增加,表面区域需要更多的液体来润湿粒子。


采用0.3 mm研磨珠研磨结果

采用0.8mm的研磨珠研磨后,改为直径0.3mm研磨珠。采用较小的尺寸研磨珠,研磨进展很快,比能量输入高达250kJ/kg。采用较小的研磨珠得到的最终粒子直径低于500nm。然而,当超过1,500kJ/kg时,测得的粒径不再下降,甚至略有上升,有再聚集的迹象。


黏度和流动性

为了进一步了解研磨和分散过程,要密切关注黏度和流动性。图4给出了流动曲线,在温度为30℃时,原材料的剪切应力τ和黏度η是剪切速率γ的函数。研磨4小时后材料的流动曲线和黏度曲线如图5所示。一开始增加剪切速率,并将1,000s-1值恒定30s,然后降至零点。一开始需要有高剪切应力使产品流动,产品的行为更像是固体而非液体,黏度趋向无穷大。当剪切速率达到1,000s-1时,原材料的黏度下降至0.688 Pa·s。研磨产品的黏度下降至0.74Pa·s

此外,产品清楚地表明具有触变性,因为当剪切速率下降时比剪切速率增加时黏度下降得少。这种行为是由于聚集体打碎后,当降低剪切应力时,需要花时间再次聚集。因而这进一步表明了手边的研磨问题主要是一个分散问题。在研磨过程的一开始,为了打碎聚集体,原始粒子需要被润湿和分散。原始粒子打碎至较小的粒径可能只在分散完成后发生。一旦获得较小的粒径,粒子之间的黏附力也增加,这可能会导致如图3所示的再聚集。由于较细的粒子具有较大的比表面积,在所有剪切速率时黏度提高,如图5所示。

在较高剪切速率时,触变性更明显,如图6所示,最大剪切速率是3,000 s-1而非1,000 s-1。当剪切速率首次提高至3,000 s-1时,黏度为0.419 Pa·s,当剪切速率下降,即在3,000 s-130秒时,黏度下降至0.096Pa·s。这意味着材料剪切时间越长,需要较少的时间来形成再聚集结构如聚集体,因此,黏度也越低。能得出这样的结论,为了将低剪切区域的残余时间降至最低,事实上需要使用较短的软管和管道,因为在这些区域黏度又会增加。。

7给出了产量对黏度的影响。在产量为550 kg/h时,低剪切应力区域的残余时间相当长,在研磨机前流量计上测得的黏度超过1,400 mPa·s。超过一定的流量,颜料浆在齿轮泵和研磨机中持续剪切。超过流量上限需要的最小剪切应力实际上已经给出。因此,黏度急剧下降。产品粒子更经常地通过研磨机进行泵送,研磨珠之间接触的可能性增加,产品更经常地受到剪切作用,最终导致黏度降低。随后进一步提高产量就不会产生更大的影响。黏度维持在大于200 mPa·s。采用直径为0.3 mm的研磨珠时流量的影响类似,最低黏度要比采用较大珠子时高,因为这时能获得的产量较低。较高的产量会导致较小的研磨珠堆积在一起从而对机器的部件产生较高的磨损作用。

研究表明粒子悬浮液的黏度和流动性主要取决于黏附力1。因此,粒径、固体含量和悬浮液的稳定性起着重要作用。有时可以假定当达到某一剪切速率时,流动性是牛顿型的,而黏度也是恒定的1。然而,要讲出材料在研磨机中的实际黏度非常困难,因为研磨机中的剪切速率要比采用黏度计得到的剪切速率大得多。由于具有触变性,采用不同剪切速率时不同区域的残余时间会有不同的影响。为获得最小的黏度,需施加较高的剪切速率一段时间。因此,如果产品悬浮液在进入研磨机前已经受到过剪切作用(如采用搅拌器或齿轮泵)是有帮助的。产量增加,结构体再聚集(如聚集体)所需时间较少,特别是在某些区域如管道、软管和阀门处。为了避免珠子的堆积和滤网堵塞,黏度最小化对于分散过程来说是尤其需要的2,3。较高的黏度也意味着需要更多的能量来使液体转移,从而导致不充分的研磨过程3。为了增加产品中的剪切应力,需要优化的其他参数可能是端头速度。然而,端头速度的增加的缺点是研磨腔内机械部件损坏得越快,由于较高的能量输入,再聚集也可能出现,如图3所示。因此,在这些实验中,端头速度要保持恒定。


结论

用水性触变性颜料浆进行实验,结果表明,生产量是影响这些具有非理想型流动性的材料研磨过程的一个重要参数。通过改变产量,黏度能从超过1,400 mPa·s下降至低于300 mPa·s

当研磨珠尺寸减小时,这种影响减小,因为在珠子没有堆积的情况下,最大产量在较小研磨珠时较低。由于原材料已经相当细,这意味着粒子间的黏附力大,问题只是分散问题而非“真正的研磨”。通过研究作为比能量输入函数的粒径大小也能看出这一点。分散问题意味着黏度对所获得的粒径有大的影响,因为没有被润湿和正确分散的粒子又会形成聚集体,从而使黏度增加。在较高黏度时,需要较高的能量输入来转移液体而非研磨过程。超过某一点,再增加比能量输入只会导致再次聚集,因为只有很少的能量进入研磨过程,大部分的能量直接转变成热。

与原材料的黏度相比,研磨后的黏度在所有剪切速率下都大,触变性更为明显。产量的影响表明,除了剪切速率本身外,还需考虑具有不同剪切速率的区域,尽可能使这些区域保持较低的剪切速率。因而,建议使用短的软管和管道,这样减少结构体的再聚集和黏度的增加。


参考文献

1  Stenger, F; Peukert, W. The Role of Particle Interactions on

   Suspension Rheology Application to Submicron Grinding in

   Stirred Ball Mills, Chemical Engineering Technology 2003, 26.

2  Schilde, C.; Arlt, C.; Kwade, A. Einfluss des Dispergierprozesses

   bei der Herstellung nanopartikelverstkter Verbundwerkstoffe,

   Chemie Ingenieur Technik 2009, No. 6, Wiley-VCH Verlag, Weinheim.

3  Breitung-Faes, S; Kwade, A. Produktgestaltung bei der Nano-

   zerkleinerung durch Einsatz kleinster Mahlkper, Chemie

   Ingenieur  Technik 2009, No. 6,Wiley-VCH Verlag, Weinheim.




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