Оборудование для диспергирования пигментов

Аппараты, используемые для диспергирования пигментов в среде пленкообразователей, можно разделить на две большие группы. К первой группе относятся машины с жестко закрепленными рабочими телами, скорость движения которых не зависит от вязкости обрабатываемой пигментной пасты (валковые и дисковые краскотерочные машины, двух-червячные экструдеры). Эффективность действия машин этой группы растет с повышением вязкости обрабатываемой пасты. В эту же группу входят и высокоскоростные дисковые машины, и аппараты с перемешивающими устройствами. Ко второй группе относятся аппараты, в которых рабочие ьтела свободно движутся в пигментной пасте, причес скорость их движения определяется вязкостью пасты (все виды шаровых мельниц, аттриторы, бисерные и песочные мельницы, электромагнитные машины). Максимальная эффективность этих аппаратов достигается при определенной (оптимальной) вязкости.

Используемые для получения ПЛМ аппараты можно классифицировать в зависимости от вязкости перерабатываемой на них пигментной пасты. Это машины для паст высокой вязкостью (10-10⁴ Па*с), средней (0,5-10 Па*с) и низкой (менее 0,5 Па*с).

При выборе диспергирующего оборудования следует учитывать сдвиговые усилия необходимые для разрушения пигментных агрегатов. Для грубодисперсных и абразивных природных немикронизированных пигментов и наполнителей (железный сурик, оксид хрома, барит, кальцит и др.) используют шаровые и вибрационные мельницы, где наряду с диспергированием происходит измельчение (размол) частиц. Для высокодисперсных (0,01-0,1 мкм) синтетических труднодиспергируемых пигментов (железная лазурь, технический углерод, некоторые органические пигменты) используют валковые краскотерочные машины или вибрационные шаровые мельницы, в которых создаются более высокие удельные напряжения сдвига. Ультразвуковые диспергаторы эффективны только для легкодиспергируемых пигментов в низковязких средах.

Диспергирование высоковязких паст происходит главным образом за счет возникновения чрезвычайно высоких напряжений сдвига в слое обрабатываемого материала. Высоковязкие системы характеризуется ограниченной подвижностью и требует для обработки большой затраты энергии. Тем не менее, способ диспергирования пигментов в чрезвычайно вязких средах нашел применение для получения суховальцованных паст твердых при обычной температуре и размягчающихся при нагревании дисперсии пигментов в термопластичных полимерах с добавкой пластификаторов. Суховальцованные пасты (чипсы) в течении многих лет успешно применяются для получения эмалей различных цветов на основе поливинилхлорида, поливинилбутираля, коллоксилина и др. термопластичных пленкообразователей. Получение эмалей с получением суховальцованных паст сводится к их интенсивному перемешиванию в высокоскоростных смесителях в среде соответствующего растворителя. Для производства суховальцованых паст используются фрикционные вальцы и Z-образные смесители.

Таблица - Вязкость паст и применяемое оборудование для смешения и диспергирования пигментов в пленкообразующих системах

При обработке на фрикционных вальцах паста постепенно втягивается в зазор между валками, испытывая при этом значительные давления. В зазоре развиваются большие сдвиговые напряжения в результате разности окружных скоростей валков. Зазор между валками можно изменять перемещением одного из них. Давление, развиваемое валками, колеблется от 40 до 120 МПа. При установившемся непрерывном режиме производительность G (в кг/ч) может быть выражено уравнением:

G=3600π D n b i ρ

D – диаметр валка, с которого производится съем продукта, м;

n – частота вращения валка, с-1;

b – длина линии съема, м;

i – зазор между валками, м

ρ – плотность пасты, кг/м3.

Эти машины оборудуются приспособлениями для нагревания и охлаждения валков.

Машины с Z-образными мешалками и червячные машины находят применение для предварительного смешения компонентов пигментной пасты и для ее диспергирования, а также для получения густотертых красок и для отбивки воды из водных пигментных паст. Корпус таких машин оснащается рубашкой, позволяющей нагревать или охлаждать обрабатываемую пасту. Предусматривается также охлаждение валов подачей воды через цапфу. Производительность G (кг/ч) одночервячной машины при постоянном угле наклона винтовой линии можно приближенно определить из уравнения:

G=60π к D² h ρ n sinφ cosφ

к – коэффициент заполнения цилиндра пастой

D – диаметр червячного вала, м;

h – глубина нарезки червяка, м

n – частота вращения вала, с-1;

ρ – плотность пасты, кг/м3.

φ – угол наклона угловой линии червяка.

Все эти машины непригодны для диспергирования высокоабразивных пигментов из-за сильного износа рабочих органов и корпуса.

Для диспергирования пигментных паст со средней вязкостью применяются валковые краскотерочные машины (последние годы весьма ограниченно), шаровые мельницы различных конструкций, бисерные диспергаторы, аттриторы, электромагнитные аппараты со свободно движущимися рабочими телами.

Валковые краскотерочные машины используются для изготовления шпатлевок, некоторых масляных красок. Производительность валковых краскотерочных машин зависит от окружных скоростей вращения валков, зазора между ними и длины линии контакта. Обычно паста снимается с помощью ножа, прижатого к валку, обладающему наибольшей линейной скоростью. Для достижения лучших технико-экономических показателей работы валковой машины рекомендуется обрабатывать пасты с высоким содержанием пигмента. Если в рецептуре предусмотрена возможность применения нескольких связующих, то следует выбирать связующие, являющиеся хорошим диспергатором, с низкой вязкостью и увеличивать содержание пигмента для повышения вязкости. Обрабатывать низковязкие пасты на валковых машинах нецелесообразно также из-за опасности их разбрызгивания и образования натеков на торцах валков. Чаще применяются машины с тремя валками.

Благодаря неодинаковым скоростям вращения вальцов происходит не только раздавливание зерен пигмента, но и перегрев вследствие трения между частицами пигмента и связующего, с образованием однородной густой красочной пасты. Зазор между валками регулируется с точностью до микрона. За счет того, что частицы большего размера не могут свободно пройти через такой зазор, возникает еще и эффект очистки.

Замес краски загружается между задним и средним валами; средний вал, имея вдвое большую скорость вращения, снимает краску с заднего вала, далее краска с среднего вала поступает на передний и падает на нож. Нож оканчивается фартуком; накопившаяся в фартуке недостаточно перетертая краска перебрасывается шпателем обратно на второй перетир в загрузочную часть машины, а готовая паста собирается в ящики или дежи.

Одно- и двухвалковые машины предназначены в основном для фильтрования паст. В одновалковых машинах паста подается через загрузочную воронку на валок и при прохождении между ними и перетирочным брусом подвергается фильтрованию и незначительному диспергированию. Валок машины помимо вращательного имеет также и возвратнопоступательное движение, что способствует растиранию агрегатов, попадающих в зазор между валком и перетирочным брусом. Двухвалковые фильтрующие машины отличаются тем, что они снабжены дополнительным валком небольшого диаметра, который находится в загрузочном бункере он имеет только вращательное движение и прижат к основному рабочему валку. Существенным недостатком валковых машин является невозможность их герметизации, что при большой поверхности испарения делает их непригодными для диспергирования паст, содержащих летучие растворители.

Достоинства:

- простота устройства и обслуживания;

- легкость зачистки при смене пасты;

- возможность диспергирования труднодиспергируемых пигментов;

- относительно невысокий намол материала валков, то есть можно готовить пасты белого цвета и ярких цветов.

Недостатки:

- открытая поверхность валков, что создает плохие санитарно-гигиенические условия труда;

- относительная сложность наладки, так как зазор между валками должен быть равномерен по всей длине и составлять 10 – 40 нм.;

- низкая производительность;

- высокие затраты ручного труда;