1. Диссольвер и диспергирование

Диссольвер (или промышленный миксер) – это оборудование, применяемое для интенсивного перемешивания жидких и пастообразных смесей. Чаще всего используются при производстве таких продуктов как: краски, лаки и различные другие покрытия; клеи и строительная химия; ПВХ пасты; косметика и кондитерские массы.

Основное применение высокоскоростного диспергирования заключается во введении чрезвычайно мелких твердых частиц в жидкости для дальнейшего получения коллоидных суспензий.

Особенность коллоидных суспензий состоит в том, что мелкодисперсные частицы не оседают под действием силы тяжести, а остаются в смеси во взвешенном состоянии.

Процесс диспергирования можно разделить на следующие этапы:

1) смачивание поверхности твердых частиц растворителем (жидкой фазой);

2) механическое разрушение и разделение связанных частиц (агломератов и агрегатов) с последующим образованием более мелких частиц;

3) стабилизация полученных в процессе диспергирования более мелких частиц, что предотвращает их дальнейшую повторную ассоциацию (флоккуляцию).

                                                                        Схема диспергирования агломератов                                                                  

                                   2. Эффект пончика (Эффект Doughnut)

Наивысшая эффективность диспергирования достигается при согласованности между собой основных параметров процесса: формы и размера рабочей емкости, диаметра размольного диска (фрезы) и глубины его погружения в смесь, окружной скорости вращения диска и реологических свойств продукта.

Вследствие плавного увеличения частоты оборотов вала после введения в смесь твердых и жидких компонентов, она должна пребывать в равномерном вращательном движении. Важно полное отсутствие «мертвых» неподвижных зон. Если все параметры подобраны правильно, то в результате продукт образует воронку, внутри которой пустота, и мы можем видеть верхнюю часть фрезы. Форма такого потока жидкости похожа на пончик, что и дает немного смешное название данному эффекту.

Образование потоком «пончика», является сигналом того, что смеси передается максимально возможная механическая мощность. Как следствие, отсутствуют «мертвые зоны» и все агломераты частичек активно циркулируют и, в конечном итоге, разрушаются, попадая на зубья фрезы.

Эффект Doughnut возникает при ламинарном течении, когда поток с довольно высокой скоростью направляется от краев диспергирующего диска к стенкам емкости и там разбивается на две части.

Нижний поток смеси движется вдоль по стенке к центру дна емкости под вращающийся вал, а затем снова поднимается наверх к зубчатой фрезе. Верхняя часть потока образует воронку, которую хорошо видно со стороны.

На характер потока большое влияние оказывает количество пигмента и других твердых наполнителей в диспергируемом продукте. Если содержание твердых веществ недостаточно высоко, вязкость смеси может оказаться слишком низкой. Это приводит к разбрызгиванию и образованию пены. Также уменьшается потребляемая механическая энергия, что обуславливает ухудшение деагломерирующей способности фрезы.

Однако, если содержание твердых веществ слишком велико, высокая вязкость будет препятствовать достижению необходимой текучести и формированию потока в виде пончика. В этом случае, достигается так называемый предел текучести, когда смесь становится практически неподвижной и диспергирующий диск просто проскальзывает в объеме продукта.

  1. Механизм разрушения агломератов фрезой диссольвера

При высоких скоростях вращения диспергирующего диска, перед его зубцами образуется область с повышенным давлением, а позади них, соответственно, область пониженного давления. Действие высокого перепада давлений на границе областей оказывает разрывающее действие на попавшие в эту зону агломераты. В это же время и сами зубцы фрезы соударяясь с крупными частички смеси активно их разбивают.

Однако значительная часть диспергирования происходит возле поверхностей диска диссольвера. Благодаря быстрому вращению на поверхностях образуется градиент сдвига и мощные вихревые потоки, интенсивно разрушающие агломераты.

Напряжение сдвига, образующееся, в особенности, между нижней поверхностью диска и дном емкости, в значительной степени зависит от расстояния между ними. Эффективность градиента сдвига может повышаться за счет уменьшения этого расстояния. При этом скорость потока в зазоре увеличивается, и  появляется возможность увеличить скорость вращения фрезы, поскольку дальнейший переход от ламинарного к турбулентному течению происходит при более высоких скоростях.

Использование более высоких скоростей перемешивания способствует увеличению механической энергии смеси. Наилучшие же результаты диспергирования достигаются при максимально возможной подводимой механической энергии при условии, что сохраняется структура потока в форме пончика (ламинарный поток).

Механическая энергия P (W) является произведением частоты вращения n (1/с)  и импульса (крутящего момента) вала M (Nm):

P = 2 π n M

  1. Стадии процесса диспергирования

Ниже представлена простая и эффективная технологическая последовательность диспергирования:

  • Первыми в рабочую емкость вводят жидкие компоненты. Далее при невысоких скоростях вращения вала порциями добавляют сыпучие добавки и наполнители, после чего постепенно увеличивают количество оборотов до достижения окружной скорости 18-25 м/с, о чем сигнализирует образование воронки в форме пончика.
  • После первичного перемешивания рекомендуется очистить стенки рабочей емкости и вал диссольвера от налипшей массы.
  • Далее проводится непосредственно сам процесс диспергирования предварительно перемешанной массы, при котором важно все время следить за формой воронки, которую образует смесь, чтобы поддерживать оптимальную окружную скорость вращения фрезы.
  • Окончательный результат диспергирования обычно достигается уже через 10-15 минут. Более длительный период перемешивание, как правило, не целесообразен, поскольку анализ образцов показывает, что после указанного временного интервала последующая деагломерация частичек больше не происходит.
  • Если необходимо достигнуть большей гомогенности и меньшего размера частиц, чем удается получить после диспергирования на диссольвере, рекомендуется использование бисерной мельницы.

На этапе основного диспергирования не нужно бояться использовать высокие скорости вращения. Например, если используется диск диаметром 25 мм, для достижения идеальной периферийной скоростей 20 м/с, вал диссольвера должен вращаться около 15 000 об/мин.

В следующей части мы рассмотрим более детально методы повышения эффективности диспергирования и некоторые аспекты масштабирования данного процесса от лабораторных проб к производственным партиям.

Компания Текса представляет в Украине как производителя лабораторных и пилотных диссольверов (ATP Engineering, Нидерланды), так и полноценных промышленных установок (Oliver y Batlle, Испания).

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