В первой части нашей статьи мы рассматривали важные теоретические моменты диспергирования, такие как:
механизм разрушения агломератов фрезой; эффект пончика (эффект Doughnut), возникающий при ламинарном течении потока; основные стадии процесса и их особенности.

Вторя часть, как мы и обещали ранее, будет более направлена  на практические аспекты данного процесса. Мы затронем методы повышения эффективности диспергирования и некоторые особенности, возникающие при масштабирования от лабораторных проб к производственным партиям.

О тонкостях диспергирования. Часть 2

  1. Перенос лабораторных результатов в производственные условия

Самый ответственный момент разработок – это, несомненно, переход от лабораторных исследований к промышленным масштабам. Важно помнить, что для успеха в этом процессе, лабораторный и производственный диссольвер должны согласовываться по своим основным конструкционным решениям и техническим характеристикам. Геометрия рабочей емкости, форма и размер фрезы, скорость вращения вала, время диспергирования и возможность поддержания необходимой температуры – все эти параметры должны учитываться для успешного масштабирования.

Ранее мы уже упоминали, что на результат диспергирования влияет как скорость движения агломератов вокруг фрезы, так и  величина механической энергии, передаваемая смеси от вала двигателя. Механическая энергия – это параметр, который определяет максимально возможную степень разрушения агломератов. Скорость, с которой происходит перемещение агломератов вблизи фрезы диссольвера, обуславливает время, необходимое для достижения оптимального результата диспергирования.

Процесс деагломерации в основном происходит в областях сдвига на рабочих поверхностях фрезы. Величина силы сдвига достигает своих максимальных значений на зубьях, которые находятся по краю фрезы и вращаются в смеси с наибольшей скоростью. Именно по этой причине периферическая скорость (скорость по краю фрезы) должна рассматриваться как ключевой параметр при масштабировании лабораторных результатов. Это утверждение относится к максимально достижимой степени диспергирования, а не ко времени, необходимому для его достижения. На лабораторных диссольверах диспергирование проходит всегда быстрее, чем на промышленных, поскольку путь, который агломераты должны пройти, чтобы достичь диска, меньше, чем в более габаритном  оборудовании.

Для достижения в лабораторном диссольвере такой же окружной скорости вращения фрезы, как и в промышленном оборудовании, вал лабораторного диссольвера должен вращаться постоянно и стабильно с повышенной скоростью. При использовании различных зубчатых фрез окружная скорость легко рассчитывается по нижеприведенной формуле:

О тонкостях диспергирования. Часть 2

Точная корреляция между лабораторным и промышленным диспергированием, несомненно, будет зависеть и от температурных условий. Не стоит забывать, что даже незначительный нагрев на 1-2 градуса малых проб объемом, к примеру, на 100 мл, которым часто пренебрегают, может нелинейно возрастать при увеличении партии аналогичного продукта до 200 и тем более до 1 000 литров. Это может иметь крайне негативные последствия для диспергирования и самого продукта. Поэтому, для контроля и поддержания необходимой температуры рабочей массы рекомендуется уже на этапах лабораторных исследований использовать емкости с охладительной рубашкой.

О тонкостях диспергирования. Часть 2

Например, производитель лабораторных и пилотных диссольверов ATP Engineering (Нидерланды) создавал свою линейку приборов в тесном сотрудничестве с испанской компанией OLIVER + BATLLE, которая занимается проектированием промышленного оборудования для лакокрасочной отрасли . Это позволило учесть все основные моменты, связанные с геометрией и механикой процесса, в результате чего их оборудование хорошо согласуется и позволяет получать легко воспроизводимые в производственных условиях результаты.

  1. Окружная скорость вращения в зависимости от числа оборотов и диаметра фрезы

В этом разделе приведено три примера, показывающие зависимость окружной скорости от числа оборотов и диаметра фрезы. Зеленым цветом выделен оптимальный интервал величин окружной скорости (18 – 25 м/с).

1) Смесь объемом 100 мл. На маленьких объемах для достижения необходимой скорости потребовалось использовать высокие обороты.

О тонкостях диспергирования. Часть 2

2) Смесь объемом 2,5 л.

О тонкостях диспергирования. Часть 2

3) Смесь объемом 25 л.

О тонкостях диспергирования. Часть 2

Из приведенных примеров четко видно влияние числа оборотов и диаметра фрезы на достижение оптимальной окружной скорости при увеличении объемов смеси.

  1. Как повысить эффективность диспергирования?

Конечно же, самый интересующий пользователей вопрос – что следует предпринять, если не удается достигнуть желаемой степени диспергирования? Ниже приведены параметры, на которые следует обратить внимание:

О тонкостях диспергирования. Часть 2

  1. Реология смесей

Для достижения оптимальных результатов диспергирования необходимо контролировать реологические свойства смеси. К сожалению, реологические свойства нельзя охарактеризовать одним параметром, например, только вязкостью. Вязкость представляет собой способность вещества растекаться под действием внешних усилий сдвига и подвергаться необратимым деформациям.

О тонкостях диспергирования. Часть 2

Коэффициент вязкости, часто называемый просто вязкость, зависит от свойств вещества и определяется как соотношение касательного напряжения сдвига и скорости сдвига. Только в ньютоновских жидкостях вязкость является постоянной (например, в воде, минеральных маслах). Все другие жидкости, не имеющие такого свойства, называются неньютоновскими, они встречаются гораздо чаще. В рецептурах смесей используются сложные по реологическим свойствам вещества. Для их характеристики используются такие термины, как кажущаяся вязкость, пластическое поведение, граница текучести, тиксотропия, реопексия и дилатансия.

О тонкостях диспергирования. Часть 2

Смесь должна демонстрировать умеренную дилатансию без явно заметного значения предела текучести, которое может препятствовать свободной циркуляции смеси во время диспергирования. Реологические свойства не должны слишком сильно изменяться в процессе диспергирования при увеличении или понижении числа оборотов диспергирующего диска.

Поэтому, для контроля вязкости и других реологических параметров смеси  рекомендуется использовать ротационные вискозиметры и реометры. Для контроля на производстве удобнее всего применение портативных и промышленных вискозиметров. Если первые, кроме своего размера и мобильности, практически ничем по своим характеристикам не отличаются от лабораторных, то датчик промышленного вискозиметра может быть установлен непосредственно в рабочую емкость с продуктом  или даже в трубопровод. Это позволяет проводить онлайн измерения в процессе диспергирования  без дополнительного отбора проб.

Также полезно знать, как жидкости подразделяются на группы в зависимости от диапазонов вязкости:

  • низкая вязкость μ < 500 мПа*с
  • средняя вязкость μ = 500 – 5000 мПа*с
  • высокая вязкость > 5000 мПа*с
  1. Преимущества диспергирования в вакууме

При диспергировании с помощью диссольверов часто может наблюдаться захватывание смесью довольно большого количества воздуха и, как результат, вспенивание продукта.

Если в случаях с  веществами низкой и средней вязкости воздух выходит из смеси сам еще во время или вскоре после окончания диспергирования (часто для этого также могут использоваться пеногасители), то при обработке продуктов с более высокой степенью вязкости и пределом текучести воздух, попавший в смесь, не всегда может самостоятельно удалиться из смеси.

В подобных случаях диспергирование настоятельно рекомендуется проводить под вакуумом. Это помогает избежать попадания микропузырьков воздуха через мельчайшие поры и отверстия в поверхности. Что немаловажно, при вакуумном диспергировании удается добиться и заметно более высокого  качество продукта (улучшается тонкодисперсность).

С применением вакуума также можно легко получать продукты, которые вступают в реакции с кислородом или влагой воздуха.

Кроме того, для повышения эффективности при работе с вязкими веществами имеет смысл применять скребковую систему для удаления налипающей на внутренние стенки емкости смеси и возврата ее в рабочий объем. Благодаря такому подходу в процессе диспергирования будет задействован весь загруженный материал.

Надеемся, данная информация была для Вас полезной. Если остались вопросы или нужна консультация для подбора диспергирующего оборудования, свяжитесь с нами, и мы постараемся Вам помочь.

В следующем цикле статей мы планируем рассмотреть важные моменты в использовании бисерных мельниц при производстве тонкодисперсных лакокрасочных продуктов.

По вопросам приобретения лабораторных и промышленных диссольверов – обращайтесь к официальному представителю Оливер+Батли и АТР Engineering в Украине – компании Текса!