Руководство по контролю размера частиц в трехвалковой мельнице
Проблемы с размером частиц в пигментированных пастах, электронных материалах, косметических кремах и жидкостях для аккумуляторов редко проявляются как одно число. Образец может соответствовать заданному размеру частиц, но при этом иметь полосы, плохой блеск, непостоянный цвет или хвост из крупных агломератов. Для разработчиков рецептур, работающих с пастами высокой вязкости, трехвалковая мельница остается практичным инструментом, поскольку она обеспечивает интенсивный сдвиг в тонкой пленке и дает оператору прямой контроль над траекторией пленки. Проблема заключается в том, что параметры зазора, передаточное число, реология пасты, температура валков и количество проходов взаимодействуют. Изменение, улучшающее тонкость помола, также может сделать пасту слишком горячей, жесткой или слишком нестабильной для следующего этапа процесса.
В этом руководстве основное внимание уделяется техническим решениям, которые определяют, решит ли трехвалковый стан проблему диспергирования. Оно предназначено для лабораторных исследователей, инженеров-материалистов, техников-технологов и покупателей оборудования, которым необходимо оценить процесс нанесения пасты, а не сравнивать каталожные номера. Обсуждение применимо к принципу трех валков в целом; Фактические размеры валков, мощность привода, конструкция охлаждения и материалы, контактирующие с продуктом, должны быть подтверждены для конкретной машины. Электрический ток TENCAN трехвалковый стан предоставляет ориентир для описанной здесь конфигурации продукта.
Что на самом деле делает трехвалковая мельница в процессе пасты
Трехвалковый стан имеет три горизонтальных валка, закрепленных на жесткой раме. Подающий фартук, концевые пластины, съемное лезвие и устройство охлаждения различаются в зависимости от конструкции, но принцип работы один и тот же: паста удерживается на валках, в то время как валки вращаются с контролируемой скоростью поверхности. Первый захват забирает материал из зоны подачи, центральный валок переносит пленку ко второму зажиму, а съемное лезвие снимает обработанную пленку с переднего рулона. Каждый валок может иметь свою собственную скорость, а разница скоростей между соседними валками создает сдвиг в зоне контакта.
Машина не является блендером с прикрепленными роликами. Его полезная работа происходит в узкой области, где паста проталкивается через сужающийся зазор, а затем расщепляется на тонкие пленки. В этой области агломераты смачиваются, растягиваются и разделяются сдвиговым и растягивающим течением. Время пребывания в зоне контакта короткое, поэтому общий результат зависит от повторных проходов, толщины пленки и способности пасты смачивать и прилипать к валкам. Если паста соскальзывает, капает или не переносится с одного рулона на другой, установка зазора сама по себе не обеспечит хорошего диспергирования.
Трехвалковая мельница наиболее полезна для высоковязких паст, кремов, пигментированных дисперсий и подобных продуктов, которые могут образовывать устойчивую пленку на валке. Это не сухой измельчитель, и он не является лучшим выбором для суспензии с низкой вязкостью, которая стекает с валков до того, как достигнет зоны захвата. Для измельчения сухого порошка обычно более подходит струйная мельница, шаровая мельница или другая система сухого измельчения. Для суспензии с низкой вязкостью лучше использовать бисерную мельницу или диспергатор с высоким усилием сдвига, чтобы удерживать материал в зоне обработки.
По сравнению с мельницей со средами, в трехвалковой мельнице не используются мелющие шары. Это упрощает очистку и позволяет избежать износа бортов как источника загрязнения, но это также означает, что машина использует реологию пасты и контакт с валками, а не слой движущейся среды. По сравнению с высокоскоростным диспергатором, он может прикладывать гораздо более высокий локальный сдвиг к вязкой пасте, но обычно требует предварительного смешивания и может потребоваться несколько проходов. Правильный выбор зависит от состояния сырья, целевого размера частиц, термочувствительности, размера партии и стандарта очистки, которого требует продукт.
Как уменьшается размер частиц между тремя валками
Слово «измельчение» может ввести в заблуждение применительно к трехвалковой мельнице. Во многих процессах изготовления пасты первичные частицы уже мелкие; проблема в том, что они связаны в агломераты или плохо смачиваемые кластеры. Первая задача мельницы — смочить эти кластеры и разорвать контакты между частицами. Вторая задача — равномерно распределить частицы по транспортному средству. Если состав плохо смачивается или агломераты прочные, мельнице может потребоваться больше проходов, другой диспергатор или более высокая история сдвига, чем могут обеспечить валки.
Настройка зазора часто обсуждается так, как если бы это была настройка размера частиц. Это не. Зазор контролирует толщину пленки и интенсивность поля сдвига, но конечный размер частиц зависит от вязкости пасты, скорости прокатки, прочности агломерата и количества проходов. Слишком широкий зазор может оставить нетронутыми крупные агломераты. Слишком узкий зазор может привести к истощению зажима, чрезмерному нагреву или контакту с валками. Полезной настройкой является та, которая обеспечивает стабильную пленку и измеримое улучшение тонкости помола без превышения пределов температуры или вязкости пасты.
Расщепление пленки после зажима также имеет значение. Когда паста покидает зазор, она растягивается и расщепляется, что помогает отделить смоченные, но не полностью диспергированные частицы. Это одна из причин, по которой трехвалковая мельница может улучшить блеск и цвет, даже если средний размер частиц меняется незначительно. Эффект наиболее выражен, когда паста имеет достаточный предел текучести, чтобы оставаться в рулоне, и достаточную подвижность, чтобы течь в зазор. Слишком жесткая паста может треснуть; слишком жидкая паста может сбежать из рабочей зоны.
Есть пределы. Трехвалковая мельница может разрушать агломераты и уменьшать некоторые частицы, но она не является классификационным устройством. Он не удаляет грубые хвосты, если условия обработки действительно не разрушают эти частицы. Твердые кристаллические материалы, абразивные наполнители и крупная зернистость могут привести к износу валков или образованию дефектов. Если сырье содержит частицы размером больше рабочего зазора или достаточно твердые, чтобы повредить поверхность валков, следует рассмотреть возможность предварительного измельчения, просеивания или использования другого оборудования. Целевой размер частиц следует определять как распределение с верхним пределом, а не только как среднее значение.
Машинные переменные, которые меняют качество диспергирования
Производительность трехвалкового стана не контролируется одной настройкой. У оператора имеется несколько рычагов, каждый из которых меняет как результат диспергирования, так и рабочее окно.
Настройки первого и второго зазора
Первый зазор контролирует, как подача поступает в центральный рулон, а второй зазор контролирует конечную пленку. Оба зазора должны быть установлены и проверены с помощью собственной процедуры калибровки машины. Номера зазоров зависят от машины; копирование настройки с другой мельницы или другого продукта ненадежно. Начните с пленки, которая переносит чисто, затем постепенно затягивайте, наблюдая за тонкостью помола, температурой валка и однородностью пленки по поверхности валка. Неровная пленка или рисунок полос могут указывать на плохую параллельность или проблему с распределением корма, а не на проблему с рецептурой.
Скорость вращения и передаточное отношение
Более высокая скорость валков обычно увеличивает производительность и может увеличить сдвиг, но также увеличивает нагрев и может сократить время, необходимое пасте для смачивания валков. Соотношение скоростей между соседними валками часто более важно, чем абсолютная скорость. Больший дифференциал увеличивает сдвиг и может улучшить дисперсию, но может также способствовать запотеванию, потере растворителя или нестабильности пленки. Лучшее соотношение зависит от вязкости пасты и чувствительности автомобиля. Во время испытаний записывайте как абсолютную скорость, так и передаточное отношение, чтобы можно было воспроизвести результат.
Температура и охлаждение валков
Три валковые мельницы генерируют тепло в зоне контакта. Внутреннее охлаждение помогает поддерживать температуру поверхности валков в практически приемлемом диапазоне, однако поток охлаждающей воды не совпадает с температурой продукта. Измерьте пленку пасты и поверхность рулона, а не только выход воды. Температура влияет на вязкость, смачивание, потерю растворителя и риск образования пленки или кристаллизации на валке. Для термочувствительных продуктов более низкое передаточное число, меньшая пропускная способность или более короткий график проходов могут быть более полезными, чем простое увеличение расхода охлаждающей воды.
Количество проходов и пропускная способность
Один проход через трехвалковую мельницу редко является этапом полного диспергирования. Несколько проходов могут сузить грубый хвостик и улучшить цвет или блеск, но каждый проход добавляет тепла и управляемости. Пропускная способность — это не просто функция скорости вращения. Это зависит от длины поверхности валка, толщины пленки, плотности пасты, количества проходов и времени, необходимого для очистки и восстановления температуры. Машина, которая производит превосходную пленку за первый проход, все равно может оказаться плохим производственным выбором, если требуемое количество проходов делает цикл партии слишком длинным.
Подбор состава пасты в соответствии с поведением трехвалковой мельницы
Реология пасты определяет, сможет ли мельница выполнять полезную работу. Материал должен быть достаточно толстым, чтобы прилипать к рулонам и образовывать пленку, но при этом достаточно подвижным, чтобы проникать в зону захвата и переноситься с рулона на рулон. Жидкость с низкой вязкостью может стекать с питающего фартука и никогда не попасть в область с высоким сдвигом. Паста с очень высоким содержанием твердых частиц может оказаться настолько жесткой, что ее невозможно будет распределить равномерно, что приведет к высокому крутящему моменту, плохому контролю температуры и неравномерному диспергированию. Предел текучести, разжижение при сдвиге и тиксотропное восстановление — все это имеет значение, поэтому одного измерения вязкости при одной скорости сдвига обычно недостаточно.
Загрузка твердых частиц и смачивание тесно связаны между собой. Более высокое содержание твердых частиц может увеличить напряжение сдвига, которое помогает разрушать агломераты, но также снижает подвижность и увеличивает выделение тепла. Если пигмент или наполнитель не смачивается носителем, мельница может только полировать агломераты, а не разделять их. Диспергаторы и смачиватели могут помочь, но их следует выбирать с учетом конкретной поверхности частиц и носителя. Добавление большего количества диспергатора до тех пор, пока паста не начнет течь, не заменяет проверку того, действительно ли агломераты смачиваются и разделяются.
Летучие растворители требуют особого внимания. Потеря растворителя на кромках валка и на съемной пластине изменяет содержание твердых частиц во время работы. Это может привести к изменению вязкости, толщины пленки и качества дисперсии от начала к концу партии. Закрытие или вентиляция помещения, регулировка баланса растворителя и контроль температуры валков могут уменьшить эффект. Для продуктов на основе растворителей процедуры очистки и вентиляции следует пересматривать до испытания, а не после смешивания партии.
Приготовление корма является частью процесса. В трехвалковую мельницу обычно подается предварительно смешанная паста, а не сухой порошок и не отделенная суспензия. Предварительное смешивание должно смачивать твердые частицы и удалять комки, которые могут повредить валки или заблокировать подачу. Материалы, контактирующие с продуктом, торцевые пластины и скребок, должны быть совместимы с транспортным средством и чистящим растворителем. Абразивные наполнители могут со временем изнашивать поверхность валка, поэтому материал валка и интервалы технического обслуживания должны быть частью решения о выборе, а не второстепенной мыслью.
Измерение, устранение неполадок и распространенные ложные сигналы
Тонкость помола – это традиционная проверка на трехвалковой мельнице. Измеритель шлифовки, также называемый калибром Хегмана, отбирает образец и показывает самые крупные сохранившиеся частицы или агломераты в виде царапин или пятнышек. Это полезно, поскольку реагирует на грубый хвост, который может вызвать полосы и дефекты. Это не полное распределение частиц по размерам. Образец может быть чистым по шкале помола, но при этом иметь широкое распределение или мелкую фракцию, которая влияет на блеск, вязкость или интенсивность цвета. Используйте датчик с лазерной дифракцией, микроскопией или тестом на просадку, когда продукт требует полной картины.
Сэмплирование имеет такое же значение, как и инструмент. Отбирайте образцы из нескольких мест на поверхности валка и за несколько проходов. Перед измерением дайте образцу достичь постоянной температуры, поскольку вязкость и поведение пленки изменяются с температурой. Запишите вместе зазор, передаточное число, температуру валков, номер прохода и содержание твердых частиц. Без этих записей хороший результат не может быть воспроизведен, а плохой результат не может быть диагностирован.
| Симптом | Вероятная причина | Практическая проверка | Направление регулировки |
|---|---|---|---|
| Грубые полосы остаются после нескольких проходов. | Сильные агломераты, плохое смачивание или слишком широкий зазор для подачи | Измерение помола, микроскопия, подготовка корма, однородность пленки | Улучшите предварительное смешивание или смачивание, отрегулируйте зазор, просмотрите график проходов. |
| Хорошая тонкость, но низкий глянец | Плохое распространение, несовместимость с автомобилем или дефекты пленки. | Просадка, микроскоп, интенсивность цвета, внешний вид поверхности | Проверьте диспергатор и транспортное средство, проверьте пропуска и температуру. |
| Паста быстро нагревается | Высокое передаточное число, большое количество твердых частиц, чрезмерные проходы или недостаточное охлаждение. | Температура поверхности рулона и пленки, поток охлаждающей воды | Уменьшите соотношение или количество проходов, улучшите охлаждение, скорректируйте рецептуру. |
| Материал сохнет или снимается в рулонах. | Потеря растворителя, высокая температура валков или низкий уровень транспортного средства. | Содержание твердых веществ до и после, внешний вид пленки, вентиляция. | Отрегулируйте баланс растворителя, понизьте температуру, уменьшите время пребывания. |
| Неравномерное распределение по поверхности валка | Плохое распределение подачи, изменение зазора или изношенные компоненты. | Проверка пленки по ширине, проверка зазоров, запись технического обслуживания | Правильная подача, проверка соосности, обслуживание изношенных деталей. |
| Пропускная способность ниже ожидаемой | Слишком много проходов, высокая вязкость, малый зазор или предел охлаждения. | Время цикла, толщина пленки, температура, скорость доработки | Сбалансируйте количество проходов по качеству, проверьте размер машины и систему охлаждения. |
Средний размер частиц – распространенный ложный сигнал. Мельница может снизить средний показатель, оставив при этом небольшое количество крупных частиц, вызывающих видимые дефекты. Интенсивность цвета может улучшиться, поскольку частицы лучше распределены, даже если распределение по размерам не сильно изменилось. Чрезмерное измельчение представляет собой еще один риск: дополнительные проходы могут сузить распределение, но также повысить температуру, изменить транспортное средство или изменить реологию. Остановитесь, когда продукт достигнет функционального целевого показателя, а не тогда, когда счетчик покажет наименьшее возможное число.
Контрольный список выбора и масштабирования трехвалкового стана
Начните с окна процесса, а не с размера машины. Определите целевой гранулометрический состав, допустимый предел крупности, вязкость пасты и диапазон содержания твердых веществ, максимальную температуру продукта, размер партии и стандарт очистки. Подтвердите, является ли продукт пастой, гелем или суспензией низкой вязкости, поскольку этот единственный факт может исключить трехвалковую мельницу. Также перечислите материалы, контактирующие с продуктом, и чистящие растворители. Машина, которую невозможно очистить до требуемого стандарта, является плохим выбором, даже если ее валки имеют подходящую геометрическую форму.
Масштабирование от лабораторного трехвалкового стана до производственного предприятия – это не простой мультипликатор. Диаметр валка, длина поверхности валка, скорость, передаточное число, зазор, охлаждающая способность и время пребывания — все это изменяется. Сохранение одинаковой толщины пленки и соотношения скоростей более полезно, чем сохранение того же времени обработки, но даже это может не сохранить историю нагрева. В пилотном исследовании должна использоваться предполагаемая формулировка, а не ее упрощенная замена. Производительность должна рассчитываться на основе количества проходов и реального времени очистки, а не на основе одного показателя максимальной скорости.
трехвалковая мельница для диспергирования пасты Страница является полезной отправной точкой для подтверждения доступной конфигурации, но окончательный выбор должен основываться на пробном использовании фактической пасты. Уточните материал рулона, качество поверхности, схему охлаждения, диапазон регулировки зазора, конфигурацию привода и рекомендуемый метод очистки. Для абразивных или коррозийных продуктов подтвердите, какие части контактируют с продуктом и как проверяется износ. На предприятиях с несколькими продуктами проверьте время переналадки и возможность очистки концевых пластин и съемного лезвия без нарушения настройки зазора.
Безопасность и коммунальные услуги находятся в одном контрольном списке. Три валковых стана имеют точки зажима, вращающиеся валки и подвижные отводящие элементы. Охрана, аварийная остановка и документированная процедура блокировки имеют важное значение. Пасты на основе растворителей могут потребовать вентиляции и соответствующей электрической защиты. Перед установкой необходимо подтвердить качество и расход охлаждающей воды, площадь пола и доступ для обслуживания валков. Это не второстепенные детали; они определяют, сможет ли мельница надежно работать при выбранном зазоре и температуре.
Практические вопросы, прежде чем выбрать трехвалковый стан
Может ли трехвалковая мельница производить частицы нанометрового размера?
Трехвалковая мельница не является обычным выбором для первичных частиц нанометрового размера. Его сильная сторона заключается в деагломерации и диспергировании паст высокой вязкости, часто в микронном диапазоне или в соответствии с функциональными спецификациями продукта. Если цель зависит от истинного наномасштабного измельчения, обычно более подходящим является бисерная мельница или другой процесс с малыми средами. Окончательный ответ зависит от материала, исходного размера частиц и требуемого распределения, поэтому его следует подтвердить испытаниями.
С какого пробела мне начать?
Не существует универсального стартового разрыва. Начните с настройки, позволяющей пасте образовывать сплошную пленку и проходить через оба зажима, затем затягивайте небольшими шагами, проверяя тонкость помола и температуру. Зазор следует проверить с помощью метода калибровки машины. Если корм содержит твердые песчинки, начните с большего размера и предварительно обработайте пасту, прежде чем уменьшать зазор.
Сколько пропусков нужно?
Используйте минимальное количество проходов, которое соответствует функциональной цели и остается в пределах температурного предела. Отбирайте пробу после каждого прохода и измеряйте как грубый хвост, так и среднее значение. Если второй или третий проход не дает существенного улучшения, большее количество проходов может только увеличить нагрев и затраты на обработку. Если грубый хвост сохраняется, проверьте смачивание, предварительное смешивание и зазор перед добавлением проходов.
Подходит ли трехвалковая мельница для суспензий с низкой вязкостью?
Обычно не обходится без изменений рецептуры или другой машины. Жидкость с низкой вязкостью может не оставаться на валках и не образовывать устойчивую пленку, поэтому материал может обходить область высокого сдвига. Более подходящими могут оказаться шаровая мельница, диспергатор с высоким усилием сдвига или другая закрытая технологическая система. Если продукт может быть изготовлен в виде пасты, трехвалковая мельница все еще может быть вариантом, но необходимо проверить реологию.
Реалистичный план проверки
Проведите испытание на небольшой предварительно смешанной партии и запишите состав, содержание твердых веществ, начальный размер частиц, вязкость и температуру. Установите мельницу на умеренный зазор и передаточное число, а затем отбирайте пробы после каждого прохода. Измерьте тонкость помола, гранулометрический состав, внешний вид просадки, блеск или интенсивность цвета, если это необходимо, а также температуру пасты. Осмотрите пленку на поверхности рулона на наличие полос, высыхания или неполного переноса. Результат, который хорошо выглядит только в центре рулона, не является стабильным процессом.
Повторите лучшее условие как минимум дважды. Процесс с тремя валками полезен только в том случае, если он воспроизводим. Проверьте, требуется ли для второй партии такое же количество проходов, аналогичен ли температурный профиль и изменяется ли очистка зазора или поведения пленки. Если продукт чувствителен к нагреванию, запустите целенаправленное измерение температуры, чтобы найти практический предел. Если продукт абразивный, после испытания осмотрите валки и детали, контактирующие с продуктом.
Решения о масштабировании должны следовать четкому результату: целевому распределению, количеству проходов, температурному пределу и методу очистки. Покупка машины на основе единственного ручного образца является слабым основанием для принятия производственного решения. Запросите испытание с настоящей пастой, подтвердите материалы, контактирующие с продуктом, и сравните полное время цикла. Этот подход более надежен, чем сравнение только диаметров валков или мощности двигателя, поскольку полезная производительность трехвалковой мельницы зависит от пасты, пленки и теплового баланса в такой же степени, как и от оборудования.