Лабораторная бисерная мельница с горизонтальным стержнем: принцип работы, выбор среды и применение

A лабораторная горизонтальная бисерная мельница , также известная как лабораторная нанопесчаная мельница или горизонтальная мельница мокрого измельчения, предназначена для тонкого измельчения, деагломерации, диспергирования и уменьшения размера частиц в жидкой среде.

Его обычно используют, когда обычное смесительное оборудование не может обеспечить достаточную энергию сдвига или когда вращающейся шаровой мельнице требуется слишком много времени для достижения желаемой крупности. Комбинируя горизонтальную камеру измельчения, высокоскоростной ротор со штифтом и мелкие мелющие шарики, машина может перерабатывать множество суспензий в мелкие, однородные и стабильные дисперсии.

Однако конечный размер частиц зависит не только от машины. Диаметр мелющих тел, материал шариков, скорость ротора, концентрация суспензии, вязкость, время циркуляции, эффективность охлаждения и совместимость материалов – все это влияет на результат.

В этом руководстве объясняется, как работает лабораторная бисерная мельница с горизонтальным стержнем, как выбирать мелющие тела, как оптимизировать процесс мокрого помола и что покупатели должны подтвердить перед выбором машины.

Что такое лабораторная бисерная мельница с горизонтальным стержнем?

Лабораторная горизонтальная шаровая мельница представляет собой машину мокрого помола с цилиндрической камерой измельчения, установленной в горизонтальном положении. Камера частично заполнена мелкими мелющими шариками, а внутри камеры вращается ротор, снабженный стержнями и штифтами.

Во время работы насос перекачивает приготовленную суспензию в камеру измельчения. Ротор ускоряет мелющие шарики, заставляя их сталкиваться друг с другом и многократно взаимодействовать со взвешенными частицами.

Уменьшение размера частиц происходит за счет нескольких действий.:

• Влияние: Шарики сталкиваются с частицами и разрушают хрупкие агломераты.
• Потертость: Скользящий контакт между шариками изнашивает поверхности частиц.
• сдвиг: Высокие градиенты скорости отделяют агломерированные или слоистые частицы.
• Сжатие: Частицы, попавшие между движущимися шариками, испытывают многократное давление.

В отличие от традиционной барабанной шаровой мельницы, сама камера измельчения остается неподвижной. Энергия подается через высокоскоростной ротор, что позволяет оператору регулировать интенсивность измельчения, не меняя вращения камеры.

Зачем использовать горизонтальную камеру?

Горизонтальное расположение помогает распределить мелющие зерна по камере и обеспечивает непрерывный поток суспензии от входа к выходу. Это особенно полезно для обработки порошков высокой плотности, которые могут быстро оседать в жидкости.

Правильно спроектированная горизонтальная система может обеспечить:

• Стабильная циркуляция мелющих тел
• Непрерывный или рециркуляционный режим работы
• Регулируемый вход энергии
• Контролируемое время пребывания
• Эффективное охлаждение камеры
• Удобная разработка лабораторных процессов
• Практический путь от лабораторных испытаний к более крупному производственному оборудованию

Как работает бисерная мельница с горизонтальным штифтом?

Этап 1: Приготовление раствора

Необработанный порошок сначала необходимо диспергировать в подходящем жидком носителе. В зависимости от материала жидкостью может быть вода, этанол, другой совместимый растворитель, масло, смола или специально разработанная технологическая среда.

Для улучшения смачивания порошка и предотвращения повторной агломерации частиц после измельчения можно вводить диспергаторы, смачиватели, стабилизаторы или другие добавки.

Прежде чем суспензия попадет в бисерную мельницу, операторы должны оценить:

• Начальный размер частиц исходного сырья
• Твердая концентрация
• Вязкость суспензии
• Химическая совместимость
• Чувствительность к температуре
• Требуемый конечный размер частиц
• Допустимый уровень загрязнения

Очень крупные частицы корма обычно следует предварительно измельчать или диспергировать. Частицы слишком большого размера могут заблокировать насос, повредить сепарационный экран или снизить эффективность измельчения.

Этап 2: Подача и перемешивание шариков

Подающий насос перекачивает суспензию в горизонтальную камеру с контролируемой скоростью потока. Когда ротор вращается, структура стержня ускоряет мелющие бусинки и обеспечивает их интенсивное движение.

Скорость ротора влияет на энергию каждого столкновения. Увеличение скорости может улучшить интенсивность измельчения, но также может увеличить температуру суспензии, износ валиков, износ камеры и энергопотребление.

Поэтому наилучшая рабочая скорость не всегда является максимально доступной скоростью. Его следует выбирать в зависимости от твердости материала, диаметра шариков, вязкости суспензии, заданной крупности и охлаждающей способности.

Этап 3: Уменьшение и диспергирование частиц

Когда суспензия проходит через активную зону измельчения, частицы неоднократно подвергаются ударам, сжатию, трению и сдвигу.

Крупные агломераты сначала разбиваются на более мелкие кластеры. Дальнейшее измельчение может привести к уменьшению отдельных частиц или отдельных прочно связанных структур, в зависимости от материала.

Хрупкие неорганические материалы часто восстанавливаются в основном за счет удара и сжатия. Пигменты, углеродные материалы и слоистые частицы могут потребовать большего сдвига и истирания. Мягкие или чувствительные к температуре материалы требуют более бережного энергопотребления и более эффективного охлаждения.

Этап 4: Отделение шариков и выпуск продукта

На разгрузочном конце прецизионный сепаратор удерживает мелющие шарики внутри камеры, позволяя обработанной суспензии покидать мельницу.

Отверстие сепаратора должно быть меньше мелющих шариков, но достаточно большим, чтобы поддерживать стабильный поток продукта. Неподходящий или заблокированный сепаратор может привести к чрезмерному давлению в камере, уменьшению потока, повышению температуры или утечке мелющих тел.

Готовую суспензию можно собирать сразу после одного прохода или возвращать в циркуляционный резервуар для дополнительного измельчения.

Типовые технические параметры лабораторной бисерной мельницы

Лабораторные бисерные мельницы доступны с различным объемом камеры, мощностью двигателя, конструкцией ротора и конфигурацией материалов. Следующие цифры представляют собой общие эталонные диапазоны, а не спецификации для каждой модели.

Окончательная конфигурация машины должна быть подтверждена с учетом фактического порошка, жидкой среды, вязкости, температуры, количества партии и целевого распределения частиц по размерам.

Применение лабораторной бисерной мельницы с горизонтальным стержнем

Аккумуляторы и материалы для хранения энергии

Мокрое измельчение и диспергирование широко используются при разработке материалов для литий-ионных аккумуляторов, твердых электролитов, проводящих добавок и электродных суспензий.

Типичные материалы включают в себя:

• Литий-железо-фосфат
• Никель-марганцево-кобальтовые материалы
• Оксид лития-кобальта
• Анодные материалы на основе кремния
• Графит и графен
• Технический углерод и углеродные нанотрубки
• Керамические твердоэлектролитные порошки

Целью может быть уменьшение размера частиц, деагломерация, диспергирование проводящих добавок или приготовление более однородной суспензии. Необходимо тщательно учитывать загрязнение от шариков и материалов камеры, поскольку следы примесей могут повлиять на электрохимические характеристики.

Пигменты, покрытия и печатные краски

Пигменты часто образуют агломераты, которые снижают интенсивность цвета, блеск, прозрачность и стабильность при хранении. Бисерная мельница может разбить эти агломераты и более равномерно распределить пигмент по жидкой фазе.

Общие примеры включают в себя:

• Дисперсии диоксида титана
• Железооксидные пигменты
• Органические цветные пигменты
• Керамические чернила
• Составы для струйной печати
• Автомобильные и промышленные покрытия
• Защитные и функциональные покрытия

Процесс следует оптимизировать в соответствии с твердостью пигмента, системой смол, растворителем, вязкостью, требуемой тонкостью и конечным применением.

Керамические и электронные материалы

Мелкие и равномерно диспергированные керамические частицы важны для эффективности спекания, стабильности суспензии, качества покрытия и электрических свойств.

Лабораторные бисерные мельницы могут использоваться для:

• Шламы оксида алюминия и циркония
• Диэлектрические керамические порошки
• Электронные пасты
• Проводящие серебряные или медные пасты
• Полировальные суспензии
• Магнитные материалы
• Пьезоэлектрические материалы
• Терморегулирующие материалы

Контактные детали с керамической футеровкой или циркониевым покрытием могут быть выбраны, когда необходимо свести к минимуму металлические загрязнения.

Фармацевтические и косметические составы

Измельчение в мокрой среде можно использовать при исследовании плохо растворимых активных ингредиентов, суспензий, кремов и других составов, требующих контролируемого размера частиц.

Для этих применений материал оборудования, процедуры очистки, контроль температуры, износ валиков, перекрестное загрязнение и технологическая документация должны быть оценены в соответствии с собственными нормативными требованиями и требованиями пользователя.

Углеродные материалы и дисперсии наноматериалов

Углеродные нанотрубки, графен, технический углерод и другие материалы на основе углерода могут образовывать прочные агломераты из-за их большой площади поверхности.

Контролируемый процесс дробления может помочь распределить эти материалы в воде, растворителе, смоле или другом носителе. Следует избегать чрезмерного фрезерования, поскольку оно может повредить форму или соотношение сторон чувствительных углеродных структур.

Дополнительные исследовательские приложения

• Катализаторы и носители катализаторов
• Агрохимические суспензии
• Минеральные и керамические дисперсии
• Функциональные наночастицы
• Полировальные пасты
• Огнезащитные добавки
• Составы клеев и герметиков
• Специализированная химическая продукция

Как выбрать мелющие тела для бисерной мельницы

Выбор мелющих тел напрямую влияет на эффективность измельчения, загрязнение, скорость износа, температуру и эксплуатационные расходы.

Бусины из циркония, стабилизированного иттрием

Шарики циркония, стабилизированные иттрием, широко используются для тонкого мокрого шлифования, поскольку они сочетают в себе высокую плотность, высокую твердость и хорошую износостойкость.

Их обычно считают за:

• Материалы батареи
• Электронная керамика
• Высокоэффективные пигменты
• Фармацевтические исследования
• Высокочистые функциональные материалы
• Субмикронное и нанометровое шлифование

Их высокая плотность обеспечивает более высокую энергию столкновения, чем шарики из стекла или оксида алюминия с меньшей плотностью того же размера. Однако стоимость выше, а загрязнение цирконием все равно необходимо оценивать для чрезвычайно чувствительных материалов.

Высокоглиноземистые керамические бусины

Шарики из глинозема представляют собой более экономичный вариант для измельчения керамики, минералов, пигментов и общепромышленного измельчения.

Они могут подойти, когда:

• Незначительное загрязнение алюминием допускается.
• Целевой размер частиц находится в микронном или субмикронном диапазоне.
• Эксплуатационные расходы являются важным фактором
• Сам продукт уже содержит глинозем

Гранулы оксида алюминия, как правило, не являются предпочтительными для продуктов, требующих чрезвычайно низкого загрязнения алюминийсодержащими материалами.

Стеклянные бусины

Стеклянные шарики экономичны и могут использоваться для предварительного диспергирования, более мягких материалов, обработки биологических образцов и для применений, не требующих чрезвычайно высокой энергии удара.

Поскольку стекло имеет меньшую плотность и меньшую износостойкость, чем диоксид циркония, оно обычно больше подходит для целей средней крупности и менее абразивных материалов.

Бусины из нержавеющей стали

Шарики из нержавеющей стали обеспечивают высокую плотность и сильную энергию удара. Они могут быть полезны для некоторых металлических порошков, пигментов и промышленных материалов, где допустимо загрязнение железом, хромом или никелем.

Их обычно следует избегать, если металлические загрязнения могут повлиять на характеристики продукта, химический анализ, электрические свойства, цвет или чистоту.

Диаметр шариков и целевой размер частиц

Меньшие шарики обеспечивают больше точек контакта в пределах того же объема камеры и, как правило, более эффективны для мелких частиц. Крупные шарики обеспечивают более сильные индивидуальные удары и больше подходят для крупных частиц корма.

Эти диапазоны являются лишь начальными ссылками. Окончательный выбор должен быть подтвержден путем испытания материала, поскольку размер исходного материала, твердость, вязкость, конструкция ротора и система диспергирования могут изменить соответствующий диаметр шариков.

Ключевые параметры процесса мокрого бисерного фрезерования

1. Размер частиц корма

Частицы исходного материала должны быть достаточно мелкими, чтобы попасть в камеру и пройти через слой шариков. Крупные частицы могут засорить сепаратор или создать нестабильное давление.

Перед тонким бисерным помолом может потребоваться предварительное диспергирование, предварительное дробление или грубое измельчение.

2. Концентрация суспензии

Увеличение концентрации твердого вещества может улучшить производительность за партию, но также увеличивает вязкость, температуру, нагрузку насоса и гидравлическое сопротивление.

Чрезмерно разбавленная суспензия может перерабатываться гладко, но обеспечивает низкую эффективность производства. Чрезмерно концентрированная суспензия может не циркулировать должным образом в камере.

Правильная концентрация должна уравновешивать:

• Частота контакта частиц
• Прокачиваемость
• Выработка тепла
• Стабильность дисперсии
• Требуемая пропускная способность
• Окончательная рецептура продукта

3. Вязкость суспензии

Вязкость влияет на движение шариков, расход насоса, давление в камере и эффективность охлаждения. Слишком вязкая суспензия может ограничить движение шариков и создать чрезмерную механическую нагрузку.

Вязкость следует измерять при соответствующих условиях температуры и сдвига, поскольку некоторые составы существенно изменяются в процессе обработки.

4. Коэффициент наполнения шариков

Камера должна содержать достаточно шариков, чтобы обеспечить частое взаимодействие частиц со средой. Однако чрезмерная нагрузка шарика может увеличить давление, ток двигателя, нагрев и нагрузку на сепаратор.

Многие лабораторные бисерные мельницы работают с высоким коэффициентом заполнения шариков, но точный метод загрузки должен соответствовать инструкциям для выбранной машины, камеры, ротора и материала шариков.

5. Скорость ротора

Скорость ротора контролирует ускорение шарика и подачу энергии. Более высокая скорость может сократить время шлифования, но также может привести к:

• Более быстрое повышение температуры
• Повышенный износ бортов и камеры
• Повышенное загрязнение
• Чрезмерное пенообразование
• Изменения в чувствительных материалах
• Ненужное энергопотребление

Разработка процесса обычно должна начинаться с умеренной скорости. Затем скорость можно постепенно увеличивать, контролируя размер частиц, температуру, давление и нагрузку двигателя.

6. Скорость потока и время пребывания

Высокая скорость потока сокращает время, в течение которого суспензия остается в камере. Это может увеличить производительность, но уменьшить объем измельчения, выполняемого за каждый проход.

Более низкая скорость потока увеличивает время пребывания, но также может повысить температуру и снизить производительность.

Поэтому скорость потока следует оптимизировать вместе со скоростью ротора и количеством проходов циркуляции.

7. Однопроходной режим и режим рециркуляции.

Горизонтальную бисерную мельницу можно эксплуатировать двумя распространенными способами.

Режим работы	Описание процесса	Типичное использование
Однопроходная операция	Пульпа проходит через камеру один раз и собирается	Высокая производительность, предварительное измельчение или умеренная крупность.
Операция рециркуляции	Продукт возвращается в резервуар и повторно проходит через камеру.	Более мелкие частицы, более узкое распределение и мониторинг процесса с течением времени

Рециркуляция часто полезна во время лабораторных разработок, поскольку образцы можно брать в разное время, чтобы определить, как изменяется размер частиц при накоплении энергии.

8. Контроль температуры

Мокрое измельчение преобразует большую часть энергии двигателя в тепло. Без достаточного охлаждения температура суспензии может быстро повыситься.

Чрезмерная температура может вызвать:

• Испарение растворителя
• Деградация полимера или смолы
• Изменения вязкости
• Потеря эффективности диспергатора
• Окисление порошка
• Реагломерация частиц
• Разложение чувствительных ингредиентов

Поэтому охлаждающая рубашка вокруг камеры измельчения является важным компонентом. Операторы должны контролировать температуру как на входе, так и на выходе и при необходимости регулировать охлаждающую воду, скорость потока, скорость ротора и загрузку твердых частиц.

Шариковая мельница со стержневыми штифтами по сравнению с другим оборудованием для мокрой обработки

Ни одна технология не является лучшей для каждого материала. Правильный выбор зависит от того, является ли целью крупное диспергирование, деагломерация, тонкое измельчение, разрушение клеток, эмульгирование или непрерывная обработка в промышленных масштабах.

Переход от лабораторных испытаний к производству

Одним из преимуществ лабораторного измельчения шариков является то, что этот процесс может дать полезные данные для выбора более крупного пилотного или производственного оборудования.

Однако масштабирование не должно основываться только на объеме камеры. Камера большего размера меняет поведение потока, площадь охлаждения, время пребывания, потребляемую мощность и циркуляцию материала.

Важные параметры, которые следует регистрировать во время лабораторных исследований, включают::

• Объем камеры
• Окружная скорость ротора
• Фактическая нагрузка двигателя
• Материал и диаметр шлифовальных валиков
• Коэффициент заполнения шариков
• Гранулометрический состав корма
• Концентрация и вязкость суспензии
• Скорость потока
• Количество циркуляционных проходов
• Температура на входе и выходе
• Время шлифования
• Окончательные значения D10, D50 и D90

При переходе на более крупную машину производители обычно сравнивают окружную скорость ротора, загрузку шариков, размер носителя, удельную потребляемую энергию, время пребывания, охлаждающую способность и пропускную способность.

Лабораторные результаты могут стать важной отправной точкой, но пилотные испытания все еще могут быть необходимы для дорогостоящих материалов, сложных составов, продуктов с высокой вязкостью или строгих требований к размеру частиц.

Рекомендации по техническому обслуживанию и эксплуатации

Перед запуском машины

• Убедитесь, что камера и сепаратор чистые.
• Убедитесь, что выбранные шарики совместимы с сепаратором.
• Убедитесь, что нагрузка борта находится в рекомендуемом диапазоне.
• Убедитесь, что охлаждающая вода подключена и течет.
• Убедитесь, что направление насоса и настройка расхода правильны.
• Проверьте все шланги, уплотнения, клапаны и соединения на предмет утечек.
• Убедитесь, что суспензия была предварительно диспергирована должным образом.
• Убедитесь, что частицы слишком большого размера удалены.

Во время работы

• Контролируйте ток двигателя и давление в камере.
• Запишите температуру на входе и выходе.
• Наблюдайте за изменениями скорости потока и вязкости суспензии.
• Отбирайте образцы через запланированные промежутки времени.
• Остановите машину, если возникнет необычный шум, вибрация, давление или температура.
• Не позволяйте камере измельчения работать без достаточного количества жидкости.

Очистка между материалами

Требования к очистке зависят от продукта и приемлемого уровня перекрестного загрязнения. Базовый процесс очистки может включать опорожнение камеры, циркуляцию совместимой чистящей жидкости, удаление шариков и очистку сепаратора и внутренних контактных частей.

Для применений высокой чистоты, фармацевтики, пищевой промышленности, электроники или производства нескольких продуктов могут потребоваться специальные шарики, специальные контактные детали или проверенная процедура очистки.

Проверка шлифовального валика

В процессе эксплуатации мелющие бусины постепенно изнашиваются. Изношенные шарики могут стать меньше, иметь неправильную форму или сломаться, что снижает эффективность измельчения и увеличивает риск засорения сепаратора.

Регулярно проверяйте шарики и при необходимости заменяйте их.:

• Средний диаметр значительно уменьшился
• Наблюдается большое количество битых бусин.
• Загрязнение продукта увеличивается
• Время шлифования становится заметно дольше
• Давление в камере повышается при неизменных условиях

Распространенные проблемы и решения бисерных мельниц

Как правильно выбрать лабораторную бисерную мельницу

Надежный процесс выбора должен начинаться с требований к материалу и процессу, а не с максимальной мощности двигателя или скорости ротора.

Определите цель шлифования

Подтвердите, является ли основной целью:

• Деагломерация
• Микронное измельчение
• Субмикронное шлифование
• Подготовка наноматериалов
• Дисперсия пигмента
• Гомогенизация суспензии
• Разработка мелкосерийной рецептуры
• Масштабирование процесса

Оцените материал

• Как называется материал и состав?
• Является ли оно твердым, хрупким, мягким, волокнистым, липким или абразивным?
• Каков первоначальный размер корма?
• Каков требуемый конечный размер частиц?
• Чувствителен ли материал к нагреву или окислению?
• Может ли он вступить в реакцию с выбранной жидкостью?
• Какие загрязнения недопустимы?

Подтвердите условия процесса

• Требуемое количество образцов на партию
• Твердая концентрация
• Вязкость суспензии
• Жидкий носитель или растворитель
• Однопроходной режим или режим рециркуляции
• Требуемая ежедневная пропускная способность
• Условия охлаждающей воды
• Доступное электроснабжение
• Место для установки

Подтвердите конфигурацию машины

• Объем камеры измельчения
• Мощность двигателя и диапазон регулирования скорости
• Геометрия ротора
• Материал камеры и ротора
• Тип сепаратора и минимальный размер буртика
• Тип насоса и диапазон регулирования расхода
• Конструкция рубашки охлаждения
• Мониторинг температуры и давления
• Метод очистки и разборки
• Варианты, совместимые с растворителями или взрывозащищенные, при необходимости

Часто задаваемые вопросы

Может ли лабораторная бисерная мельница производить наночастицы?

Это может помочь некоторым материалам достичь нанометрового диапазона, но результат зависит от свойств материала, размера исходного сырья, диаметра шариков, плотности шариков, скорости ротора, времени измельчения, диспергирующей системы, температуры и метода измерения. Результаты нанометров не могут быть гарантированы без тестирования материала.

Всегда ли шлифовальная бусина меньшего размера лучше?

Нет. Шарики меньшего размера обеспечивают больше точек контакта, но меньше энергии при каждом отдельном столкновении. Если частицы сырья слишком велики или материал очень твердый, очень маленькие шарики могут не обеспечить достаточную энергию удара.

Чем отличается бисерная мельница от песочной мельницы?

Эти термины часто используются для обозначения аналогичного оборудования для мокрого измельчения. В современных прецизионных системах вместо природного песка обычно используются керамические, циркониевые, стеклянные или стальные шарики, но «песчаная мельница» остается широко используемым отраслевым названием.

Можно ли использовать органические растворители?

Некоторые машины могут обрабатывать совместимые органические растворители, но перед работой необходимо оценить требования к уплотнениям, шлангам, насосу, камере, системе охлаждения, электрическим компонентам, вентиляции, заземлению и взрывозащите.

Сколько мелющих тел следует добавлять?

Многие горизонтальные бисерные мельницы используют относительно высокий коэффициент заполнения камеры, но точное количество зависит от конструкции камеры, ротора, плотности, диаметра и материала гранул. Всегда следуйте инструкциям по загрузке для выбранной модели.

Следует ли использовать однопроходное или рециркуляционное измельчение?

Однопроходной режим подходит для более высокой производительности или средней крупности. Рециркуляция больше подходит для разработки процессов, более мелких частиц и приложений, требующих повторного отбора проб и более узкого распределения частиц по размерам.

Почему температура продукта повышается при измельчении?

Удар, сдвиг, трение и движение жидкости преобразуют механическую энергию в тепло. Температуру можно контролировать с помощью рубашки охлаждения, снижения скорости ротора, снижения вязкости, регулирования скорости потока или поэтапной обработки.

Как можно уменьшить загрязнение?

Выберите совместимые шарики, материалы ротора, облицовку камеры, уплотнения и насосы. При необходимости используйте специальные контактные детали, следите за износом бортов и избегайте условий эксплуатации, вызывающих чрезмерный механический износ.

Заключение

A лабораторная горизонтальная бисерная мельница представляет собой гибкую систему мокрого измельчения и диспергирования пигментов, аккумуляторных материалов, керамики, электронных материалов, фармацевтических препаратов, углеродных материалов и других современных порошков.

Его производительность зависит от всего процесса, а не от одной спецификации машины. Материал шариков, диаметр шариков, скорость ротора, концентрация суспензии, вязкость, скорость потока, время циркуляции, контроль температуры и конструкция сепаратора должны работать вместе.

Лучший способ выбрать и оптимизировать бисерную мельницу — начать с характеристик материала и целевого размера частиц. Контролируемые лабораторные испытания позволяют затем определить подходящие мелющие тела, конфигурацию камеры и параметры процесса, прежде чем переходить к пилотному или промышленному оборудованию.