Лако-красочные материалы — производство

Аппараты, используемые для диспергирования пигментов в среде плен — кообразователей, можно подразделить на две большие группы [127]. К первой группе относятся машины с жестко закрепленными рабочими телами, скорость движения которых не зависит от вязкости обрабаты­ваемой пигментной пасты (валковые машины и резикосмесители). 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 тела свободно движутся в пигментной пасте, причем скорость их движения определяет­ся вязкостью пасты (шаровые мельницы, бисерные и песочные мельни­цы, аттриторы и др.). Максимальная эффективность этих аппаратов достигается при определенной (оптимальной) вязкости.

Используемые для получения пигментированных материалов аппара­ты можно классифицировать в зависимости от вязкости перерабатывае­мой на них пигментной пасты [96, с. 257]. Это машины для паст с высо­кой вязкостью (10— 104 Па • с), средней (0,5—10 Па • с) и низкой (менее 0,5 Па • с).

Диспергирование высоковязких паст происходит главным образом за счет возникновения чрезвычайно высоких напряжений сдвига в слое обрабатываемого материала. Высоковязкие системы характеризуются ограниченной подвижностью и требуют 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 дисперсий пигментов в термопластичных полимерах с добавкой пласти­фикаторов. Суховальцованные пасты (чипсы) в течение многих лет ус­пешно применяются для получения эмалей различных цветов на основе поливинилхлорида, поливинилбутираля, коллоксилина и других термо­пластичных пленкообразователей. Получение эмалей с использованием суховальцованных паст сводится к их интенсивному перемешиванию в высокоскоростных смесителях в среде соответствующего растворителя. Для производства суховальцованных паст используют фрикционные вальцы и Ъ — образные смесители.

При обработке на фрикционных вальцах паста постепенно втягивает­ся в зазор между валками, испытывая при зтом значительное давление. 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 С (в кг/ч) может быть выражена уравнением:

(7 = 3 600 7тГ>лЬгр (5.22)

Где £> — диаметр валка, с которого производится съем продукта, м; п — частота вращения валка, с“’; Ь — длина линии съема, т; I — зазор между валками, м; р — 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 охлаждать или нагревать обрабатываемую пасту. Предусматривается также охлаждение валов подачей воды через цапфу. Производительность С (в кг/ч) одночервяч­ной машины при постоянном угле наклона винтовой линии можно при­ближенно определить из уравнения:

С=60 пКРгНрп вт у совср (5.23)

Где к — коэффициент заполнения цилиндра пастой; £> — диаметр червячного вала, м; й — глубина нарезки червяка, м; р — плотность пасты, кг/м3; п — частота вра­щения вала, с"1; <р — угол наклона винтовой линии червяка.

Наиболее эффективны для диспергирования двухчервячные машины с переменным шагом и переменным направлением нарезки червяка. Все эти машины не пригодны для диспергирования высокоабразивных пиг­ментов из-за сильного износа рабочих органов и корпуса.

Для диспергирования пигментных паст со средней вязкостью приме­няются валковые краскотерочные машины (в последние годы весьма ограничено), шаровые мельницы различных конструкций, бисерные дис- пергаторы, аттриторы; начинают использоваться электромагнитные аппа­раты со свободно движущимися рабочими телами.

Валковые краскотерочные машины, которые длительное время яв­лялись основным диспергирующим оборудованием, сейчас используются для изготовления шпатлевок, некоторых масляных красок, художест­венных красок. Краскотерочные валковые машины неболыцой произво­дительности применяются для получения подколеровочных однопиг­ментных паст. 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. Макси­мальная производительность валковой краскотерочной машины достига­ется при отношении частот вращения смежных валков 2,82 [97, с. 319].

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 связующее, явля­ющееся 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 всегоприменяютсямашины с тремя валками. В пятивалковых машинах отношение частот вращения валков значительно ниже оптималь­ного, а скорость съемного валка ограничивается для предотвращения разбрызгивания краски. Применяются (в последнее время также ограни­ченно) одно- и двухвалковые машины. Они предназначены в основном для фильтрования паст. В одновалковых машинах паста подается через загрузочную воронку на валок и при прохождении между ними и перети — рочным брусом подвергается фильтрованию и незначительному диспер­гированию. Перетирочный брус прижимается к валку под давлением до 5 МПа. Валок машины помимо вращательного имеет также и возвратно­поступательное движение, что способствует растиранию агрегатов, по­падающих в зазор между валком и перетирочным брусом. Двухвалковые филирующие машины отличаются тем, что они снабжены дополнитель­ным валком небольшого диаметра, который находится в загрузочном бункере. Этот валок имеет только вращательное движение и прижат к основному рабочему валку. Существенным недостатком валковых ма­шин является невозможность их герметизации, что при бдльшой поверх­ности испарения делает их непригодными для диспергирования паст, со­держащих летучие растворители.

Для диспергирования пигментов в средневязких средах довольно широко применяются в настоящее время шаровые мельницы, особенно мельницы со стальной броней и стальными шарами. Поскольку в резуль­тате намола металла белые пасты в таких мельницах загрязняются, для обработки белых паст применяются мельницы, внутренние полости кото­рых футерованы фарфором, стеатитом или другими материалами, намол которых не вызывает изменения цвета пасты. Соответственно выбирает­ся и материал для изготовления шаров. При трении происходит сильное истирание шаров и футеровки барабана. Для уменьшения износа в бара­бане устанавливают продольные брусья квадратного или круглого сече­ния, приваренные к поверхности барабана. Это способствует также и повышению производительности мельниц.

Поскольку в шаровой мельнице работает только верхний скатыва­ющий слой шаров, резервом повышения ее эффективности является либо вовлечение в действие значительно большего объема шаров, либо увеличение поверхности скатывания. Эти принципы осуществлены в диспергаторах ЛТИ-1 и ЛТИ-2 [97, с. 315]. Диспергатор ЛТИ-1 представ­ляет собой вращающийся барабан, внутри которого неподвижно закреп­лен вал с мешалками. Это позволяет вовлечь в работу всю массу мелющих тел В корпусе диспергатора Л1И-2 имеются перегородки с отверстиями для перетока пигментной пасты, образующие во вращающемся барабане ячейки, которые заполнены мелющими телами. Это позволяет увеличить поверхность скатывания и увеличить эффективность работы такого ап­парата по сравнению с обычной шаровой мельницей.

Необходимость вовлечения максимального количества мелющих тел в эффективную работу измельчения привела к созданию вертикаль­ных — шаровых мельниц с лопастными мешалками, так называемых атгри- торов. Аттритор представляет собой вертикальный цилиндр, заполнен­ный металлическими шарами с размерами От 2 до 15 мм в зависимости от объема контейнера. В аппаратах непрерывного действия применяются шары диаметром 2—3 мм. Внутри корпуса вращается вал с лопастями, имеющими круглое сечение и расположенными на валу по спирали. Име­ются модели аттриторов как с верхним, так и с нижним приводом ме­шалки. Мешалка вращается с частотой 1—5 с-1. Контейнер аттритора оснащен рубашкой для регулирования температуры паст. Очень часто для поддержания необходимой вязкости в начальном периоде работы аттритора рубашку используют для разогрева пасты до 60—70 °С (конеч­но, если позволяет состав пасты) с целью понижения вязкости без умень­шения пигментного наполнения или сухого остатка пленкообразователя. В установившемся режиме осуществляют отвод теплоты ввиду сильного разогрева аттритора. Регулирование вязкости необходимо, чтобы устра­нить вовлечение во вращение с той же частотой, что и мешалка, всего со­держимого аппарата.

Используются аггриторы как периодического, так и непрерывного действия. Аттриторы являются эффективными диспергирующими аппа­ратами, однако их широкому применению препятствует чрезвычайно сильный износ мелющих тел и контейнера. Они непригодны для диспер­гирования паст, содержащих абразивные пигменты, и для получения эмалей светлых тонов. Наиболее широкое распространение аттриторы получили для диспергирования полиграфических красок, в частности, черных типографских красок, пигментированных техническим углеро­дом, — труднодиспергируемым, но неабразивным пигментом.

Основным типом диспергирующего оборудования, применяемого для получения пигментированных материалов, в настоящее время явля­ются бисерные диспергаторы. Они состоят из контейнера, расположенно­го вертикально (в последнее время появились бисерные машины и с горизонтальным расположением контейнера) и заполненного мелющими телами с размерами от 0,6 до 3 мм, которые приводятся в движение установленными на валу дисковыми мешалками различной конструк­ции. Мелющими телами служат шарики из стекла, стали, фарфора, карби­да вольфрама, силикокальцита, оксида циркония и других материалов, стойких к износу; в качестве мелющих тел используют также кварцевый песок с размерами частиц 0,6—1,2 мм. Частота вращения вала с мешалка­ми меняется от 8 до 40 с“1 в зависимости от диаметра контейнера. Кон­тейнеры бисерных машин оснащены рубашками для регулирования температуры. В промышленности бисерные диспергаторы работают всегда в непрерывном режиме.

Сравнительно недавно разработаны [98] аппараты для диспергирова­ния пигментов в связующих с использованием энергии магнитных рабо­чих тел, движущихся под действием переменного магнитного поля. Та­кие аппараты были названы электромагнитными измельчителями (ЭМИ). Аппарат состоит [98] из цилиндрического контейнера, заполнен­ного мелющими телами, в качестве которых используются сферические магниты из керамики на основе гексаферрита бария; диаметр мелющих тел 1,5—5 мм. Рабочая камера имеет электрическую обмотку, состоящую из отдельных секций, и контур водяного охлаждения, выполненный в виде змеевика. Степень защиты ЭМИ допускает его эксплуатацию во взрывоопасных помещениях. Под действием переменного тока в объеме рабочей камеры создается переменное магнитное поле, воздействующее на каждый рабочий элемент. При определенных параметрах магнитного поля каждый рабочий элемент вращается с частотой, равной частоте создаваемого индуктором поля. Подаваемый насосом материал в рабо­чей камере подвергается воздействию мелющих тел, интенсивно движу­щихся по сложным траекториям, диспергируется и сливается через вы­ходной патрубок.

Достоинствами аппаратов подобного типа является отсутствие дви­жущихся механических частей, отсутствие вибраций и практическая бес­шумность в работе, герметичность рабочей камеры, простота обслужива­ния и эксплуатации. Аппарат может применяться для диспергирования труднодиспергируемых пигментов.

Для диспергирования низковязких пигментированных материалов используются различного типа быстроходные мешалки. Наибольшее распространение получили дисковые мешалки, называемые дисольвера- ми. Рабочий орган таких мешалок — импеллер — представляет собой диск с отогнутыми в противоположные стороны зубцами, которые сообщают среде движение, направленное под углом к касательной диска, равным 30—50°. Частота вращения мешалки может достигать 50 с-1 при окружной скорости периферии диска до 2000 м/мин. Современные дисольверы оснащаются вариаторами для изменения частоты вращения рабочего органа на разных стадиях процесса диспергирования. Зона наи­более высокой турбулентности и соответственно наиболее интенсивного диспергирования находится вблизи периферии диска, на расстоянии не более 50 мм. Остальной объем материала подвергается хорошему пере­мешиванию.

Дисольверы как непрерывного, так и периодического действия ис­пользуются для предварительного смешения пигментов и пленкообразо — вателей, осуществления процессов смачивания и предварительной дезаг­регации перед подачей пигментной пасты в бисерные диспергаторы. Применяют их также для смещения пасты, выходящей из бисерного дис — пергатора, с недостающими ДО рецептурного количествами пленкообра — зователя и растворителя. Дисольверы могут служить и самостоятельными диспергирующими аппаратами в том случае, если не требуется высокой степени дисперсности. Нельзя использовать дисольверы для обработки пигментных паст, склонных к тиксотропии, так как в этом случае воз­можно неполное вовлечение пасты в рабочую зону.

Для диспергирования низковязких паст можно использовать также коллоидные мельницы и аппараты „Кейди-Милл” [96, с. 281]. В колло­идных мельницах пигментная. дисперсия поступает в пространство перед ротором. Под влиянием центробежных сил дисперсия проталкивается в узкий конический зазор между ротором и статором, где под действием сдвиговых усилий происходит диспергирование пигмента. Частота враще­ния ротора коллоидных мельниц очень велика — 50—300 с~1. Это вызы­вает весьма сильный износ рабочих органов. Действие аппаратов „Кейди — Милл” основано на том, что дисперсия вталкивается в центральное отвер­стие дискового ротора и через пазы, направленные под небольшим углом к его радиусу, выбрасывается под действием центробежных сил. Выхо­дящая из пазов ротора дисперсия ударяется с большой силой о кольце­вой статор, при этом происходит разрушение пигментных агрегатов. Через радиальные щели статора дисперсия поступает в емкость, в которую по­гружена диспергирующая головка. Частота вращения ротора 90—270 с-1. Элементы диспергирующей головки быстро изнашиваются даже при дис­пергирования слабоабразивных пигментов. Коллоидные мельницы и аппа­раты „Кейди-Милл” в настоящее время применяются весьма ограниченно.