3.1 Диссольверы
Диссольвер необходим для гомогенизации частиц пигмента в среде пленкообразующего вещества, его смачивания и предварительного диспергирования, а бисерная мельница – для окончательного измельчения агломератов пигмента (для сокращения среднего эквивалентного диаметра частиц и получения более узкого распределения их размеров). Диссольверы могут служить и самостоятельными диспергирующими аппаратами (например, для изготовления пигментных паст для различных грунтовок, фасадных и водно-дисперсионных строительных эмалей, эмалей для разметки дорог и др.), если при получении конечного продукта не требуется высокой степени дисперсности. Размер частиц пигментной суспензии по окончании предварительногодиспергирования, как правило, колеблется в пределах 60 – 90 мкм. Разумеется, эта величина зависит от многих факторов, в первую очередь – от диспергируемости пигмента.
Внешне диссольвер незначительно отличается от механического смесителя, оснащенного мешалкой – в случае диссольвера – эксцентрически упорядоченным зубчатым диском - фрезой (см. рис. 4). Однако, двигатель диссольвера значительно мощнее, чем у смесителя. Разница мощности двух установок основана на разном предназначении оборудования. Диссольвер используется, прежде всего, для процесса диспергирования твердых частиц в жидкость, т.е. для их измельчения. Если для образования суспензии твердых частиц в жидкость (для смешения двух фаз: твердой – пигментной и жидкой – пленкообразователя) в среднем необходима плотность диссипации мощности порядка e=1 Вт/кг, то при измельчении это значение колеблется в интервале e=10 ÷ 100 Вт/кг. Если механическая мощность, подводимая к системе «жидкость - твердые частицы» в виде агломератов, слишком мала, смешивание двух фаз возможно, но невозможно измельчение твердых частиц.
Диссольвер реализует процесс диспергирования по гибридному механизму – путем одновременного перемешивания гетерогенной двухфазной среды и измельчения твердых частиц. Вращающаяся с большой скоростью фреза создает высокое срезывающее напряжение, вызывающее разрушение агломератов. В связи с устойчивостью агломератов, необходимые величины напряжений достигаются только при ламинарном течении, турбулентная диссипация энергии является недостаточной. Поэтому в процессе преддиспергирования среда должна иметь достаточно высокую вязкость, достигаемую практически при концентрации твердого тела и при использовании специальных вспомогательных средств. Так как измельчение происходит только в зоне фрезы, необходимо обеспечение циркуляции двухфазной среды через зону измельчения – отсюда и роль перемешивания в процессе преддиспергирования в диссольвере. Мощность этого процесса есть сумма мощностей измельчения и перемешивания с величиной намного большей, чем один из ее компонентов – перемешивания.
При использовании диссольвера для обработки пигментных паст, склонных к тиксотропии, необходимым условием является оснащение диссольвера дополнительной мешалкой (расположенной либо непосредственно на валу фрезы, либо на отдельном валу); в противном случае возможно неполное вовлечение пасты в рабочую зону.
Грамотно подобранный диссольвер должен обеспечить возможность получения продукта не только с низкой величиной среднего диаметра частиц, но также и с узким распределением их размеров. Правильное соединение функции измельчения фрезы и кинетико-геометрических условий перемешивания в диссольвере гарантирует высокое качество конечного продукта. Большое значение для эффективности процесса преддиспергирования имеет величина окружной скорости фрезы. Введение сыпучих компонентов в пленкообразователь целесообразно проводить на малых скоростях. При преддиспергировании скорость вращения фрезы должна быть такой, чтобы образовалась воронка, в основании которой было видно основание фрезы. На эффективность процесса при прочих равных условиях (окружная скорость фрезы, наполнение и вязкость пигментной суспензии) также значительное влияние оказывают как геометрия и конфигурация самой фрезы, так и геометрия всей измельчающей системы «фреза – дежа диссольвера». Геометрические пропорции системы диспергирования сопоставляются диаметру фрезы dфрезы следующим образом (см. Рис. 5):
Рис. 5 Соотношение геометрических параметров фрезы и дежи диссольвера.
Диаметр дежи: Dдежи = (1,30 ÷ 3,00)dфрезы;
Оптимальный диаметр дежи Dопт = (2,00 ÷ 2,50)dфрезы;
Расстояние от фрезы до дна дежи h = (0,25 ÷ 0,50)dфрезы;
Статистическая высота суспензии в деже hст = (0,50 ÷ 1,50)dфрезы.
После выполнения вышеперечисленных кинетико-геометрических условий и обеспечения достаточно высокой вязкости суспензии вдиссольвере, двухфазная среда подвергается специальному режиму течения “doughnut”. Это течение образует два контура циркуляции – нижний и верхний, с центром симметрии в центре фрезы. В рамках контуров циркуляции масса протекает через зону измельчения фрезы, а находящиеся в ней агломераты подвергаются постепенному измельчению.
В случае необходимости последовательного диспергирования нескольких пигментных паст целесообразно использовать поворотные диссольверы.
В стандартном исполнении такой диссольвер способен поворачиваться на 180о, хотя существуют модели для работы с двумя, тремя, четырьмя емкостями, обеспечивающие поворот вала диссольвера на угол до 360о (см. рис. 6). Поворотные диссольверы могут применяться не только для получения суспензий пигментов различных цветовых характеристик, но также и для предварительного диспергирования паст на различных пленкообразователях, зачастую даже несовместимых друг с другом.
С целью предотвращения загрязнения содержимого деж диссольвера, вал и фреза перед опусканием в последующую дежу замываются вручную.
Стоимость поворотного диссольвера, разумеется, превышает стоимость его стационарного аналога. Однако, при необходимости предварительного диспергирования различных пигментов в двух, трех или четырех стационарных емкостях, один поворотный диссольвер обойдется дешевле, нежели несколько стационарных. Кроме того, иногда следует принимать в расчет и экономию производственных площадей.