第二节 高速分散机
一、概述
高速分散机是和砂磨相配合的一种颜料预分散设备。它配有圆盘锯齿形的搅拌叶片,叶片的最高转速为1480r/min,叶片周边的线速度可达1400m/min,搅拌轴可以通过油压装置控制自由升降。
高速分散机主要用于颜料与漆料的初步预混合,也可用于某些水性涂料的一次性分散,使之达到要求的细度。高速分散机因其剪切力小,从而分散能力较差,不能分散紧密的颜料,因而对高黏度漆浆不适用。
高速分散机工作时漆浆的黏度要适中,太稀则分散效果差,流动性差也不合适。合适的漆料黏度范围通常为0.1~0.4Pa·s。
近几年来高速分散机又开发了一些新的品种,包括以下几种。
(1)双轴双叶轮高速分散机 它能产生强烈的汽蚀作用,具有很好的分散能力,同时产生的旋涡较浅,漆浆罐的装量系数也可提高。
(2)双轴高速分散机 其双轴可在一定范围内作上下移动,有利于漆浆罐内物料的轴向混合。
(3)双轴高低速搅拌机 它适用高黏度物料拌合,如用于生产硝基铅笔漆、醇酸腻子等。
在各种研磨分散设备中,三辊机和五辊机是加工黏稠漆浆的,与之配套的预分散设备通常是搅浆机,常用的有立式换罐式混合机、转桶式搅浆机和行星搅拌机。
二、高速分散机设计
高速分散机的具体结构设计,包括传动机构、操纵机构、润滑与密封机构、机体及连接件的结构设计与布置。根据计算得出的液压控制图,绘制装配图和零件图。
高速分散机的结构设计应满足如下要求。
(1)所设计的结构应满足作用性能上和联系尺寸上的要求。作用性能包括几何精度、刚度、抗震性、减少噪声、提高传动效率以及操作省力方便等。联系尺寸包括技术参数安装尺寸和轮廓尺寸。
(2)所设计的结构应满足结构工艺性的要求。包括毛坯铸造、锻、铸、焊工艺性和热处理工艺性、机械加工工艺性、装配工艺性以及检验、调整、维修的方便性。
(3)满足标准化和通用性。所设计的结构应遵守标准化和通用化原则。
三、高速分散机的结构
高速分散机主要由四部分组成:传动机构、升降机构、搅拌容器和加热装置、无级调速装置,具体说明如下。
1.高速分散机的传动机构
采用电动机驱动,通过带轮传动到轴上,轴通过联轴器与搅拌杆连接,实现了对涂料液体的搅拌。带轮传动结构简单,经济适用,拆卸方便适合此产品。
2.高速分散机的升降机构
平台升降机构采用液压传动实现升降,这是区别各种电机升降台的主要特征。人在工作台上摇动手动泵摇杆,带动液压缸活塞的运动,再利用四个单向阀控制油路,将缸内的油液压入另一升降液压缸中,最后使传动工作台能够自由的上下移动,升降的高度范围限制在一米以内。此类手动泵最大的优点,采用差动式缸体,无论是向上还是向下摇动都会带动液压顶的上升,当需要下降时只需要打开卸油阀门,工作平台就会自动下降。
3高速分散机的搅拌容器和加热装置
搅拌容器是通过钢板焊接而成的一个类似缸体的桶,但不同的是它有加热装置——直插式电热偶。热电极丝的均匀性好、稳定性高、灵敏度好、价格低廉。
4.高速分散机的无级调速装置
无级调速是相对于分级调速来说的,速度可以在最大和最小值之间直接随意调节,不受挡位的限制。它是可随意调节速度的大小,能够实现无级别调节的控制装置,它可以向它所驱动的设备发出类似调节信号或者使用起到调节作用的装置。
四、高速分散机优点与进展
1.高速分散机的优点
(1)结构简单、使用成本低、操作方便、维护和保养容易。
(2)应用范围广,配料、分散、调漆等作业均可使用,对于易分散颜料和制造细度要求不高的涂料,可以混合、分散、调漆并直接制成产品。
(3)效率高,可以一台高速分散机配合数台研磨设备开展工作。
(4)结构简单,清洗方便。
2.高速分散机的技术进步
高速分散机大量易分散颜料(如经气流粉碎或经表面处理的颜料)和助剂(分散剂、稳定剂等)的问世,使得高速盘式叶轮分散机成了预分散和调整罐调稀操作最佳的设备。目前国内外油漆厂均广泛使用。在制造某些色漆(如对细度要求低的漆以及建筑用乳胶漆)时,可替代研磨设备,这导致了高速盘式叶轮分散机研究和制造技术的迅速发展。高速叶轮分散机的传动、升降、回转机构与摇臂钻床相差无几,故其核心问题在于分散盘的形式、速度、漆料流变型以及与分散混合罐相互关系。
一般预分散是涂料生产的第一道工序,通过预分散,颜、填料混合均匀,同时使基料取代部分颜料表面所吸附的空气使颜料得到部分湿润,在机械力作用下颜料得到初步粉碎。在色漆生产中,这道工序是研磨分散的配套工序,过去色漆的研磨分散设备以辊磨机为主,与其配套的是各种类型的搅浆机,近年来,研磨分散设备以砂磨机为主流,与其配套的也改用高速分散机,它是目前使用最广泛的预分散设备。
高速分散机由机体、搅拌轴、分散盘、分散缸等组成,主要配合砂磨机对颜、填料进行预分散用,对于易分散颜料或分散细度要求不高的涂料也可以直接作为研磨分散设备使用,同时也可用作调漆设备。
高速分散机的关键部件是锯齿圆盘式叶轮,它由高速旋转的搅拌轴带动,搅拌轴可以根据需要进行升降。工作时叶轮的高速旋转使漆浆呈现滚动的环流,并产生一个很大的旋涡,位于顶部表面的颜料粒子,很快呈螺旋状下降到旋涡的底部,在叶轮边缘2.5~5cm处,形成一个湍流区。在湍流区,颜料的粒子受到较强的剪切和冲击作用,很快分散到漆浆中。在湍流区外,形成上、下两个流束,使漆浆得到充分的循环和翻动。同时,由于黏度剪切力的作用,使颜料团粒得以分散。其如图3⁃9所示。
图3⁃9 高速分散机中圆盘式叶轮和液流情况
(1)基本的分散盘形式、相互位置和速度的理论确立
① 分散盘的基本形式 分散盘叶轮应是连续平坦的圆盘形平板。如果从轴至叶轮边缘不连续平坦,则引起物料飞溅和分散效率的下降。所以不管分散盘叶轮的形式如何发展和变化,都应遵守“连续平坦”这一原则,所有不同均应在其边缘锯齿状变化上。
目前国内外分散盘叶轮最常用的形式为:将叶轮外缘等分为13或24个间距,将每一个间隙沿切线方向交替垂直向上弯和向下弯,形成上下交替的宽齿。同时轴向齿高应成1∶3斜高,使之有不等速的流层,在速差中形成黏度剪力,称齿盘叶轮。
② 分散盘的尺寸、位置和速度 根据国外学者和高速分散机制造厂长期研究的结果,齿盘叶轮尺寸、分散罐和调整罐尺寸及其互相最佳位置见图3⁃10,图中d为叶轮直径,D为分散罐(调整罐)直径,D=(2.8~4)d。圆筒形分散罐取上限,正方筒形的取下限。h1为装料高度,h1=d~2d,单轴式分散机应取下限,双轴式分散机应取上限,h2为齿盘叶轮离心分散罐罐底距离,h2=0.5d~d,圆筒形分散罐取下限,方形的应取上限。
图3⁃10 齿盘叶轮尺寸及其最佳位置
齿盘叶轮的周围速度取决于物料在湍流与层流流动状态的临界点。
齿盘叶轮既借助于距宽齿约50mm处形成强烈的湍流区(消耗搅拌功率)来使颜料团粒互相冲击达到分散和混合目的,又要利用叶轮上部层流区的黏度剪切力,达到单个颜料团粒自行分散的目的。实验证明,叶轮的圆周速度v≥20m/s为佳。
(2)各种高效分散盘(叶轮) 近几十年来,国外学者和有关制造厂针对单轴高速分散机在使用过程中所产生的问题,作了多方面研究,推出了一些新型、高效的叶轮。
图3⁃11 文丘里分散叶轮
1—上环;2—垫片;3—螺栓;4—轴;5—叶轮;6—口下环
① 文丘里分散叶轮 主要是增加叶轮轴向泵送能力,改善混合效果,同时利用某些物理效应(如气蚀、文丘里作用等)来达到分散颜料团粒的目的。最成功的是英国首创的文丘里叶轮,见图3⁃11。利用上、下环及垫片,使叶轮轮缘形成文丘里环口。同时在叶轮上打若干小孔,以在高速旋转时产生气蚀作用。文丘里叶轮分散触变性漆料效果尤佳。
② 多环型叶轮 图3⁃12所示的多环型叶轮,适用于分散低黏度漆料,它主要靠“磨损”来分散颜料。其结构为一向下弯曲的平面上下各有两个同样弯曲的环,环与环间隙为3.2mm,环内侧装有若干楔型齿。这些齿向逆旋转方向倾斜,齿前缘产生冲击作用,齿的后面给物料以径向推力。物料伞散作用大部分在齿间的环形室内发生,环向下弯曲加速物料径向朝下流动,促进循环作用。
图3⁃12 多环型叶轮
③ 等剪力叶轮 等剪力叶轮(国外称CSI叶轮)是新型分散叶轮,它适用的黏度范围较大。CSI叶轮外表有点像多环型叶轮,是将若干个环堆装在一圆盘上。独特之处是运用文丘里原理利用流速差和压力降来产生高剪力和泵送作用,以分散颜料,其结构见图3⁃13(a)。
图3⁃13 等剪力叶轮剖面图
图3⁃14 定子转子分散叶轮
1—定子;2—转子
图3⁃13(b)表明CSI的剖面,在狭缝处,由离心力引起的压力为(13.73~27.52)×104Pa,此压力足以产生文丘里效应。环隙要与漆料黏度相匹配。在3000~5000mPa·s时,环隙为1mm;8000~10000mPa·s时,环隙为2.5mm;黏度再高,就不适宜使用CSI叶轮了。
CSI叶轮在一些性能上优于其他型叶轮,特别是在低或中等黏度漆料中尤为突出。研磨时,CSI叶轮对颜料的润湿性要求不高,产生热量和零件磨损较小,操作时要注意环隙的堵塞。
④ 定子转子分散叶轮 轴端装转子,其形状可为十字板式或螺旋线盘式。轴外为套筒,筒端为定子,见图3⁃14。物料从下面被吸进转子,并通过定子周边的缝隙甩出去。物料受到强烈的剪切力,在同一容器中可完成混合分散过程。英国已有此类叶轮的系列商品供应。
(3)SDL高剪切一体化涂料成套设备的配置说明 SDL高剪切一体化涂料成套设备由如下部分构成。
① 进料系统 由粉体进料罐、液体进料罐、真空缓冲罐、真空泵等构成。粉体进料采用真空吸料方式输送,乳液等液体进料采用负压完成。该系统的粉体进料罐、液体进料罐可单独放在原料加入仓,与主体设备分开,通过管道连接进入主体设备。做到主体设备车间无污染,无粉尘飞扬。
② 出料及过滤系统 该系统由空压机、管道及管接件、袋式过滤器构成。通过压缩空气将调漆釜里的物料从袋式过滤器输送至灌装机。
③ 制浆系统(乳化系统) 该套系统由制浆反应釜、变频框式搅拌器、高剪切分散机、卧式砂磨机组合构成。制浆系统无死角、无残留。浆料的研磨效率高,能达到高档涂料所要求的细度且分布均匀,系统易清洗。
④ 调漆系统 该系统由调漆釜、减速器、变频调速器、框式搅拌机组成。调漆釜内壁经抛光处理,可达到较高的光洁度。
⑤ 冷却系统 由制浆系统和砂磨机夹套冷却循环水系统组成。
⑥ 管路系统 由抛光的不锈钢管道、不锈钢接头、不锈钢球阀等组成。
⑦ 电气控制系统 该系统以PLC为主控器,由液晶显示器和PLC控制系统组成操作系统,阀门均采用气动球阀,开启和关闭阀门可以进行自动控制。工艺参数可在显示器上方便查看,例如:输入电功率、研磨机、高速分散机、搅拌器转速、物料重量等,可以预先设置工艺参数和工艺过程,并可以随时进行工况调整。控制系统采用WINDOWS界面,可以方便地进行控制操作。此系统可以进行升级,可以与已有的PLC系统整合。主要控制点有:物料的称重计量、进料、研磨机、高速分散机、搅拌器转速的调节、出料、灌装。操作人员在控制台上可完成对各个工艺过程的控制,用鼠标点击即可完成。
⑧ 操作平台 表面铺铝合金花纹板,0.8~1m高的不锈钢扶手,支架部分先喷防锈漆后喷色漆。
⑨ 灌装系统 一般采用称重式半自动灌装机。称重范围为0.5~30kg,计量误差小于10g/桶,灌装头采用防滴漏装置,灌出的乳胶漆无气泡产生,开灌效果好,配有气动夹盖和气动压盖装置,能非常方便地更换。
⑩ 全自动水处理设备 处理头采用美国福莱公司生产,离子交换树脂采用英国漂莱特公司生产,它的功能是晚上置换、白天用水,产水量2t/h。
五、高速分散机工作特点
(1)强劲的离心力将物料从径向甩入定、转子之间狭窄精密的间隙中,同时受到离心挤压、液层摩擦、液力撞击等综合作用力,物料被初步分散。
(2)分散机高速旋转的转子产生至少15m/s以上的线速度,物料在强烈的液力剪切、液层摩擦、撕裂碰撞等作用下被充分分散破碎,同时通过定子槽高速射出。
(3)分散机物料不断地从径向高速射出,在物料本身和容器壁的阻力下改变流向,与此同时在转子区产生的上、下轴向抽吸力的作用下,又形成上、下两股强烈的翻动紊流。物料经过数次循环,最终完成分散过程。
高速分散机采用电磁调速、变频调速和三速等各种规格、运转稳定有力,适合各种黏度;液压、机械两种升降形式,升降旋转自如,适应各种位置;普通及防爆配置,安全可靠,操作维护简单;生产连续性强,对物料可进行快速分散和溶解,分散效果好,生产效率高,运转平稳,安装简便。针对不同物料的黏度及处理量有不同的功率及型号。
六、高速分散机的高速剪切分散实现
众所周知,剪切分散效果跟定转子间隙的大小是密不可分的。纵使转速再高,而定转子间隙不够小,分散效果终究是有限的。因此讨论转速的前提是,定转子的间隙足够小,并且配合精密。
高速中试涂料分散机的动力驱动由电机(二极或四极等)提供,因此定转子的转速(驱动转速)跟电机转速有关。卧式结构的分散机则完全由电机转速决定,此时提高转速的方法是通过调节电机转速(升频)实现的。
现在比较处于技术优势的高速分散机采用立式分体结构,即电机和定转子主轴之间不直接相连,而是通过一到若干根长短不等的皮带相连。通过V型传动来改变转速比。目前已可以将转速比提高到4∶1。假如电机转速为3000r/min,则定转子的转速可以达到12000r/min。超过一万的转速才是真正意义的高速分散。提高转速的关键技术在于机封的设计和散热的设计,这是很好理解的,不解决密封和散热,高速分散是没有应用价值的。
高速中试涂料分散机的应用前景:应该说高速分散相对于普通分散机(分散盘)或双行星等分散设备优势还是相当明显的,不论分散程度和分散效率都有质的提升。
高剪切成套设备介绍如下。
(1)高剪切设备主机工作原理及工作过程 高速分散机是一高速搅拌机,结构简单操作方便,在预混分散及调涂料时使用,清洗方便,生产效率高。
① 工作过程概述 在高速旋转的转子产生的离心力作用下,物料从工作头的上下进料区同时从轴向吸入工作腔。
② 工作原理概述 高剪切分散乳化就是高效、快速、均匀地将一个相或多个相分布到另一个连续相中,而通常情况下各个相是互不相溶的。由于转子高速旋转所产生的高剪切线速度和高频机械效应带来强劲动能,使物料在定、转子狭窄的间隙中受到强烈的液力剪切、离心挤压、液层摩擦、撞击撕裂和湍流等综合作用,从而使不相同的固相、液相、气相在相应成熟工艺和适量添加剂的共同作用下,瞬间均匀分散乳化,经过高频的循环往复,最终得到稳定的高品质产品。
(2)高剪切设备主要特点
① 设备能独立完成乳化、分散、研磨、细化、冷却、过滤、真空自动吸料、半自动灌装等全过程,大大降低劳动强度,该成套设备是传统成套设备耗时的1/5,缩短了加工时间,并易清洗。
② 在SDL⁃C型设备的基础上进一步改进,产量较SDL⁃C型设备提高2倍以上,是规模较大的涂料生产厂家的首选。
③ 采用该成套设备生产的产品细度比传统设备进一步细化,分散效果进一步提高,可在真空状态下操作,无气泡生产,无粉尘飞扬,产品质量大幅度提高。
(3)SDL⁃D型高剪切一体化涂料成套生产设备
① 制浆部分 将水通过液体计量器加入到液体原料加入槽,用真空吸入到乳化分散釜内,开动低速锚式搅拌,将粉料用真空吸入到乳化分散罐内连续搅拌10min左右,再开动两台立式高剪切乳化机乳化10分钟,最后开动卧式乳化机连续循环30分钟后,浆料即制作完毕。
② 调漆部分 用真空将乳液、成膜助剂从液体吸入槽吸入到低速搅拌釜内,开真空将浆料通过袋式过滤器吸入到低速搅拌机将乳液、助剂、浆料搅拌均匀,然后加入助剂(增稠剂等)进行调漆。若需颜色加入色浆即可。
③ 过滤包装 调好漆后,真空消泡5min,然后停止搅拌,通过袋式过滤器过滤涂料到半自动灌装机进行包装。
(4)高剪切设备性能比较 与传统设备、同类设备比较,具有以下优势。
① 依照工艺配方通过液体计量器放出需要的水量,称量准确、操作简便。
② 钛白粉、轻钙、重钙等粉料从粉体原料槽通过管道真空加入,避免了生产区粉尘污染。
③ 乳化罐内高剪切机采用德国技术生产的乳化头,设计上在罐内呈一高一低结构,使物料乳化更加充分。
④ 浆料通过卧式高剪切机和静态混合器循环时的进料头,采用网状喷洒结构,使浆料形成散状结构浮在表面,使浆料循环更为充分,避免死角。
⑤ 釜内爪式高剪切和釜外卧式高剪切粉碎功能的同时作用,保证了物料的进一步细化,并大大缩短操作时间:对超细粉采用高剪切机循环打浆办法,但对相对粗的粉料采用卧式砂磨机和高剪切机同时使用的办法,使浆料更为细化;静态混合冷却效率高
图3⁃15 NM⁃400型实验用分散机
于夹套式冷却5~8倍,保证生产过程连续进行。
⑥ 特殊的抽真空设计保证物料在真空状态下生产,避免了生产过程中气泡的产生;同时可实现真空自动吸料过程,减轻劳动强度;涂料出料时采用两个袋式过滤器,使用中可相互切换,不影响灌装速度。
⑦ 采用德国技术生产的灌装机,使整条生产线更为经济、实用、气派。灌装生产出来的乳胶漆,开罐效果好,无气泡产生。
(5)NM⁃400分散多用机 NM⁃400型实验用分散机(多种型号可供选用)见图3⁃15。采用电子无级调速,在低调时,力矩恒定。与物料接触部分均采用不锈钢制造,配有多种砂磨、分散叶,适用于实验室试验用。
技术参数:
电力功率400W;
输入电源200V,50Hz;
调速范围0~8000r/min(无级恒力矩);
分散砂磨盘直径50mm,60mm;
砂磨盘直径45mm,60mm;
升降行程250mm。