第二節　高速分散機

一、概述

高速分散機是和砂磨相配合的一種顏料預分散設備。它配有圓盤鋸齒形的攪拌葉片,葉片的最高轉速為1480r/min,葉片周邊的線速度可達1400m/min,攪拌軸可以通過油壓裝置控制自由升降。

高速分散機主要用于顏料與漆料的初步預混合,也可用于某些水性涂料的一次性分散,使之達到要求的細度。高速分散機因其剪切力小,從而分散能力較差,不能分散緊密的顏料,因而對高黏度漆漿不適用。

高速分散機工作時漆漿的黏度要適中,太稀則分散效果差,流動性差也不合適。合適的漆料黏度范圍通常為0.1~0.4Pa·s。

近幾年來高速分散機又開發了一些新的品種,包括以下幾種。

(1)雙軸雙葉輪高速分散機　它能產生強烈的汽蝕作用,具有很好的分散能力,同時產生的旋渦較淺,漆漿罐的裝量系數也可提高。

(2)雙軸高速分散機　其雙軸可在一定范圍內作上下移動,有利于漆漿罐內物料的軸向混合。

(3)雙軸高低速攪拌機　它適用高黏度物料拌合,如用于生產硝基鉛筆漆、醇酸膩子等。

在各種研磨分散設備中,三輥機和五輥機是加工黏稠漆漿的,與之配套的預分散設備通常是攪漿機,常用的有立式換罐式混合機、轉桶式攪漿機和行星攪拌機。

二、高速分散機設計

高速分散機的具體結構設計,包括傳動機構、操縱機構、潤滑與密封機構、機體及連接件的結構設計與布置。根據計算得出的液壓控制圖,繪制裝配圖和零件圖。

高速分散機的結構設計應滿足如下要求。

(1)所設計的結構應滿足作用性能上和聯系尺寸上的要求。作用性能包括幾何精度、剛度、抗震性、減少噪聲、提高傳動效率以及操作省力方便等。聯系尺寸包括技術參數安裝尺寸和輪廓尺寸。

(2)所設計的結構應滿足結構工藝性的要求。包括毛坯鑄造、鍛、鑄、焊工藝性和熱處理工藝性、機械加工工藝性、裝配工藝性以及檢驗、調整、維修的方便性。

(3)滿足標準化和通用性。所設計的結構應遵守標準化和通用化原則。

三、高速分散機的結構

高速分散機主要由四部分組成:傳動機構、升降機構、攪拌容器和加熱裝置、無級調速裝置,具體說明如下。

1.高速分散機的傳動機構

采用電動機驅動,通過帶輪傳動到軸上,軸通過聯軸器與攪拌桿連接,實現了對涂料液體的攪拌。帶輪傳動結構簡單,經濟適用,拆卸方便適合此產品。

2.高速分散機的升降機構

平臺升降機構采用液壓傳動實現升降,這是區別各種電機升降臺的主要特征。人在工作臺上搖動手動泵搖桿,帶動液壓缸活塞的運動,再利用四個單向閥控制油路,將缸內的油液壓入另一升降液壓缸中,最后使傳動工作臺能夠自由的上下移動,升降的高度范圍限制在一米以內。此類手動泵最大的優點,采用差動式缸體,無論是向上還是向下搖動都會帶動液壓頂的上升,當需要下降時只需要打開卸油閥門,工作平臺就會自動下降。

3高速分散機的攪拌容器和加熱裝置

攪拌容器是通過鋼板焊接而成的一個類似缸體的桶,但不同的是它有加熱裝置——直插式電熱偶。熱電極絲的均勻性好、穩定性高、靈敏度好、價格低廉。

4.高速分散機的無級調速裝置

無級調速是相對于分級調速來說的,速度可以在最大和最小值之間直接隨意調節,不受擋位的限制。它是可隨意調節速度的大小,能夠實現無級別調節的控制裝置,它可以向它所驅動的設備發出類似調節信號或者使用起到調節作用的裝置。

四、高速分散機優點與進展

1.高速分散機的優點

(1)結構簡單、使用成本低、操作方便、維護和保養容易。

(2)應用范圍廣,配料、分散、調漆等作業均可使用,對于易分散顏料和制造細度要求不高的涂料,可以混合、分散、調漆并直接制成產品。

(3)效率高,可以一臺高速分散機配合數臺研磨設備開展工作。

(4)結構簡單,清洗方便。

2.高速分散機的技術進步

高速分散機大量易分散顏料(如經氣流粉碎或經表面處理的顏料)和助劑(分散劑、穩定劑等)的問世,使得高速盤式葉輪分散機成了預分散和調整罐調稀操作最佳的設備。目前國內外油漆廠均廣泛使用。在制造某些色漆(如對細度要求低的漆以及建筑用乳膠漆)時,可替代研磨設備,這導致了高速盤式葉輪分散機研究和制造技術的迅速發展。高速葉輪分散機的傳動、升降、回轉機構與搖臂鉆床相差無幾,故其核心問題在于分散盤的形式、速度、漆料流變型以及與分散混合罐相互關系。

一般預分散是涂料生產的第一道工序,通過預分散,顏、填料混合均勻,同時使基料取代部分顏料表面所吸附的空氣使顏料得到部分濕潤,在機械力作用下顏料得到初步粉碎。在色漆生產中,這道工序是研磨分散的配套工序,過去色漆的研磨分散設備以輥磨機為主,與其配套的是各種類型的攪漿機,近年來,研磨分散設備以砂磨機為主流,與其配套的也改用高速分散機,它是目前使用最廣泛的預分散設備。

高速分散機由機體、攪拌軸、分散盤、分散缸等組成,主要配合砂磨機對顏、填料進行預分散用,對于易分散顏料或分散細度要求不高的涂料也可以直接作為研磨分散設備使用,同時也可用作調漆設備。

高速分散機的關鍵部件是鋸齒圓盤式葉輪,它由高速旋轉的攪拌軸帶動,攪拌軸可以根據需要進行升降。工作時葉輪的高速旋轉使漆漿呈現滾動的環流,并產生一個很大的旋渦,位于頂部表面的顏料粒子,很快呈螺旋狀下降到旋渦的底部,在葉輪邊緣2.5~5cm處,形成一個湍流區。在湍流區,顏料的粒子受到較強的剪切和沖擊作用,很快分散到漆漿中。在湍流區外,形成上、下兩個流束,使漆漿得到充分的循環和翻動。同時,由于黏度剪切力的作用,使顏料團粒得以分散。其如圖3?9所示。

(1)基本的分散盤形式、相互位置和速度的理論確立

① 分散盤的基本形式　分散盤葉輪應是連續平坦的圓盤形平板。如果從軸至葉輪邊緣不連續平坦,則引起物料飛濺和分散效率的下降。所以不管分散盤葉輪的形式如何發展和變化,都應遵守“連續平坦”這一原則,所有不同均應在其邊緣鋸齒狀變化上。

目前國內外分散盤葉輪最常用的形式為:將葉輪外緣等分為13或24個間距,將每一個間隙沿切線方向交替垂直向上彎和向下彎,形成上下交替的寬齒。同時軸向齒高應成1∶3斜高,使之有不等速的流層,在速差中形成黏度剪力,稱齒盤葉輪。

② 分散盤的尺寸、位置和速度　根據國外學者和高速分散機制造廠長期研究的結果,齒盤葉輪尺寸、分散罐和調整罐尺寸及其互相最佳位置見圖3?10,圖中d為葉輪直徑,D為分散罐(調整罐)直徑,D=(2.8~4)d。圓筒形分散罐取上限,正方筒形的取下限。h₁為裝料高度,h₁=d~2d,單軸式分散機應取下限,雙軸式分散機應取上限,h₂為齒盤葉輪離心分散罐罐底距離,h₂=0.5d~d,圓筒形分散罐取下限,方形的應取上限。

齒盤葉輪的周圍速度取決于物料在湍流與層流流動狀態的臨界點。

齒盤葉輪既借助于距寬齒約50mm處形成強烈的湍流區(消耗攪拌功率)來使顏料團粒互相沖擊達到分散和混合目的,又要利用葉輪上部層流區的黏度剪切力,達到單個顏料團粒自行分散的目的。實驗證明,葉輪的圓周速度v≥20m/s為佳。

(2)各種高效分散盤(葉輪)　近幾十年來,國外學者和有關制造廠針對單軸高速分散機在使用過程中所產生的問題,作了多方面研究,推出了一些新型、高效的葉輪。

① 文丘里分散葉輪　主要是增加葉輪軸向泵送能力,改善混合效果,同時利用某些物理效應(如氣蝕、文丘里作用等)來達到分散顏料團粒的目的。最成功的是英國首創的文丘里葉輪,見圖3?11。利用上、下環及墊片,使葉輪輪緣形成文丘里環口。同時在葉輪上打若干小孔,以在高速旋轉時產生氣蝕作用。文丘里葉輪分散觸變性漆料效果尤佳。

② 多環型葉輪　圖3?12所示的多環型葉輪,適用于分散低黏度漆料,它主要靠“磨損”來分散顏料。其結構為一向下彎曲的平面上下各有兩個同樣彎曲的環,環與環間隙為3.2mm,環內側裝有若干楔型齒。這些齒向逆旋轉方向傾斜,齒前緣產生沖擊作用,齒的后面給物料以徑向推力。物料傘散作用大部分在齒間的環形室內發生,環向下彎曲加速物料徑向朝下流動,促進循環作用。

③ 等剪力葉輪　等剪力葉輪(國外稱CSI葉輪)是新型分散葉輪,它適用的黏度范圍較大。CSI葉輪外表有點像多環型葉輪,是將若干個環堆裝在一圓盤上。獨特之處是運用文丘里原理利用流速差和壓力降來產生高剪力和泵送作用,以分散顏料,其結構見圖3?13(a)。

圖3?13(b)表明CSI的剖面,在狹縫處,由離心力引起的壓力為(13.73~27.52)×10⁴Pa,此壓力足以產生文丘里效應。環隙要與漆料黏度相匹配。在3000~5000mPa·s時,環隙為1mm;8000~10000mPa·s時,環隙為2.5mm;黏度再高,就不適宜使用CSI葉輪了。

CSI葉輪在一些性能上優于其他型葉輪,特別是在低或中等黏度漆料中尤為突出。研磨時,CSI葉輪對顏料的潤濕性要求不高,產生熱量和零件磨損較小,操作時要注意環隙的堵塞。

④ 定子轉子分散葉輪　軸端裝轉子,其形狀可為十字板式或螺旋線盤式。軸外為套筒,筒端為定子,見圖3?14。物料從下面被吸進轉子,并通過定子周邊的縫隙甩出去。物料受到強烈的剪切力,在同一容器中可完成混合分散過程。英國已有此類葉輪的系列商品供應。

(3)SDL高剪切一體化涂料成套設備的配置說明　SDL高剪切一體化涂料成套設備由如下部分構成。

① 進料系統　由粉體進料罐、液體進料罐、真空緩沖罐、真空泵等構成。粉體進料采用真空吸料方式輸送,乳液等液體進料采用負壓完成。該系統的粉體進料罐、液體進料罐可單獨放在原料加入倉,與主體設備分開,通過管道連接進入主體設備。做到主體設備車間無污染,無粉塵飛揚。

② 出料及過濾系統　該系統由空壓機、管道及管接件、袋式過濾器構成。通過壓縮空氣將調漆釜里的物料從袋式過濾器輸送至灌裝機。

③ 制漿系統(乳化系統)　該套系統由制漿反應釜、變頻框式攪拌器、高剪切分散機、臥式砂磨機組合構成。制漿系統無死角、無殘留。漿料的研磨效率高,能達到高檔涂料所要求的細度且分布均勻,系統易清洗。

④ 調漆系統　該系統由調漆釜、減速器、變頻調速器、框式攪拌機組成。調漆釜內壁經拋光處理,可達到較高的光潔度。

⑤ 冷卻系統　由制漿系統和砂磨機夾套冷卻循環水系統組成。

⑥ 管路系統　由拋光的不銹鋼管道、不銹鋼接頭、不銹鋼球閥等組成。

⑦ 電氣控制系統　該系統以PLC為主控器,由液晶顯示器和PLC控制系統組成操作系統,閥門均采用氣動球閥,開啟和關閉閥門可以進行自動控制。工藝參數可在顯示器上方便查看,例如:輸入電功率、研磨機、高速分散機、攪拌器轉速、物料重量等,可以預先設置工藝參數和工藝過程,并可以隨時進行工況調整。控制系統采用WINDOWS界面,可以方便地進行控制操作。此系統可以進行升級,可以與已有的PLC系統整合。主要控制點有:物料的稱重計量、進料、研磨機、高速分散機、攪拌器轉速的調節、出料、灌裝。操作人員在控制臺上可完成對各個工藝過程的控制,用鼠標點擊即可完成。

⑧ 操作平臺　表面鋪鋁合金花紋板,0.8~1m高的不銹鋼扶手,支架部分先噴防銹漆后噴色漆。

⑨ 灌裝系統　一般采用稱重式半自動灌裝機。稱重范圍為0.5~30kg,計量誤差小于10g/桶,灌裝頭采用防滴漏裝置,灌出的乳膠漆無氣泡產生,開灌效果好,配有氣動夾蓋和氣動壓蓋裝置,能非常方便地更換。

⑩ 全自動水處理設備　處理頭采用美國福萊公司生產,離子交換樹脂采用英國漂萊特公司生產,它的功能是晚上置換、白天用水,產水量2t/h。

五、高速分散機工作特點

(1)強勁的離心力將物料從徑向甩入定、轉子之間狹窄精密的間隙中,同時受到離心擠壓、液層摩擦、液力撞擊等綜合作用力,物料被初步分散。

(2)分散機高速旋轉的轉子產生至少15m/s以上的線速度,物料在強烈的液力剪切、液層摩擦、撕裂碰撞等作用下被充分分散破碎,同時通過定子槽高速射出。

(3)分散機物料不斷地從徑向高速射出,在物料本身和容器壁的阻力下改變流向,與此同時在轉子區產生的上、下軸向抽吸力的作用下,又形成上、下兩股強烈的翻動紊流。物料經過數次循環,最終完成分散過程。

高速分散機采用電磁調速、變頻調速和三速等各種規格、運轉穩定有力,適合各種黏度;液壓、機械兩種升降形式,升降旋轉自如,適應各種位置;普通及防爆配置,安全可靠,操作維護簡單;生產連續性強,對物料可進行快速分散和溶解,分散效果好,生產效率高,運轉平穩,安裝簡便。針對不同物料的黏度及處理量有不同的功率及型號。

六、高速分散機的高速剪切分散實現

眾所周知,剪切分散效果跟定轉子間隙的大小是密不可分的。縱使轉速再高,而定轉子間隙不夠小,分散效果終究是有限的。因此討論轉速的前提是,定轉子的間隙足夠小,并且配合精密。

高速中試涂料分散機的動力驅動由電機(二極或四極等)提供,因此定轉子的轉速(驅動轉速)跟電機轉速有關。臥式結構的分散機則完全由電機轉速決定,此時提高轉速的方法是通過調節電機轉速(升頻)實現的。

現在比較處于技術優勢的高速分散機采用立式分體結構,即電機和定轉子主軸之間不直接相連,而是通過一到若干根長短不等的皮帶相連。通過V型傳動來改變轉速比。目前已可以將轉速比提高到4∶1。假如電機轉速為3000r/min,則定轉子的轉速可以達到12000r/min。超過一萬的轉速才是真正意義的高速分散。提高轉速的關鍵技術在于機封的設計和散熱的設計,這是很好理解的,不解決密封和散熱,高速分散是沒有應用價值的。

高速中試涂料分散機的應用前景:應該說高速分散相對于普通分散機(分散盤)或雙行星等分散設備優勢還是相當明顯的,不論分散程度和分散效率都有質的提升。

高剪切成套設備介紹如下。

(1)高剪切設備主機工作原理及工作過程　高速分散機是一高速攪拌機,結構簡單操作方便,在預混分散及調涂料時使用,清洗方便,生產效率高。

① 工作過程概述　在高速旋轉的轉子產生的離心力作用下,物料從工作頭的上下進料區同時從軸向吸入工作腔。

② 工作原理概述　高剪切分散乳化就是高效、快速、均勻地將一個相或多個相分布到另一個連續相中,而通常情況下各個相是互不相溶的。由于轉子高速旋轉所產生的高剪切線速度和高頻機械效應帶來強勁動能,使物料在定、轉子狹窄的間隙中受到強烈的液力剪切、離心擠壓、液層摩擦、撞擊撕裂和湍流等綜合作用,從而使不相同的固相、液相、氣相在相應成熟工藝和適量添加劑的共同作用下,瞬間均勻分散乳化,經過高頻的循環往復,最終得到穩定的高品質產品。

(2)高剪切設備主要特點

① 設備能獨立完成乳化、分散、研磨、細化、冷卻、過濾、真空自動吸料、半自動灌裝等全過程,大大降低勞動強度,該成套設備是傳統成套設備耗時的1/5,縮短了加工時間,并易清洗。

② 在SDL?C型設備的基礎上進一步改進,產量較SDL?C型設備提高2倍以上,是規模較大的涂料生產廠家的首選。

③ 采用該成套設備生產的產品細度比傳統設備進一步細化,分散效果進一步提高,可在真空狀態下操作,無氣泡生產,無粉塵飛揚,產品質量大幅度提高。

(3)SDL?D型高剪切一體化涂料成套生產設備

① 制漿部分　將水通過液體計量器加入到液體原料加入槽,用真空吸入到乳化分散釜內,開動低速錨式攪拌,將粉料用真空吸入到乳化分散罐內連續攪拌10min左右,再開動兩臺立式高剪切乳化機乳化10分鐘,最后開動臥式乳化機連續循環30分鐘后,漿料即制作完畢。

② 調漆部分　用真空將乳液、成膜助劑從液體吸入槽吸入到低速攪拌釜內,開真空將漿料通過袋式過濾器吸入到低速攪拌機將乳液、助劑、漿料攪拌均勻,然后加入助劑(增稠劑等)進行調漆。若需顏色加入色漿即可。

③ 過濾包裝　調好漆后,真空消泡5min,然后停止攪拌,通過袋式過濾器過濾涂料到半自動灌裝機進行包裝。

(4)高剪切設備性能比較　與傳統設備、同類設備比較,具有以下優勢。

① 依照工藝配方通過液體計量器放出需要的水量,稱量準確、操作簡便。

② 鈦白粉、輕鈣、重鈣等粉料從粉體原料槽通過管道真空加入,避免了生產區粉塵污染。

③ 乳化罐內高剪切機采用德國技術生產的乳化頭,設計上在罐內呈一高一低結構,使物料乳化更加充分。

④ 漿料通過臥式高剪切機和靜態混合器循環時的進料頭,采用網狀噴灑結構,使漿料形成散狀結構浮在表面,使漿料循環更為充分,避免死角。

⑤ 釜內爪式高剪切和釜外臥式高剪切粉碎功能的同時作用,保證了物料的進一步細化,并大大縮短操作時間:對超細粉采用高剪切機循環打漿辦法,但對相對粗的粉料采用臥式砂磨機和高剪切機同時使用的辦法,使漿料更為細化;靜態混合冷卻效率高

于夾套式冷卻5~8倍,保證生產過程連續進行。

⑥ 特殊的抽真空設計保證物料在真空狀態下生產,避免了生產過程中氣泡的產生;同時可實現真空自動吸料過程,減輕勞動強度;涂料出料時采用兩個袋式過濾器,使用中可相互切換,不影響灌裝速度。

⑦ 采用德國技術生產的灌裝機,使整條生產線更為經濟、實用、氣派。灌裝生產出來的乳膠漆,開罐效果好,無氣泡產生。

(5)NM?400分散多用機　NM?400型實驗用分散機(多種型號可供選用)見圖3?15。采用電子無級調速,在低調時,力矩恒定。與物料接觸部分均采用不銹鋼制造,配有多種砂磨、分散葉,適用于實驗室試驗用。

技術參數:

電力功率400W;

輸入電源200V,50Hz;

調速范圍0~8000r/min(無級恒力矩);

分散砂磨盤直徑50mm,60mm;

砂磨盤直徑45mm,60mm;

升降行程250mm。