新的预分散研磨工艺是提高颜料分散效率的关键吗?

作者：Steffen Pilotek， Buhler有限责任公司，美国明尼苏达州, Plymouth;Verena Mühlberger, Bühler 股份公司，瑞士Uzwil

多年来，彩色涂料制造商一直在使用高剪切混合技术，试图在湿磨前对颜料进行湿润并减少其粒径。此理论很明确，在最终的研磨过程中使用的研磨珠越小，获得高质量颜料分散体所需的质量比能量就越少。意味着要创造一件合格产品，所需的生产能源成本和时间成本更少。

然而，湿磨珠的最佳粒径取决于原料中的最大粒径。即使在预研磨后，留在原料中的过大颗粒的小部 分也会导致湿磨的低效。

目前工业上普遍采用的是基于溶剂的高剪切分散 技术，但是会留下一长串粗颗粒，进而影响研磨过 程。我们开发了一种新的预分散工艺，通过该工艺， 可获得微珠研磨的均匀浆料，首次为颜料分散工艺节 约了成本，并实现了高效分散。

它的基本原理是什么？

砂磨机的两个基本方面是砂磨机主轴的强度和研 磨珠之间相互作用的次数。

研磨珠的冲击强度必须足够高，才能打破颗粒或 团块。相互作用越多，过程越快，最终研磨的产品质 量就越高。虽然可能不太直观，但研磨珠的大小直接 影响研磨珠的数量，从而影响研磨珠在研磨缸中的相 互作用。

由于研磨珠的数量与它的直径成三次方反比，因此将研磨珠的粒径减少一个数量级，会导致在相同体积下所产生的接触点和数量更多。

即使将研磨珠一分为二，研磨珠的数量也会增加八倍，比改变其他变量所产生的可能性要大得多，例如调整研磨珠的用量（图1）。

由于研磨珠能更有效地运用研磨能量，因此使用较小的研磨珠可以降低能量，进而可在较短的时间内，用较少的能量或用较小的研磨机来完成研磨任务。

决定湿磨机磨珠最佳粒径的因素是？

为什么不统一使用最小粒径的研磨珠呢?因为研 磨珠必须足够大，才能打碎那些最大的颜料颗粒。在 初始浆料中，存在各种大小的颜料颗粒团聚体（图2），形成了粒度分布。尽管通常只有少量的大团聚 体，但磨珠也需要能够将这些团聚体打破。因此，对 于绝大多数颜料颗粒而言，适合研磨颜料分散体的最 小研磨珠通常过大。

为何研磨珠的大小很重要？

在湿磨机中被迫使用较大的磨珠有三个基本缺点。首先，如上所述，磨珠粒径越大，研磨过程中所需的质量比能就越大。当涂料制造商被迫使用较大磨珠来处理一小部分较粗的颗粒时（就像大多数工业中的情况一样），会浪费能源。为不充分的预处理付出 了高昂代价。

其次，使用较大磨珠来分散粗颗粒颜料耗费了较 长的时间。事实上，研磨粗颗粒颜料以获得均匀的产 品所需的时间，比研磨大部分浆料所需的时间要长得多。制造商必须在增加循环时间、降低产品质量或增加过滤过程之间选择最佳平衡点，以上都将增加时间 和成本。

最后，成品质量可能会受到影响，因为使用最小 磨珠会产生最好的研磨效果。与粒度分布相关的工业 质量包括颜色强度、光泽和透明度、流变性/粘度、 稳定性/保质期等等，使用更小的磨珠可以让生产者 更好地控制所有这些变量。

为何传统的预研磨会留下过大的颗粒？

传统上，涂料制造商会使用高速分散器和其他 一些通过水、溶剂或一些配方的液体介质，施加剪切力的设备来进行分散。这种方法能够分解浆料中 那些松散的团聚体，但无法提供足够的应力来分散 那些更为牢固的团聚体和那些作为粗颜料颗粒一部 分的单位颗粒。

通常，粒径分布的最后10%到15%是最难研磨的，而剪切力在大多数情况下，根本无法施加足够的应力。考虑到即使在浆料中残留一小部分较大颗粒， 最终也会影响湿磨过程，这便成为了一个很重要的问题。例如，在汽车应用所需的高质量涂层中，即使是 0.1%的较大颗粒，也足以对漆膜造成破坏了。

改良的预分散技术有何区别？

Bühler新改良的MacroMedia预分散方法使用磨 珠冲击，可以更有效地分散颗粒，包括牢固的聚集 体，甚至是晶体（图3）。

另一个重要的变量是流量，它决定了在循环过程 中浆料再次加入工艺区的次数，高周转率会使得颜料的分散变得更均匀。

Bühler的解决方案是一种自动泵装置，其特点是高功率密度的处理室，它有针对位配置和10个间隙的平行排列，每个间隙为1mm宽。这种布置提供了一种难以阻挡的磨珠分离器，没有常规研磨设备的间隙分离器所造成的流动限制。

在低压下，根据产品的粘度，典型的流速为 10-20000L/h(45-90gpm)，这会导致在再循环过 程中产生大量周转。高流速确保了所有颗粒在处理室 中的暴露时间几乎相同(停留时间)。处理室装有 3mm的磨珠，可在1mm-100μm范围内对颗粒进行有 效研磨，使其变得更精细。

实际应用时，它是如何工作的？

通过公司的全球实验室，Bühler已就MacroMe- dia在客户的流程中进行了试验，确定了这种改良的预 分散方法对不同聚合体的好处。

石灰石研磨案例

在第一个例子中，实验室考虑了对石灰石的研 磨，是因为它是典型的带有坚硬粗糙颗粒的产品。添 加d50为450μm的石灰石、d90为900μm和d100为1.2 mm的大颗粒石灰石，再将典型配置为60% (50-70%)的3 . 0 m m Y 稳定ZrO2磨珠放入Macro- Media设备中研磨。添加含有0.1%瓜尔胶的循环水与 石灰石，形成39wt%的浆料。选择最大转速 10.2m/s，功率为10-11kw，流量为22000L/h (97gpm)。在10kWh/t的引入能量内，d90从900μ m减少到100μm以下。对于1000 lb(450kg)的批 次，会在25分钟内完成。该粒径足够小，因此随后可 以使用0.3mm的磨珠介质进行精细研磨而不产生任何问题（图4）。

紫色油墨研磨生产率提高了65%

在第二个例子中，实验室对紫色颜料在NC油墨 中的分散工艺进行了优化。初始颗粒分布的细度为 500μm，而目标粒径为3μm，因此所需的粒径减小 幅度超过两个数量级。

工艺包括使用高速溶解器进行预混合，然后使用 1.0-1.2mm的磨珠进行细磨，以达到质量要求。以大 约100kg/h(220 lb/h)的净生产率进行研磨。

新改良的生产工艺要快得多。采用先进的预分散 概念制备浆料，意味着可用较小的0.7-0.9mm磨珠，

使用高性能砂磨机进行循环精细研磨。所有质量标准 均达到165kg/h(364lb/h)的净生产率，生产率提高 65%。

考虑到改良的预分散所需的额外时间时，该工艺仍然更高效:在精细研磨之前，使用MacroMedia引入 能量为20kWh/t，以500-600kg/h的生产率完成。 MacroMedia加细磨工艺的总生产率为128kg/h(283 lb/h)，与最初的研磨步骤相比，净生产率仍提高了 28%，甚至不包括溶解器之前所需的时间。

黑漆研磨生产率提高了128%

在此例中，生产过程包括在溶解器中进行高速预 混合后，用较大的介质进行预磨，再用较小的介质进 行精细研磨的步骤：（1）一批次黑色清漆以大约70 kWh/t能量，使用1.2-1.4mm的磨珠进行预磨，处理 量为277kg/h(610 lb/h);（2）然后，对该预磨浆 进行精细研磨;（3）使用更小的0.8mm介质进行再循 环研磨，研磨细度小于7μm，能量为140kWh/t，生 产率为110kg/h(140 lb/h)。包括预研磨和精细研 磨在内的总研磨净生产率为70kg/h(157 lb/h)。

新工艺使其中一个研磨步骤完全过时:在改良的 预分散工艺中引入40kWh/t能量，而不是使用高速分 散器，可以在精细研磨步骤中使用0.5mm的磨珠，在 一次单程操作中直接达到想要的研磨质量（表1）。精 细研磨的生产量为300kg/h(660 lb/h)，与之前的 预研磨步骤顺序相同。由于不需要额外的研磨步骤， 组合工艺的生产率高达160kg/h(350 lb/h)，比现 有工艺提高了128%。由于110kWh/t的总能量要远低 于235kWh/t，在时间上也缩短了。

此案例显示了新工艺的几个特征：

• 改良的预分散工艺可在精细研磨中使用粒径更小 的磨珠，从而达到更高效、细度更高的产品。

• 与砂磨机不同，该设备专为预分散工艺设计。磨 珠粒径越大，则针对尾端的粒径分布越成比例，有效 地调整了浆体分布以优化研磨。

• 随后的精细研磨步骤不限于高性能砂磨机的使 用;反之，如本例所示，高级预分散后，在全容积盘 式砂磨机上使用较小的磨珠，也能受益颇多。

亚微米研磨生产率提高了75%

在最后一个例子中，实验室评估了亚微米研磨的 新工艺。为了满足喷墨应用的要求，目标粒径d90< 140nm，这需要使用最大直径为0.3mm的小磨珠介质 和高效研磨设备，才能达到目标质量和有效生产率。

实验室努力在循环运行的高性能磨珠机中使用 0.1mm的磨珠，该应用要求安装0.05mm（50μm）的筛子作为磨珠分离器。因此，预分散工艺必须提供 粒度分布为d100<50μm的颗粒。

这一目标是通过以100kg/h的净生产率，引入 100kWh/t能量来实现的，如激光法与湿筛试验所 示，浆料在通过50μm的过滤袋时未发现残渣。

随后的精细研磨证实了这一点，细磨是用0.1 mm的磨珠介质再循环进行的，没有产生任何问题。 细磨需要额外使用800kWh/t的能量，才能达到d90< 140nm的最终目标，对于15升的砂磨机，相当于约35 kg/h的生产率。在类似条件下，用0.2mm介质研磨 另一份预分散的浆料样品。由于磨珠介质更大，该工 艺需要1200kWh/t的能量，生产率为20kg/h，使用 0.1mm磨珠介质的精磨工艺能效提高了33%，生产率 提高了75%。

可部署的小型工厂

基于这种改良的预分散和使用较小介质进行的精 细研磨（图5），Bühler开发了一个通用的生产概 念。公司预先设计的小型工厂成为一个多用途的工具，适用于各种湿磨应用，它由配料缸、研磨缸和与 MacroMedia和细磨机相连的排放缸组成。整个概念 都可在这个小型的标准工厂中实现，占地面积为7.2 x 7.0m(24 x 23 ft)，高度为5.5m(18 ft)。

预分散后，该批物料通过一个传送通道输送到细磨的研磨缸中，进行循环或筛料操作。产品最终被收集，进入排放缸中。

涂料制造商是时候该接受先进技术了？

明尼苏达州普利茅斯市研磨和分散销售总监 Patrik Maeder说，这些试验表明，这种新的改良预 分散技术可以帮助大多数制造商在颜料分散和湿磨 方面提高质量，并节省成本。他说，“最大的好处 无疑是能够使用更少的能源来创造更高的生产力， 这样就足够了。但MacroMedia改良的预分散技术也为客户提供了更大的控制能力，还可以轻易地使成品获得更高、更一致的品质，颜色持久、均匀、细腻——以及造成更少的浪费。对该行业来说，是非 常值得期待的。”

本文收录在《PCI中文版》杂志2020年6月刊中。