7. Projektowanie produkcji szarżowej

IKE BERG

7.1. Wprowadzenie

7.1.1. Problem podstawowy

Dyspersje rozdrobnionych ciał stałych w ciekłym medium były przez wiele lat stosowane w wielu dyscyplinach. Wymaganą jakość osiągano przez sporządzanie mieszaniny o wysokim stężeniu, zapewniając takie warunki, aby ciekłe medium równomiernie otaczało dyspergowane cząstki. Wnioskowano na tej podstawie, że wszystkie cząstki powinny być zwilżane w przybliżeniu w równym stopniu. W przypadku stosowania innych materiałów, w celu osiągnięcia dostatecznego zdyspergowania cząstek, obniżano łączną zawartość fazy stałej lub podwyższano ilość medium rozpraszającego, przy zapewnieniu odpowiednich warunków mieszania.

Wszystkie procesy, nawet powyższa prosta procedura, stwarzały wiele problemów przy przenoszeniu skali z warunków laboratoryjnych na szarżową produkcję w skali przemysłowej. Występowało to zwłaszcza w przemyśle farb i lakierów przy różnych, specyficznych cząstkach fazy stałej (pigmentów) oraz przy różnorodności stosowanych mediów. W dalszej części tego rozdziału podane będą wskazówki i zalecenia dotyczące procedur dyspergowania w szarżowych warunkach przemysłowych, które były prezentowane prze autora w czasopiśmie Polymers, Paint and Colour Journal z 23 lutego 1983 r. Składam jednocześnie Redakcji tego czasopisma podziękowanie za zgodę na ponowne opublikowanie tego artykułu w zmienionej postaci.

7.2.2. Warunki dyspergowania

Dyspersje uzyskuje się zwykle w procesie mieszania, podczas którego mogą występować dwa rodzaje płynięcia:

• Przepływ turbulentny, w którym główna masa materiału może być przenoszona w skali makro z jednego miejsca w drugie.

• Przepływ laminarny, występujący głównie w warstewkach, powodujący wymianę masy między sąsiadującymi ze sobą warstwami na poziomie mikro (głownie molekularnym). Przepływ laminarny jest warunkiem koniecznym istnienia sił ścinających, niezbędnych dla zdyspergowania cząstek fazy stałej od początkowych aglomeratów, do maleńkich „klastrów” i ostatecznie do rozmiarów pojedynczych cząstek.

Przejście między przepływem laminarnym a turbulentnym nie jest łatwe do zdefiniowania i często w tych samych urządzeniach lub tych samych zbiornikach występują jednocześnie obydwa takie przepływy w różnych (niekiedy zmieniających się) miejscach.

Jednak z uwagi na to, że ścinanie jest funkcja przepływu laminarnego, jest oczywiste, że im większy stopień przepływu laminarnego występuje w układzie, tym bardzie wydajne jest dyspergowanie. Im wyższa jest efektywna lepkość, w tym większym stopniu zachowany jest przepływ laminarny, który jest tym bardziej skuteczny z punktu widzenia dyspergowania, im mniejsze będą odległości między mieszanymi elementami (kuleczki, perełki, rolki lub mieszadła). Zwiększanie temperatury następujące w wyniku tarcia wewnętrznego może spowodować obniżanie lepkości i tym samym spadek sprawności, jeśli mniejsze cząstki powstające w wyniku tego procesu, nie będą adsorbowały większej ilości cieczy. Efekt ten może być większy od obniżenia lepkości na skutek ogrzewania i czasem trzeba uzupełniać adsorbowaną ciecz, aby utrzymać przebieg procesu dyspergowania na wymaganym poziomie. Sytuacja taka ma często miejsce w przypadku dyspergowania pigmentów organicznych, lub innych materiałów o wysokiej liczbie olejowej.

7.2.3. Rozdrobniona faza stała

Istnieje ogromna ilość pigmentów stosowanych w farbach i tuszach drukarskich. W odróżnieniu od ich typowych właściwości masowych, takich jak względna gęstość, barwa, reaktywność lub odporność, istotna rolę odgrywają specyficzne właściwości cząstek. Należą do nich rozmiar, kształt kohezja oraz ogólne właściwości powierzchni, które w istotny sposób wpływają na zaadsorbowane zanieczyszczenia. Kształt cząstek często wpływa na właściwości wyrobów których stanowią one pewną część i dlatego badanie tej cechy ma istotne znaczenie. Jednak porównywanie wielkości cząstek jest stosunkowo proste, jeśli założymy, że maja one kształt kulisty o równej objętości. Tak więc tylko jedna wielkość (średnica kuli) jest niezbędna dla porównywania względnych rozmiarów cząstek różnych pigmentów. Na Rysunku 7.1 przedstawiono różnorodność rozmiarów cząstek stosowanych pigmentów.

Rysunek 7.1. Zakresy wielkości cząstek różnych pigmentów [μm]

Z rysunku tego wynika, że niektóre cząstki mają rozmiary 100 ÷ 200 (lub jeszcze więcej) razy większe od innych pigmentów. Nie jest zaskoczeniem możliwość pojawiania się problemów w przypadku dyspergowania mieszanin cząstek o tak wielkim zróżnicowaniu rozmiarów.

Z punktu widzenia podstawowych rozmiarów cząstek, występują poniższe proporcje:

• Stosunek średnic cząstek 1 : 10²

• Stosunek powierzchni cząstek: 1 : 10⁴

• Stosunek objętości cząstek 1 : 10⁶

Z powyższego wynikają następujące stwierdzenia:

1. W przypadku mielenia małych ilości pigmentu o niewielkich rozmiarach cząstek z dużymi ilościami pigmentu o znacznych rozmiarach cząstek, należy unikać sytuacji, w których małe cząstki wypełnią duże, wolne przestrzenie między większymi cząstkami i nie będą poddawane efektywnemu ucieraniu.

2. W przypadku mielenia równych objętości dwóch pigmentów o podobnych rozmiarach cząstek, wymagania odpowiedniego zwilżenia (tzn. zastąpienia zanieczyszczeń zaadsorbowanych na powierzchniach cząstek przez fazę ciągłą) cząstek o mniejszych rozmiarach, są znacznie większe niż wymagania dotyczące zwilżania innych pigmentów, które można zwilżyć później.

Pigment lub inne ciała stałe wywierają wpływ nie tylko na tak oczywistą właściwość farby jaką jest kolor, ale również na inne, nie mniej ważne właściwości jak:

• Trwałość w warunkach ekspozycji, np. odporność na działanie ultrafioletu lub podczerwieni.

• Ochrona przed korozją.

• Modyfikowanie reologii farb w celu nadania im określonych właściwości aplikacyjnych.

Jednak bez względu na rolę, jaką odgrywają cząstki fazy stałej na właściwości farby, stopień ich zdyspergowania (zależny od stopnia zwilżenia) ma znaczenie podstawowe.

Magazynowanie może mieć istotny wpływ na zwilżanie pigmentów (i tym samym na stopień zdyspergowania), ponieważ pojedyncze cząstki ciał stałych mogą adsorbować różne „zanieczyszczenia” na swych powierzchniach, takie jak wilgoć, inne ciecze, ciała stałe i gazy, pochodzące z otoczenia. Są one często ukryte, ale w niektórych przypadkach mogą ułatwiać zwilżanie w zależności od rodzaju adsorbatu oraz od fazy ciągłej, którą można modyfikować różnymi dodatkami.

7.1.4. Faza ciągła

Fazą ciągła (rozpraszającą) jest zwykle polimer, który może być mieszany lub rozpuszczany w różnych materiałach pomocniczych lub rozpuszczalnikach w celu możliwie najlepszego zwilżania rozdrobnionej fazy stałej. Proporcji tych nie można ustalić na drodze stechiometrycznej.

Dlatego często konieczne jest stosowanie kompromisu zapewniającego uzyskiwanie najlepszych wyników oraz względów ekonomicznych. O ile istnienie pewnych adsorbatów na powierzchniach cząstek pigmentu może czasem pogorszyć zwilżanie, to jednak znane są przypadki ich korzystnego działania. Przykładowo, minimalna ilość zaadsorbowanej wilgoci może poprawiać zwilżanie i tym samym efektywność dyspergowania niektórych pigmentów tytanowych, natomiast sadza jest bardzo trudna do zdyspergowania po dłuższym magazynowaniu i jej kontakcie z atmosferą. Stosowane media lub fazy ciągłe często charakteryzuje się jako dobre lub złe „zwilżacze” w zależności od tego czy w ich obecności ma miejsce dobre lub złe dyspergowanie. Jednak materiały o podwyższonej lepkości są prawdopodobnie złymi „zwilżaczami”, zwłaszcza przy stosowani urządzeń ucierających wytwarzających niskie naprężenia ścinające. Z tego powodu, częściowe obniżenie lepkość medium za pomocą rozpuszczalnika w granicach dopuszczalnych z punktu widzenia receptury często sprzyja efektywnemu dyspergowaniu, a resztę medium o wyższej lepkość dodaje się w późniejszej fazie produkcji. Innym środkiem prowadzącym do poprawy dyspergowania jest stosowanie tzw. surfaktantów (środków powierzchniowo-czynnych). Jednak niektóre z nich mogą działać zarówno jako dodatki ułatwiające dyspergowanie lub jak środki zapobiegające flokulacji. Dlatego należy raczej unikać stosowania tego rodzaju materiałów pomocniczych jeśli nie jest to konieczne.

7.2. Stadia produkcji szarżowej

7.2.1. Wprowadzenie

Celem procesu dyspergowania jest uzyskanie stabilnej bazy, zawierającej rozdrobnione ciało stałe zawieszone w nośniku. Niestety, nic nie jest idealnie stabilne po zatrzymaniu działania urządzenia służącego do wytwarzania dyspersji, ponieważ cząstki mają tendencje do łączenia się, koalescencji w większe zespoły i tym samym do flokulacji i osiadania. Dlatego przy sporządzaniu bazy o wymaganej stabilności, należy brać po uwagę niżej wymienione czynniki:

Stężenie pigmentu. Im większa jest zawartość pigmentu w układzie, tym łatwiejsze jest stykanie się ze sobą cząstek i tym większa jest tendencja do ich koalescencji na skutek ruchów wewnętrznych.

Stopień zdyspergowania. Im lepszy jest stopień zdyspergowania, tzn. im bardziej ziarna pigmentu będą rozdrobnione do poziomu pojedynczych cząstek i lepiej zwilżone, tym dłuższy czas będzie potrzebny dla koalescencji cząstek, szkodliwej z punktu widzenia wymagań wyrobu.

Nielotność nośnika. Aby cząstki w układzie rozproszonym były stabilne, muszą być one dostatecznie zwilżone przez nielotny nośnik polimerowy, który musi również tworzyć barierę między cząstkami.

Lepkość. Im wyższa lepkość struktury materiału, tym większy jest opór dla ruchów wewnętrznych i tym samym lepsza jest stabilność układu.

Podczas procesu dyspergowania występuje kilka wymagań, często sprzecznych ze sobą:

Aby zmaksymalizować zwilżanie pigmentu, medium powinno mieć niską lepkość, np. trzeba stosować nośnik o niewielkiej zawartości fazy stałej, ale zawierający dostateczną ilość żywicy dla otoczenia każdej dyspergowanej cząstki.

Aby zmaksymalizować siły ścinające w procesie dyspergowania, lepkość mieszanki powinna być możliwie najwyższa, na ile pozwala na to stosowane urządzenie ucierające.

Po zakończeniu procesu dyspergowania, Łączna zawartość pigmentu musi być obniżona, a udział żywicy podwyższony do poziomu przy którym utworzona baza ma maksymalną odporność na flokulację i osiadanie.

Takie konfliktowe wymagania pokonuje się zwykle przez podzielenie procesu wytwarzania farby na kilka etapów, np.:

• Etap dyspergowania

• Etap rozcieńczania (stabilizacja)

• Etap egalizacji (uzupełnianie)

7.2.2. Formułowanie stabilnej bazy

Wyżej omówione czynniki w połączeniu z doświadczeniem pozwalają na utworzenie takiego układu stanowiącego podstawę (bazę) receptury, który będzie dostatecznie stabilny przez określony czas, zależny od procesy wytwarzania. Należy przy tym pamiętać o tym, że niestabilność zaczyna się na poziomie mikro i rozwija się w miarę upływu czasu. Z uwagi na różnorodność stosowanych pigmentów i mediów, możliwe jest podanie tylko bardzo ogólnych zasad, które należy traktować wyłącznie jako wskazówki oparte na doświadczeniu praktycznym.

W Tabeli 7.1. zestawiono podstawowe wymagania warunkujące uzyskanie stabilnej bazy.

Tabela 7.1. Formułowanie stabilnej bazy (faza końcowa)

Liczba olejowa [g/100 g pigmentu]	Pigmenty	Maksymalna zawartość pigmentu [%]	Minimalna zawartość cieczy nielotnej [%]
Niska (10÷20)	Dwutlenek tytanu, wybielacze, tlenki naturalne	60÷70	30÷35
Średnia (20÷40)	Tlenki syntetyczne, glinka chińska	30÷50	35÷40
Wysoka	Pigmenty organiczne	15÷30	40÷45
Bardzo wysoka (> 60)	Pigmenty o dużej powierzchni właściwej i wypełniacze	10	> 45

Ilości podane w tej tablicy oparte są na liczbie olejowej zdefiniowanej ilością oleju lnianego (lub innego, akceptowanego spoiwa) dostateczną dla związania 100 g pigmentu. Istnieje możliwość, że niektóre receptury nie będą ściśle podlegały tym zaleceniom i niezbędne jest wtedy dokładniejsze dobranie składu. Należy jednak podkreślić, że tablica ta wskazuje na skład recepturowy stabilnej bazy, tzn. układu przy którym proces dyspergowania jest zakończony. Skład recepturowy przy którym proces ten rozpoczyna się, zestawiony jest w Tabeli 7.2 i będzie omawiany w następnym rozdziale.

7.2.3. Receptura dyspersji początkowej

Przy ustalaniu receptury mieszanki przy której zaczyna się proces dyspergowania, należy upewnić się, czy posiada ona wystarczająco wysoką lepkość lub konsystencję, zapewniającą uzyskanie warunków przepływu laminarnego, co w znacznej mierze zależy od pigmentacji. Wskazanie dokładnej wartości tej lepkości jest niemożliwe z podanych niżej powodów:

1. Mieszanka rzadko jest płynem newtonowskim, chyba że występuje bardzo wysoka temperatura, ale uzyskanie powtarzalności jest niemożliwe do utrzymania.

2. W normalnych temperaturach, mieszanka przed mieleniem posiada zwykle granicę płynięcia, skutkiem czego rzeczywista lepkość lub konsystencja zmienia się w trakcie ucierania.

3. Konsystencja zmienia się w trakcie ucierania na skutek:

1. wytwarzanego ciepła, wywierające dominujący wpływ na lepkość.

2. obecności pigmentów nieorganicznych, które mogą obniżać lepkość mieszanki na skutek uwalniania cieczy znajdującej się w wolnych przestrzeniach miedzy ziarnami.

3. obecności pigmentów organicznych, które mogą zwiększać lepkość mieszanki, ponieważ zwiększanie się powierzchni drobnych pigmentów wymaga więcej cieczy do zwilżania.

4. Poszczególne wsady (szarże) surowcowe mogą różnić się nieco rozkładem wielkości cząstek, który na ogół powinien być dokładnie ustalony w wyrobie finalnym. Lepkości takich dyspersji mogą różnić się znacznie między sobą, co czyni ich dokładną kontrolę mało realną. Znaczenie lepkość jest bardzo ważne i nie może być pominięte, ale doświadczenie i praktyka pozwalają na udzielenie wskazówek na temat formułowania początkowego składu dyspersji (Tabela 7.2.), co kompensuje właściwości reologiczne dyspergowanej pasty.

Tabela 7.2. Formułowanie stabilnej bazy (faza początkowa)

Liczba olejowa [g/100 g pigmentu]	Zawartość pigmentu [%]	Zawartość cieczy nielotnej dla różnych urządzeń [%]
				Wysokie prędkości ścinania (wysokie naprężenia ścinające)	Niskie prędkości ścinania (niskie naprężenia ścinające)
Niska (10÷20)	75÷85	0÷10	25÷30
Średnia (20÷40)	50÷75	10÷20	30÷35
Wysoka	25÷50	20÷30	35÷40
Bardzo wysoka (> 60)	< 25	> 30	> 40

W odróżnieniu od Tabeli 7.1, w Tabeli 7.2, istnieją dwa różne zakresy stężeń cieczy nielotnych, ponieważ wymagania te zależą nie tylko od liczby olejowej ale również od rodzaju urządzenia mielącego i warunków dyspergowania. Dla uproszczenia, te dwa zakresy podzielono na urządzenia pracujące przy niskich prędkościach ścinania (wysokich naprężeniach ścinających) oraz urządzenia pracujące przy wysokich prędkościach ścinania (niskich naprężeniach ścinających). Dla urządzeń mieszczących się pomiędzy tymi dwoma klasami, można wybierać z tabeli wartości pośrednie.

Innym szczegółem wartym podkreślenia jest to, że tabela 7.2 zawiera pozycję zawartości cieczy nielotnej w zakresie 0÷10 %, ponieważ w niektórych przypadkach, gdy stosuje się specjalne środki powierzchniowo-czynne, faza ciekła zawiera wszystkie rozpuszczalniki i surfaktanty.

Na Rysunku 7.2 przedstawiono kombinację zaleceń zestawionych w Tabelach 7.1 i 7.2, odnoszących się do zawartości pigmentów dla różnych typów urządzeń ucierających, jak również dotyczących składu past stabilnych, które - o czym będzie dalej mowa - są również składami past ucieranych w młynach o działaniu ciągłym.

Rysunek 7.2.

7.2.4. Etap rozcieńczania (stabilizacja)

W szczególnych sytuacjach, gdy których ucieranie odbywa się w młynach o działaniu ciągłym, formułuje się pastę stabilną. We wszystkich pozostałych przypadkach, ucierana pasta musi być poddana stabilizacji. Gdy utarta pastę opuści urządzenie ucierające bez uprzedniego ustabilizowania, nastąpi jej niszczenie w bardzo szybkim tempie. Dodawanie materiałów zwiększających jej stabilność, zawsze powoduje flokulację układu, aczkolwiek zwiększenie ilości medium rozpraszającego obniża prędkość tego procesu. Im dłuższy jest czas pomiędzy opróżnieniem urządzenia ucierającego a ustabilizowaniem pasty, tym krótsza będzie trwałość dyspersji. Ilustrują to wykresy przedstawione na Rysunku 7.3, gdzie przedstawiono tempo utraty stabilności w miarę upływu czasu dla różnych procedur stabilizacji:

Rysunek 7.3. Krzywe stabilności dla różnych procedur stabilizacji

Krzywa A. Pasta jest stabilizowana w młynie. Należy w miarę możliwości stosować ten sposób, ponieważ flokulacja pojawiająca się na skutek wprowadzenia składników stabilizujących zostanie zminimalizowania, po warunkiem, że szybkość ich wprowadzania będzie kontrolowana i będzie miało miejsce jeszcze dodatkowe mieszanie. Przypadek ten będzie opisany bardziej szczegółowo przy omawianiu określonych młynów.

Krzywa B. Materiał stabilizujący dodawany jest do pasty natychmiast po jej odprowadzeniu z młyna. Jednak czas pomiędzy opróżnieniem młyna a stabilizacją musi być bardzo krótki, co jest podstawowym warunkiem utrzymania stabilności i trwałości wyrobu.

Krzywa C. Materiał stabilizujący dodawany jest po dłuższym okresie od chwili opróżnienia młyna. Obniżenie stopnia stabilizacji jest jednak wyraźne.

Krzywa D. Stabilizacja nie jest w ogóle prowadzona, co skraca żywotność dyspersji i należy unikać takiej procedury. Może być ona jednak konieczna w przypadku niektórych, specyficznych układów zawierający pigmenty chronione powierzchniowo.

Omawiane krzywe mogą mieć różne kształty w zależności od stosowanych surowców.

7.2.5. Etap egalizacji (uzupełnianie)

W fazie końcowej, do stabilnej bazy (pasty) wprowadzane są różne materiały, inne pasty lub ich mieszanki z różnymi dodatkami w celu uzyskania wyrobu finalnego o wymaganych właściwościach. Nawet jeśli stosowana baza i dodatki są stabilne, należy zdawać sobie sprawę z tego, że mogą przy tym wystąpić pewne niekorzystne zjawiska. Są one zwykle niewielkie, jeśli wszystkie mieszane materiały były ustabilizowane przed ich wprowadzeniem do układu. Należy jednak zawsze zachowywać ostrożność i przy wprowadzaniu dodatków, zawsze stosować efektywne mieszanie.

7.3. Rodzaje wyposażenie do dyspergowania

7.3.1. Wprowadzenie

Podstawowe zasady towarzyszące wdrażaniu bardziej efektywnych technik dyspergowania, są niezależne od rodzaju urządzenia ucierającego. Jednak zasady różnią się nieco między sobą z uwagi na zasadnicze różnice wykonywanych operacji lub inne instalacje produkcyjne, o czym będzie dalej mowa.

Urządzenia do dyspergowania można podzielić na dwie główne grupy:

• Młyny szarżowe (o działaniu okresowym).

• Młyny o działaniu ciągłym.

Każda grupa tych urządzeń może być podzielona na dalsze podgrupy, jednak należy podkreślić, że procesy ciągłe mogą zawierać pewne fazy, w których doprowadzane materiały mogą być wytwarzane za pomocą urządzeń o działaniu okresowym. Nawet wtedy gdy cały proces produkcji jest ciągły, nie jest konieczne korzystanie z młynów o działaniu ciągłym.

Do podstawowych typów urządzeń o działaniu okresowym należą młyny kulowe, atritory, szarżowe młynki kulowe i mieszalniki, natomiast do urządzeń o działaniu ciągłym należą młynki piaskowe lub perełkowe lub młyny rolkowe (dwu- i trójwalcówki). Wszystkie te urządzenia muszą być odpowiednio uziemione dla odprowadzania ewntualnych ładunków statycznych. Inną metodą jest zapewnienie polarności mielonej pasty.

7.3.2. Młyny kulowe

7.3.2.1. Informacje ogólne

Młyny te są poziomo zamontowanymi cylindrami, i wypełnione są częściowo medium ucierającym. Obrót młyna wokół osi powoduje wznoszenie medium ucierającego na określoną wysokość, które następnie spada kaskadowo w dół młyna pod wpływem siły grawitacji.

Pasta wypełnia wolne przestrzenie pomiędzy elementami ucierającymi, dzięki czemu jest poddawana działaniu sił ścinających, pod warunkiem że w młynie występują laminarne warunki przepływu, co zapewnia wytwarzanie odpowiedniego efektu dyspergującego.

„Stalowe” młyny kulowe korzystające z metalicznego medium ucierającego mają powłokę metalową, a duże młyny korzystające z takiego medium chłodzone są wodą. Młyny „otoczakowe” lub „porcelanowe” mają wykładzinę ceramiczną i nie mogą być chłodzone wodą.

Młyny kulowe stanowiły podstawowe wyposażenie przemysłu farb i lakierów oraz innych przemysłów przez wiele lat, ale obecnie wystarczające wyniki uzyskuje się bez potrzeby korzystania z tak ciężkiego wyposażenia i opracowano w tym celu bardziej elastyczne procedury mielenia. Jednak w przypadku niektórych materiałów mogą wystąpić problemy, zwłaszcza jeśli zostanie wybrany nieodpowiedni młyn. Niezależnie od istnienia nowych rozwiązań, młyny kulowe są jeszcze nadal stosowane w zastosowaniach wymagających sterylnej pracy.

7.3.2.2. Prędkość obrotowa

Prędkość obrotowa młynów kulowych musi zapewnić dostateczną kaskadowość stosowanego medium ucierającego. Jednak koncepcja zmiennej prędkości obrotowej w dostosowaniu do różnych materiałów ucierających, jest nierealistyczna. Konieczne jest praktyczne podejście do zagadnienia, chociaż sama koncepcja optymalnej prędkości dla danego typu wypełnienia całkiem jest sensowna. Tabela 7.3 zawiera zakresy prędkości obrotowych najkorzystniejsze dla kul o określonych średnicach. Praktyk obsługujący młyn może sam sprawdzić w określonym okresie czasu, czy wprowadzona zmiana prędkości obrotowej była rzeczywiście korzystna.

Tabela 7.3. Młyny kulowe - prędkości obrotowe

Wewnętrzna średnica kul [stopa]	Zalecana prędkość obrotowa młyna [obr/min.]
1	48 ÷ 52
2	32 ÷ 36
3	24 ÷ 28
4	20 ÷ 24
5	18 ÷ 22
6	16 ÷ 20
7	14 ÷ 18
8	12 ÷ 16

7.3.2.3. Medium ucierające.

Kształt. Dostępne są media ucierające o trzech głównych kształtach:

1. Kule są najczęściej stosowanym, logicznym typem wypełnienia, łatwym do kaskadowania w dowolnych warunkach. Ponadto, najmniej niejednorodne odstępy miedzy kulami, czynią je najbardziej wydajnymi ze wszystkich wypełnień.

2. Owale są naturalnym kształtem otoczaków (kamieni rzecznych), stanowiących najtańszy rodzaj wypełnienia. Spowodowało to tak silną sugestię, że syntetyczne wypełnienie dostępne w handlu również miało taki kształt. Z uwagi na silne zróżnicowanie odstępów między owalami, takie wypełnienie nie może konkurować pod względem wydajności z kulami.

3. Walce (lub pręty) były początkowo traktowane jako wypełnienie najlepiej dopasowane do kształtu młyna i uważano nawet, że rozkładają się one równomiernie na całej jego długości ! Sytuacja taka nigdy nie ma miejsca, bowiem cylindry przyjmują w młynie położenie całkowicie losowe z tworzeniem bardzo nieregularnych odstępów. Taka sama masa cylindrów może wymagać mniejszej ilości materiału ucieranego niż to ma miejsce w przypadku kul lub owali, co zmniejsza wielkość szarży. Z tego powody należy traktować cylindry za wypełnienie mniej wydajne.

Rozmiar. Im mniejszy jest rozmiar medium ucierającego, tym bardziej wydajne jest dyspergowanie. Rysunek 7.4 ilustruje wyniki uzyskiwane przy mieleniu identycznych mieszanek w laboratoryjnym młynku kulowym zawierającym wypełnienie w postaci kulek o średnicy 12 mm oraz kuleczek o średnicy 1,2 mm.

Rys. 7.4. Wpływ rozmiaru medium ucierającego na równomierność barwy

Chociaż szybkość mielenia była zupełnie inna (około tygodnia dla kulek, poniżej 1 godziny dla kuleczek), stwierdzono jednak, że równomierność koloru farby ucieranej w młynie z kulkami, nigdy nie była tak dobra jak w przypadku stosowania kuleczek. Wynika stąd, że rozmiary medium ucierającego powinny być możliwie jak najmniejsze, ale przy niżej podanych zastrzeżeniach:

• Im mniejszy jest rozmiar medium ucierającego, tym elementy kuliste łatwiej wypływają na powierzchnię pasty (z uwagi na największy stosunek powierzchni kul do ich objętości), co zmniejsza wyraźnie wydajność kaskadowania.

• Im mniejszy jest rozmiar medium ucierającego, tym więcej pasty przylega do jego powierzchni i tym samym trudniej jest opróżnić i oczyścić młyn.
  

• Medium ucierające musi być dostatecznie duże, aby pozostawało w młynie podczas jego opróżniania.

Dla zapewnienia najlepszej wydajności młynów kulowych, media ucierające nie powinny mieć średnicy przekraczającej 15 mm.

Względna gęstość. Gdy inne czynniki są ustalone, im większa jest względna gęstość medium ucierającego, tym wyższy stopień zdyspergowania osiągany jest w danym czasie. Jednak główną korzyścią wynikającą z większej gęstości jest fakt, że możliwe jest ucieranie past o wyższej lepkości (i tym samym o wyższej zawartości pigmentów), co znacznie zwiększa efektywność dyspergowania. Gęstość medium ucierającego jest oczywiście funkcją jego składu, o czym niżej mowa.

Skład. Skład medium ucierającego wpływa zarówno na jego gęstość jak i na trwałość. Dlatego czynnik ten należy dokładnie sprawdzać.

Media metaliczne powinny być powierzchniowo utwardzane (hartowane) na gorąco. Nie można liczyć na samorzutne utwardzanie się medium podczas pracy, ponieważ może nastąpić jego przedwczesne zniszczenie przed zanim nastąpi utwardzenie. Media metaliczne nie hartowane, ulegają szybkiemu niszczeniu, czemu towarzyszy zmiana ich kształtów. Niezależnie od stosowania medium hartowanego powierzchniowo, zadawalające wyniki uzyskuje się przy stosowaniu kulek ze stali niklowanej lub chromowanej.

Media niemetaliczne, obecnie są najtańsze, przy czym naturalnych otoczaki są trudno dostępne i dlatego należy raczej stosować wypełnienie z tworzyw syntetycznych. Mogą być one parte na steatycie lub na innych typach ceramicznych (w tym na porcelanie) lub na aluminium. Ocenia się, że niektóre z nich mają wysoką gęstość, ale ich względna gęstość powinna wynosi minimum 3,5, tzn. z 50 % nadmiarem w stosunku do typowych mediów ceramicznych lub otoczaków.

Konieczne jest opieranie się na pracach laboratoryjnych lub ruchowych w celu oceny stopnia niszczenia się wypełnienia ucierającego, tym niemniej stwierdzono ponad wszelką wątpliwość, że trzeba unikać mediów wytwarzanych w procesach spiekania. Wykazują one wysokie tempo niszczenia, zwłaszcza wtedy gdy pasta pigmentowa zawiera nietypowe wypełnienia. Do tego celu konieczne jest stosowanie mediów wypalanych, ale nawet w tym przypadku konieczne jest przeprowadzanie testów sprawdzających. Należy podkreślić, że cylindry (lub pręty) mające zaokrąglone, ale nierówne kształty, mogą podczas pracy ulegać szybkiej erozji.

Załadowanie młyna. Młyn należy ładować medium ucierającym jednakowego rozmiaru. Stosowanie medium o dwóch lub więcej rozmiarach nie jest wskazane. W istocie rzeczy, podczas mielenia media należy często poddawać klasyfikacji. Pominięcie tego zabiegu sprawia, że wolne przestrzenie między kulami osiągają przypadkowe rozmiary i stają się w miarę zużycia coraz większe, co wyraźnie obniża sprawność młyna i jego wydajność.

Media niemetaliczne, zarówno owalne jak i kuliste należy wprowadzać do młyna w przybliżeniu do połowy jego wysokości. Jednak w przypadku stosowania materiału ucierającego o dużej gęstości, trzeba pamiętać o tym, że powłoka wewnętrznej powierzchni młyna ulega wówczas szybszemu zużyciu. W takiej sytuacji należy obniżyć stopień załadowania, zwłaszcza przy stosowaniu medium metalicznego. Media niemetaliczne często stosowane są w młynach z powłoką stalową zapewniająca łatwiejsze schładzanie.

Media metaliczne zawsze ładuje się do młynów powlekanych stalą - nigdy do młynów porcelanowych. Jeśli młyn i jego silnik dostosowane są do masy metalu, młyny powlekane stalą najlepiej jest ładować metalicznym medium ucierającym do połowy jego wysokości, podobnie jak to ma miejsce przy stosowaniu mediów niemetalicznych. Jednak niektóre młyny mogą mieć słabszą moc i nie mogą być wykorzystywane przy pełnym obciążeniu. W takich przypadkach załadowanie należy ograniczyć do około 33 % objętości młyna.

Młyny o gładkich powierzchniach wewnętrznych (stalowe) lub pracujące z medium ucierającym o wysokiej gęstości, albo przy niepełnym załadunku (poniżej 50 %) powinny być wyposażone w listwy podnoszące, w celu wspomagania podnoszenia kul do położenia kaskadowego. Takie rozwiązanie zwykle stosuje się w młynach stalowych (oprócz małych młynków laboratoryjnych), a czasem w dużych młynach porcelanowych.

W celu obliczenia załadunku wagowego, gdy znana jest gęstość medium ucierającego, można korzystać z jednej z poniższych metod:

• Kule mają wolne przestrzenie stanowiące około 35 % ich całkowitej objętości pozornej.

• Owale mają wolne przestrzenie stanowiące około 40 % ich całkowitej objętości pozornej.

• Cylindry mają wolne przestrzenie stanowiące około 30 % ich całkowitej objętości pozornej.

7.3.2.4. Objętość wsadu (pasty)

Dla zapewnienia największej wydajności, początkowa objętość ucieranej pasty powinna być równa w przybliżeniu objętości wolnych przestrzeni między elementami medium ucierającego w warunkach pracy. Objętość ta powinna być oczywiście większa od objętości medium znajdującego się w spoczynku. Wyrażając to w procentach względem całkowitej objętości pozornej medium ucierającego, powinna ona stanowić około 40 % dla kul, 45 dla owali oraz 35 % dla cylindrów lub prętów.

Łączna objętość pozorna medium ucierającego jest oczywiście sumą objętości samego medium oraz wolnych przestrzeni. Z tego powodu, gdy młyn ładowany jest medium ucierającym do pozornej objętości równej około 50 %, wówczas objętość pasty pigmentowej wyrażana w procentach względem łącznej objętości wolnych przestrzeni powinna stanowić 20 % dla kul, 22,5 % dla owali i 17,5 % dla cylindrów. Jeśli objętość pozorna medium ucierającego nie wynosi 50 %, wówczas objętość pasty pigmentowej powinna być odpowiednio zmieniona. Z punktu widzenia łącznych kosztów, należy unikać nadmiernej ilość pasty pigmentowej (przepełnienia młyna), ponieważ wydajność mielenia zostaje wówczas bardzo silnie obniżona. Przedłużenie czasu mielenia nie skompensuje spadku wydajności młyna.

7.3.3. Atritory

7.3.3.1. Informacje ogólne

Urządzenia te są pionowymi cylindrami, wypełnionymi zwykle do ¾ objętości medium ucierającym. Cylinder taki jest na ogół wykonany ze stali hartowanej powierzchniowo i nie obraca się. Medium ucierające, metaliczne lub niemetaliczne, wiruje wewnątrz cylindra dzięki prętom przymocowanym do pionowego wału obrotowego, napędzanego silnikiem elektrycznym.

Oryginalne atritory (typu S) były napełniane od góry i opróżnione od dołu, przy czym medium ucierające było zatrzymywane za pomocą sita. Jednak duże urządzenia są zwykle projektowane w dostosowaniu do pracy obiegowej, co zapobiega powstawaniu miejsc nieaktywnych i pozwala na alternatywny sposób opróżniania.

Atritory typu Q są modyfikacją typów S i posiadają wysokoobrotowe mieszadło/dyspergator (które będzie omówione dalej), takie jak w zwykłych mieszalnikach, dzięki czemu ucierana pasta wiruje w sposób ciągły między atritorem a dyspergatorem, przy czym ruch pasty podczas pracy wymuszany jest pompą cyrkulacyjną i innymi elementami pomocniczymi (Rysunek 7.5.).

Rysunek 7.5. Uproszczony schemat młyna atritorowowego o działaniu ciągłym

Taki wysokoobrotowy mieszalnik/dyspergator ma większą wydajność niż zwykły atritor, pozwala na stosowanie 10-krotnie większych szarż niż model S. Cechą modelu Q jest to, że łączny czas ucierania (m.in. dzięki znacznie większym szarżom) jest znacznie krótszy i czasem skrócenie czasu ucierania tej samej objętości pasty może być skrócone do 40 % w porównaniu z czasem ucierania w atritorze typu S.

Istnieje wiele czynników wpływających na taką oszczędność czasu która zależy od:

• Składu recepturowego ucieranej pasty

• Rozmiaru atritora typu S, który może być modyfikowany w różny sposób w celu zwiększenia jego wydajności, np. przez zwiększenie ilości medium ucierającego lub wprowadzenie specjalnego sita ucierającego.

Jest to interesujące rozwiązanie techniczne dostosowane do dużych szarż, zwłaszcza przy masowej produkcji farb gruntowych.

7.3.3.2. Medium ucierające

Główny dostawca atritorów na terenie Wielkiej Brytanii (Torrance and Sons) zaleca stosowanie medium ucierającego w postaci mieszaniny kuleczek o średnicach ¼ cala i 5/16 cala. Doświadczenie wykazuje jednak, że nie jest to idealne rozwiązanie i zaleca się stosowanie tylko jednego rozmiaru kulek o średnicach ¼ cala. Kuleczki o zróżnicowanych średnicach, jeśli nie są ułożone warstwowo, mają większy rozmiar wolnych przestrzeni i tym samym powodują spadek wydajności. Jedna doświadczony operator atritora może sam podjąć decyzję wyboru wypełnienia w zależności od rodzaju ucieranego materiału, np. stosując kuleczki stalowe o średnicach 1/8 cala, zwłaszcza przy ucieraniu pigmentów opartych na tlenkach metali.

Nie jest celowe stosowanie medium ucierającego o kształtach innych niż kulisty, takich jakie stosuje się w młynach kulowych. Nie zaleca się stosowanie medium ucierającego w postaci spieków. Media metaliczne można stosować do ucierania farb o ciemniejszych barwach, a do farb o odcieniach pastelowych lepiej jest stosować media ceramiczne. Jednak z uwagi na to, że typowe atritory są metalowe, stosowanie wypełnienia porcelanowego nie wydaje się uzasadnione. Z tego powodu, dla uzyskiwania past bardzo jasnych urządzenia te powinny być powlekane materiałem niemetalicznym (np. ceramicznym). Może to jednak spowodować pojawienie się pewnych problemów związanych z chłodzeniem, zwłaszcza w przypadku dużych urządzeń.

7.3.3.3. Objętość wsadu (pasty)

Objętość pasta pigmentowej nie powinna przekraczać objętości wolnych przestrzeni między wypełnieniem ucierającym znajdującym się w ruchu, co stanowi około 40 % łącznej objętości pozornej medium ucierającego (kul i wolnych przestrzeni). Nadmierna ilość pasty (przeładowanie młyna) przedłuża czas ucierania i wcale nie poprawia wyników mielenia.

7.3.3.4. Porównanie z młynami kulowymi

Stwierdzono, że atritory są około 10 razy bardziej wydajne w porównaniu z młynami kulowymi. Na ogół jest to prawda.
Tak duża wydajność atritorów może wynikać poniższych powodów:

• Wał atritora napędzany silnikiem elektrycznym obraca się wewnątrz medium ucierającego. W młynie kulowym kaskadowy ruch medium następuje pod wpływem grawitacji. Jeśli lepkość ucieranej pasty jest niska, wówczas sprawność ucierająca kaskady ulega obniżeniu. Jednak w atritorze tolerowana jest wysoka lepkość pasty i tym samym można stosować pasty o większej pigmentacji, co zwiększa ogólną wydajność w przeliczeniu na pigment.

• Medium ucierające w atritorze jest mniejsze niż w konwencjonalnych młynach kulowych. Poprzednio wyjaśniono, że zmniejszenie rozmiarów medium zwiększa wydajność i ten sam argument obowiązuje również stosowania atritorów. Mniejszy rozmiar wypełnienia wiąże się z mniejszymi przestrzeniami między kulami, co ułatwia utrzymanie przepływu laminarnego.

• Podczas pracy atritora, większość osobnych elementów medium ucierającego znajduje się w ruchu. Jednak w przypadku młynów kulowych pewna część medium znajduje się w bezruchu lub przesuwa się w młynie znacznie wolniej zanim osiągnie położenie inicjujące ruch kaskadowy. Im większy młyn, tym większa jest objętość medium znajdującego się w takich warunkach zwolnionego ruchu.

Przy porównywaniu czasów mielenia należy jednak pamiętać o tym, że młyn kulowy może pracować bez potrzeby nadzoru przez całą noc, ponieważ jest to urządzenie zamknięte. Atritor pracujący w cyklach dobowych musi być nadzorowany przez cały czas, lub trzeba go wyposażyć w pełne oprzyrządowanie zabezpieczające. Z różnych względów może to nie być zbyt korzystne rozwiązanie. Dlatego atritory typu S wykorzystuje się zwykle w ciągu dnia w cyklach 8-godzinnych ale wówczas ich 10-krotnie większa wydajność musi być obniżona współczynnikiem 3 lub 4, w zależności od cyklu pracy.

Większość materiałów ucieranych w młynach kulowych z wypełnieniem w postaci kul stalowych można szybciej zmielić w atritorach zawierających podobne wypełnienie. Jednak istnieją przypadki, w których przejście z młynów kulowych na atritory może stwarzać pewne problemy:

• Wymagana szczególna czystość materiałów jest osiągana tylko w młynach kulowych z wypełnieniem ceramicznym (otoczaki lub kule porcelanowe), nie zwierającym mediów metalicznych. Takie wyroby można ucierać tylko w atritorach z powłoką ceramiczną z ceramicznym wypełnieniem ucierającym. Może to być rozwiązanie kosztowne lub trudne w realizacji.

• Wyroby zawierające specyficzne wypełniacze organiczne, mogą być ucierane (rozbijane) w młynach kulowych z wytworzeniem bardzo drobnej i powtarzalnej struktury, zgodnej z wymaganiami. Chociaż nie jest to zagadnienie związane bezpośrednio z problemem dyspergowania, to jednak przejście na system ucierania w atritorach może w takich przypadkach wywoływać pewne trudności.

7.3.4. Szarżowe młyny perełkowe

7.3.4.1. Informacje ogólne

Urządzenia te najprostszej postaci, podobne są do atritorów. Ich podstawowym elementem jest pionowy cylinder, w którym obracane jest medium ucierające, a obudowa jest nieruchoma. Oryginalny młyn tego typu zaprojektowany przez Bergera, znacznie różnił się od prostego rozwiązania typowego dla atritorów i zawierał wiele nowych szczegółów konstrukcyjnych i innych detali.

Medium ucierające. Pierwotnie przewidywano stosowanie do tego celu kuleczek szklanych o średnicach od 1,2 do 1,5 mm. Ilość medium ucierającego wynosiła około 0,5 kg/litr całkowitej objętości pustego młyna. Tak więc objętość pozorna medium ucierającego stanowiła mniej niż 30 % łącznej objętości pustego młyna.

Pobór mocy. Sugerowano zużycie około 1 kW na każde 10 kg medium ucierającego.

Tarcze. Rozmiar tarcz osadzonych na wale, ułatwiających ruch wsadu, musi być tak dobrany, aby całe medium ucierające było poddane dostatecznej rotacji podczas pracy urządzenia. Proponowano w tym celu stosowanie tarcz o rozmiarach stanowiących około 80 % średnicy młyna. Należy jednak pamiętać o tym, że zmiana skali (w górę lub w dół) powoduje zmianę odległości między krawędzią tarczy a obudową młyna. Jeśli odległość ta będzie zbyt wielka, może wystąpić poślizg wypełnienia, co może spowodować obniżenie wydajności młyna. Najmniejsze urządzenia laboratoryjne pracują poprawnie przy tarczach płaskich. Większe urządzenia mają albo tarcze zmodyfikowane albo zawierające otwory, co ułatwia nadawanie ruchu obrotowego wypełnieniu ucierającemu. Dla większości zastosowań, wymagana jest prędkość obwodowa tarcz wynosząca około 750 m/min. Należy jednak podkreślić, że przy wysokich prędkościach obrotowych należy obniżyć prędkość obwodową w zależności od rozmiarów wypełnienia. Kulki o średnicy 3 mm mogły by roztrzaskać się przy zbyt dużych prędkościach. Tarcze powinny być wykonane ze stali hartowanej powierzchniowo lub ze stali chromowej.

Niezależnie od zmodyfikowanych młynów oferowanych przez firmę Torrance, dostępne są inne młyny perełkowe różniące się pod wieloma względami od wyżej opisanych, ale podstawowym ich działaniem jest wykorzystanie siły odśrodkowej. Młyny takie, np. Centromill (OBS Machines) lub Monomill (August) są uważane za typowe rozwiązania zapewniające uzyskiwanie najlepszych wyników przy mieleniu past pigmentowych. Obowiązują przy tym typowe wymagania dotyczące objętości pasty, która powinna być w przybliżeniu równa objętości wolnych przestrzeni podczas pracy (tzn. około 40 % łącznej objętości pozornej medium ucierającego i wolnych przestrzeni). Przy niższych prędkościach obwodowych tarcz, niektórzy dostawce proponują stosowanie kuleczek o średnicach 3 mm.

7.3.4.2. Metoda pracy

Wsadowe (szarżowe) młyny perełkowe o mniejszych rozmiarach medium ucierającego, mają większą szybkość dyspergowania niż atritory. Jednak przy bardziej ostrych pigmentach lub wypełniaczach, szklane kuleczki ulegają szybkiemu zużyciu.

W takich przypadkach można zastosować inny rodzaj medium ucierającego, ale konieczny jest wtedy większy nadzór i należy unikać stosowania wypełnienia w postaci spieków.

W razie stosowania zwykłego wypełnienia w postaci perełek, istnieje tendencja do gromadzenia się źle utartej pasty w sąsiedztwie między sitem a zaworem odprowadzającym. Dlatego po zakończeniu pewnego etapu mielenia odbiera się część zmielonej pasty i wprowadza się ją na górę młyna w celu ponownego zmielenia. Alternatywnie można zawracać taką pastę i kierować ją do kolejnego wsadu.

Procedura ta nie jest konieczna w przypadku stosowania młynów zmodyfikowanych przez firmę Torrance (dostawca tego typu urządzeń). Młyny te są wyposażone w specjalny zawór precyzyjny wbudowany w strefie między siatką a odprowadzeniem, który nie pozwala na kumulowanie się źle utartej pasty.

Ostatnim punktem na który należy zwracać uwagę, jest ładowanie lub wymiana medium ucierającego. Niektórzy dostawcy wiedzą o producentach szkła, którzy oferują różne odmiany kuleczek szklanych ze szkła ołowiowego lub bezołowiowego. Jeśli załadunek wsadu następuje wg zasady wagowej, należy pamiętać o uwzględnieniu zmian gęstości takiego wypełnienia przy obliczaniu wymaganej objętości wsadu. Prędkość zużywania się medium ucierającego w postaci kuleczek szklanych nie różni się w sposób istotny dla różnych typów szkła. Jednak stwierdzono, że tempo zużycia jest odwrotnie proporcjonalne do średnicy kuleczek. Dlatego wybranie medium o średnicy 2 mm jest korzystniejsze z ekonomicznego punktu widzenia.

7.3.5. Mieszalniki wytwarzające wysokie naprężenia ścinające

7.3.5.1. Informacje ogólne

Istnieją dwa rodzaje mieszalników wytwarzających wysokie naprężenia ścinające, różniące się kierunkiem położenia osi wału napędowego (pionowy lub poziomy). Obydwa typy (zwłaszcza poziomy) są maszynami przeznaczonymi di ciężkiej pracy i skonstruowane są w dostosowaniu do ucierania past o wysokich lepkościach. Maszyny z wałem pionowym pracują zwykle z wymiennymi misami i mogą mieć zgarniacze dołączone do wału obrotowego. Jeśli ich nie ma, proces trzeba okresowo zatrzymywać w celu oczyszczenia pobocznic z pozostałości. Układ jest zwykle chłodzony wodą. Obydwa urządzenia pracują przy ustalonej recepturze pasty, którą można poddawać egalizacji końcowej lub modyfikować w celu skierowania jej do innego młyna końcowego (pracującego w trybie ciągłym).

7.3.5.2. Zasady działania

Tak jak w innych młynach, procedurę adaptuje się w taki sposób aby uzyskać najlepsze wyniki, nawet jeśli wymagania jakości wyrobu są obniżone. Można to łatwo osiągnąć przez zatrzymanie procesu w jego początkowej fazie. W ten sposób można sprawdzać powtarzalność wyników, co nie zawsze jest możliwe w innych procedurach. Maszyny te pracują najwydajniej, gdy lepkość ucieranej pasty jest maksymalna. Dlatego podobne urządzenia konstruowane z różnych materiałów mogą mieć różne wydajności. Większe wydajności można uzyskać korzystając z maszyn skonstruowanych z materiałów o większej wytrzymałości, co pozwala na pracę z pastami pigmentowymi o wyższych lepkościach i tym samym o wyższej zawartości pigmentów.

Tym niemniej należy pamiętać o tym, że lepkość pasty może zmieniać się podczas procesu z podanych niżej powodów:

• Na skutek uwalniania się cieczy z wolnych przestrzeni między cząstkami, co powoduje obniżanie lepkości pasty i można wtedy podwyższyć zawartość pigmentu w celu zwiększenia wydajności.

• Na skutek wzrostu temperatury w wyniku ciepła tarcia. Efekt ten niweluje chłodzenie wodą, ale mimo to można jeszcze wprowadzić pewną dodatkową ilość pigmentu do pasty.

• Pojawiające się w miarę ucierania małe cząstki pigmentu mają większą powierzchnię sumaryczną, co zwiększa ilość cieczy adsorbowanej na tej powierzchni. W takim przypadku konieczne jest zwiększenie w układzie udziału fazy ciekłej dla uniknięcia przeciążenia urządzenia. W takim przypadku niedobór cieczy trzeba uzupełniać możliwie jak najwcześniej przed zatrzymaniem pracy urządzenia, ponieważ całonocne chłodzenie może doprowadzić do sytuacji, w której nastąpi tak silne zestalenie się masy, że zawartość młyna trzeba będzie opróżniać ręcznie.

7.3.6. Mieszalniki wytwarzające niskie naprężenia ścinające

7.3.6.1. Informacje ogólne

Dostępnych jest wiele typów takich urządzeń pod nazwą „mieszalniki wysokoobrotowe” lub „kadzie zarabialnicze”. Oryginalny typ omawianego urządzenia składa się z tarczy osadzonej na wale centralnym wirującym w zbiorniku. Tarcza może mieć powyginane lub ząbkowane krawędzie o różnych kształtach w celu zwiększenia ruchu cieczy a prędkość obrotowa wału może być stała (dwie lub trzy prędkości) lub zmieniana w szerokim zakresie. Wał może być umieszczany centralnie lub przesuwany ekscentrycznie względem osi zbiornika, a także podnoszony lub opuszczany. Zbiornik może być wyposażony w stały lub ruchomy zgarniacz i w razie potrzeby może być chłodzony wodą.

7.3.6.2. Główne funkcje

Tak jak w innych mieszalnikach, funkcje mieszalników wysokoobrotowych z punktu widzenia operacji dyspergowania, spełniają dwa główne zadania:

1. jako urządzenie do sporządzania tzw. „przedmieszki”, tzn. do przygotowania pasty pigmentowej przeznaczonej do mielenia w innych urządzeniach (zwykle w młynach o działaniu ciągłym).
   

2. Jako urządzenie kombinowane do sporządzania przedmieszki i do dyspergowania (mielenia), bez potrzeby kierowania pasty do innych młynów.

Należy tu ponownie podkreślić, że niezależnie od przeznaczenia omawianych urządzeń (a lub b), obowiązują podobne sposoby postępowania i nadzoru pracy. W przypadku a), niewłaściwie sporządzona przedmieszka może doprowadzić do przedwczesnego zniszczenia młyna końcowego, a nawet może uniemożliwić uzyskanie wyrobu o wymaganej jakości. Należy zawsze pamiętać o tym, że sporządzanie przedmieszki jest najważniejszą częścią całego procesu dyspergowania past pigmentowych.

Do innych funkcji mieszalników szybkoobrotowych należy mieszanie, gdy dopuszczalna jest pełna turbulencja. Sytuacja taka może mieć miejsce przy rozpuszczaniu żywic w rozpuszczalnikach lub przy rozdrabnianiu sflokulowanych pigmentów w roztworach żywic. Mieszalniki te, (zwłaszcza w postaci kadzi przewoźnych) mogą być używane do ogrzewania małych szarż past pigmentowych przeznaczonych do zastosowań specjalnych, co może mieć miejsce w poniższych przypadkach:

• gdy zachodzi potrzeba dopasowania koloru wyrobu do ustalonego wzorca, pod warunkiem, że wyrób nie ma skłonności do flokulacji przy utrzymywaniu go przez pewien czas w temperaturze rzędu 60 °C,

• gdy stosuje się specyficzne zagęszczacze oparte na pochodnych oleju rycynowego, które trzeba wprowadzać do wyrobu w podwyższonej temperaturze, zależne od składu lub innych wymagań.

7.3.6.3. Zasady pracy

Ogólną zasadą jest uprzednie sprawdzenie przydatności nominalnych parametrów do określonych zastosowań. Poniżej zestawiono typowe parametry omawianych urządzeń:

Średnica mieszadła (tarczy) d

Średnica mieszalnika (kadzi) D = 2 ½ d ± d

Głębokość robocza mieszalnika H = 2d ÷ 2 ½ d

Wysokość mieszadła nad dnem h = ½ d ÷ 1d

Prędkość obwodowa tarczy przy dyspergowaniu w = 23 m/s

Poniżej omówimy bardziej szczegółowo wymienione parametry nominalne.

Stosunek średnicy zbiornika do średnicy tarczy. Dla małych mieszalników laboratoryjnych, przy stosunku D/d = 2 ½ ÷ 1, odległość między krawędzią tarczy a ścianką zbiornika powinna wynosić tylko 1 lub 2 cale. Przy zmianie skali w górę skali, odległość ta wzrasta do 1 lub 2 stóp. Oznacza to, że ścinanie na obwodzie tarczy zostaje w przypadku dużych jednostek znacznie obniżone w porównaniu z jednostkami laboratoryjnymi. W dużych zbiornikach obserwuje się wtedy bardzo powolny obwodowy ruch pasty, podczas gdy przy tej samej recepturze, pasta w mieszalniku laboratoryjnym porusza się znacznie szybciej. Z tego powodu przy zmianie skali w górę, konieczne jest wprowadzanie trzech korekt:

1. Receptura powinna być zmieniona w kierunku obniżenia lepkości. Obniża to wydajność procesu tworzenia przedmieszki i dlatego wymaga odpowiedniego przedłużenia czasu mieszania (zarabiania pasty).

2. Prędkość obwodowa tarczy powinna być zwiększona. Może to być rozwiązanie droższe, ponieważ moc mieszania rośnie z kwadratem prędkości. Ponadto powoduje to niewielką poprawę efektu tłumienia ruch przez ciecz.

3. Rozmiar tarczy względem zbiornika powinien być zwiększony. Zabieg ten wnosi istotną różnicę warunków mieszania, nawet przy utrzymaniu tej samej prędkości obwodowej. Czynnik ten staje się bardziej wyraźny, gdy do kadzi wprowadzi się najpierw pigmenty łatwo dyspergujące.

Nawet jeśli w warunkach laboratoryjnych uzyskuje się dobre wyniki, to po zmianie skali w górę, uzyskuje się wyniki znacznie gorsze. Stwierdzono w związku z tym, że w warunkach przemysłowych stosunek średnicy tarczy do średnicy zbiornika powinien być możliwie bliski 1÷1 ½ , a nie 1÷2 ½ .

Z powyższych uwag wynika, że wydajność dyspergowania zależy od stosunku średnicy tarczy do średnicy zbiornika i jest tym większa im stosunek ten jest większy. Z drugiej strony, procedura zwiększania średnicy tarczy jest również droga, ponieważ po pierwsze moc jest funkcją trzeciej potęgi średnicy tarczy, a po drugie, zmniejszenie wymiaru zbiornika (zamiast zwiększenia rozmiaru tarczy), może doprowadzić do nieekonomicznego zmniejszenia objętości szarży produkcyjnej.

Należy jednak stwierdzić, że przy stosowaniu pasty opartej na pigmentach łatwo dyspergujących, takich jak np. typowa pasta dwutlenku tytanu, zupełnie dobre wyniki można uzyskać przyjmując stosunek d/D = 1 ÷ 3 ½, a nawet bliski 1 ÷ 4.

Głębokość robocza mieszalnika (wysokość napełnienia). Jest to raczej niespodzianką, ale głębokość mieszalnika może być dowolnie zwiększana w stosunku do wartości nominalnych. Jednak im większa jest lepkość ucieranej pasty, tym trzeba bardziej obniżyć wysokość wsadu aby uzyskać odpowiedni ruch masy w mieszalniku.

Wysokość tarczy mieszadła nad dnem zbiornika. Gdy wał mieszalnika można podnosić i opuszczać, idealne rozwiązanie można znaleźć metodą prób i błędów Jednak jeśli położenie wału w pionie jest ustalone, tarcza powinna znajdować się niezbyt wysoko, aby nie występowała zbyt duża prędkość początkowego ładunku cieczy i nie była ustawiona zbyt nisko dla efektywnej pracy przy pełnym załadowaniu mieszalnika. Należy przed ustaleniem warunków optymalnych sprawdzić działanie układu na podstawowych recepturach wsadowych.

Prędkość obwodowa tarczy. Zwykle, im wyższa jest prędkość obwodowa tarczy, tym lepsze jest dyspergowanie, ponieważ indukowana jest wtedy większa turbulencja i do mieszalnika można wprowadzić więcej pigmentu, aby zwiększyć lepkość pasty i tym samym przejść do pożądanych warunków przepływu laminarnego. Tym niemniej autor dyspergował wiele typowych past opartych na dwutlenku tytanu, zwłaszcza łatwo ucieralnych, już przy prędkości obwodowej 12 m/s w zbiorniku o średnicy 3,75 razy większej od średnicy tarczy. Na fakt ten zwraca się uwagę, aby podkreślić, że nic nie może być traktowane w sposób sztywno ustalony. O zasadzie taj należy zawsze pamiętać i stosować ją w sposób elastyczny.

7.3.7. Inne typy mieszalników

7.3.7.1. Mieszalniki kombinowane, szybkoobrotowe i dostosowane do trudnych warunków pracy.

Układy przeznaczone do ciężkiej pracy, zwykle wyposażone w zgarniacze, dostosowane są do szybkich prędkości obrotowych, przy czym wały mieszadeł można ustawiać pod dowolnym kątem dla uniknięcia ich kontaktu z innymi elementami wewnętrznymi mieszalnika.

System taki jest bardzo przydatny, gdy problemem jest konsystencja ucieranego materiału. Jednak w zastosowaniach ogólnych, efekt dyspergowania musi być wybrany kompromisowo jeśli lepkość ma być odpowiednia zarówno dla zarabiania pasty (tworzenia przedmieszki) jak i dla jej dalszego mielenia. Oczywiście nie dotyczy to past łatwych do dyspergowania.

7.3.7.2. Mieszalniki rotorowo-statorowe

Rozwiązania takie zwykle stosuje się w warunkach przemysłowych. Obracający się wirnik transportuje ciecz przez zestaw wycięć lub otworów w umieszczonych w statorze a wynikające stąd działanie ścinające zapewnia uzyskiwanie odpowiedniego efektu dyspergowania. Jednak dla zapewnienia takiego działania, trzeba stosować pasty o nieco niższej lepkości niż stosowane w mieszalnikach szybkoobrotowych. Tym samym obniża to łączną wydajność urządzenia. Zaleta takich rozwiązań konstrukcyjnych może ujawnić się jednak dopiero w warunkach przemysłowych, przy dyspergowaniu specyficznych układów pigmentowych.

7.3.7.3. Mieszalniki z obracającym się zbiornikiem

Jest to doskonała odmiana mieszalnika, bardzo przydatna do sporządzania przedmieszek pigmentowych o bardzo dużej konsystencji. Zbiornik obraca się wokół centralnej osi, a nieruchome zgarniacze zbierają materiał ze ścianek i kierują go w sąsiedztwo wysokoobrotowej tarczy umieszczonej na wale, który może być umieszczony ekscentrycznie w zbiorniku. Jednak bezpieczna praca urządzenia wymaga wielu ograniczeń konstrukcyjnych, co znacznie powyższa koszty takich konstrukcji.

7.3.8. Młyny o działaniu ciągłym

7.3.8.1. Informacje ogólne

Młyny o działaniu ciągłym stosowane w przemyśle farb i lakierów, można podzielić na dwie podstawowe grupy:

1. młyny rolkowe(walcowe) - działanie ścinające występuje między parami walców lub między jednym walcem a płaską listwą,
   

2. młyny piaskowe / perełkowe - działanie ścinające występuje w następstwie mieszania drobnego medium ucierającego (piasek, szkło lub inne materiały syntetyczne).

Mimo istnienia wielu typów specjalistycznych młynów w obrębie każdej z tych grup, z których każdy może mieszać lub ucierać gruboziarniste kompozycje, to jednak są to raczej wyjątki niż zasady. Dla większości młynów o różnych zastosowaniach używanych w przemyśle farb i lakierów, konieczne jest uprzednie sporządzenie odpowiedniej przedmieszki - o czym była wcześniej mowa - co warunkuje uzyskiwanie zadowalających rezultatów.

Warto tu jeszcze raz podkreślić, że uzyskiwane wyniki zależą głównie od efektywności sporządzania przedmieszki kierowanej do młyna.

Główna różnica między wyżej wymienionymi grupami młynów polega na konsystencji ucieranych przedmieszek o składzie zapewniającym uzyskiwanie najlepszych wyników. Młyny trójwalcowe, tzw. „trójwalcówki” stosowane są do ucierania przedmieszek o wysokiej konsystencji, natomiast przedmieszki ucierane w młynach piaskowych lub perełkowych mają niższą konsystencję z uwagi na inną konstrukcję takich młynów.

Młyny o działaniu ciągłym zasilane są przedmieszkami sporządzanymi głównie w systemie szarżowym, co pozwala na odpowiednie sterowanie jakością przedmieszek. Sporządzanie przedmieszek w systemie ciągłym nie zawsze jest możliwe, zwłaszcza przy korzystaniu z mieszalników łopatkowych używanych do zarabiania past łatwych do ucierania.

Z drugiej strony, jeśli opróżnianie młynów szarżowych jest łatwe i stabilne, cały proces można traktować jako ciągły. Tym niemniej obecnie praca w systemie szarżowym jest powszechnie stosowana za wyjątkiem nielicznych przypadków.

7.3.8.2. Młyny trójwalcowe

Z pośród młynów wielowalcowych, najczęściej stosowane są trójwalcówki a zasada ich działania wynika z Rysunku 7.6. Natomiast zasada działania inne młynów wielowalcowych (np. 5- i 6-walcowych) stanie się oczywista jeśli zrozumiemy zasadę pracy młynów trójwalcowych.

Rysunek. 7.6. Młyn trójwalcowy

Trzy walce trójwalcówki: zasilający, centralny i zbierający, obracają się we wskazanych kierunkach ale z różnymi prędkościami, np. dla walców o średnicach 12 cali i długości 30 cali, prędkość walca zasilającego może wynosić 30÷40 obr./min. Walec centralny w tym układzie powinien obracać się z prędkością 1,5 razy większą od walca zasilającego, a walec zbierający z prędkością 1,5 razy większą do walca środkowego. Jednak wydajność wzrasta ze zwiększaniem się stosunków tych prędkości, a w najnowszych modelach trójwalcówek, stosunki te wynoszą 2 a nawet 3.

Zasilanie następuje za pośrednictwem „leja samowyładowczego”, utworzonego miedzy walcem zasilającym a centralnym, których dwie końcowe płyty zapobiegają wyciekaniu pasty na zewnątrz walców. Szczeliny miedzy walcami utrzymywane są ciśnieniem hydraulicznym na poziomie 1÷2 μm.

Podczas pracy, bardzo lepka, ustabilizowana pasta pigmentowa przenoszona jest wzdłuż walców z różnymi prędkościami, zapewniającymi utrzymywanie przepływu laminarnego farby wpływającej do szczeliny między walcem zasilającym i środkowym. Bliskość walców wywołuje powstawanie bardzo wysokich sił ścinających na „taśmę” materiału przepływającego między nimi. Cały materiał przechodzi przez obie szczeliny (gdzie działania te są podobne), ale część materiału resztkowego wznoszącego się wzdłuż walca, wykazuje skłonność wracania do szczeliny zasilającej. Przy dobrze zaprojektowanym zestawie i właściwie ustawionym odbiorze produktu, można uzyskać blisko 100 % wydajność urządzenia.

Trójwalcówki są prawdopodobnie najbardziej wydajnymi urządzeniami dyspergującymi dostępnymi dla przemysłu farb i lakierów, ale przy ich stosowaniu konieczne jest przestrzeganie pewnych zaleceń.

Konieczne jest dobre doświadczenie i odpowiedni nadzór nad działaniem tych urządzeń w celu uniknięcia uszkodzenia walców, które zużywają się nawet przy zachowaniu dużej ostrożności. Gdy walce ulegną częściowemu uszkodzeniu, wyłaniają się liczne problemy, których przyczyna powstawania nie zawsze jest znana. Aby uniknąć takich kłopotów, należy sprawdzać wydajność ucierania w różnych punktach wzdłuż całej długości walców. Jeśli wyniki są różne oznacza to, że niektóre części powierzchni walców są bardzie zniszczone niż inne i należy wziąć pod uwagę kosztowną konieczność przeszlifowania walców.

Przedmieszka kierowana do trójwalcówek musi być ustabilizowana i powinna mieć dostatecznie wysoką lepkość. Wprawdzie zawsze można utworzyć pastę o dostatecznie wysokiej lepkości, stosując do tego celu mieszalniki szybkoobrotowe (kadzie zarabialnicze) o masywnej konstrukcji, ale wymaga to również dużego zużycia energii elektrycznej. Mieszalniki przeznaczone do sporządzania przedmieszek ucieranych w trójwalcówkach, dostosowane do ciężkiej pracy, powinny być wysokie naprężenia ścinające oraz niskie prędkości ścinania. Kombinacja takich mieszalników z trójwalcówkami powinna zapewniać najlepsze wyniki - z punktu widzenia jakości wyrobu - ponieważ każde z tych urządzeń można ustawić na pracę w pożądanych warunkach przepływu laminarnego przy najwyższej lepkości pasty.

7.3.8.3. Młyn jednowalcowy

Zasada działania jednowalcówki (lub młyna walcowego) przedstawiona jest na Rysunku 7.7. Ustabilizowana przedmieszka znajdująca się w leju samowyładowczym wpływa przez szczelinę między walcem a listwą dociskową i gromadzi się w sąsiedztwie punktu odbioru. Listwa dociskowa ma jedną lub dwie łopatki - w zależności od wielkości młyna - i dociskana jest do obracającego się walca ciśnieniem hydraulicznym, dzięki czemu spełnia podobną rolę jak walec w trójwalcówce. Jednak z uwagi na to, że listwa ta jest statyczna (nieruchoma), przedmieszka powinna być nieco mniej lepka (przez dobieranie składu pasty) niż to ma miejsce przy trójwalcówkach. Tym niemniej jest to doskonały młyn, działający na zasadzie zbliżonej do trójwalcówki i pozwalający na uzyskiwanie podobnych wydajności. Posiada on jedną, ważną zaletę. Konstrukcja pozwala na przejście pewnej ilości pasty na końcach listwy bez ścinania, gdzie może zbierać się materiał gorzej przetarty.

Jednak punkt odbioru jest tak zaprojektowany, że zbierany tam wyrób o gorszym przetarciu może być oddzielony od głównej części dobrze utartej pasty i kierowany do ponownego ucierania.

Rysunek 7.7. Młyn jednowalcowy

Podobnie jak to miało miejsce w przypadku trójwalcówek, młyn jednowalcowy wymaga dobrej obsługi przez doświadczonego operatora, a zarówno listwa dociskowa jak i walec muszą być dokładnie sprawdzane pod katem ich prawidłowego działania. Co pewien czas może być konieczne przeszlifowanie listwy oraz cylindra.

Z wielu powodów, a głównie ze względu na większą pracochłonność związaną z obsługą młynów trój- i jednowalcowych, są one stopniowo wycofywane z przemysłu farb i lakierów gdzie coraz większe zastosowanie znajdują młyny piaskowe (perełkowe).

7.3.9. Młyny piaskowe (perełkowe, kuleczkowe)

7.3.9.1. Informacje ogólne

Młyny piaskowe lub perełkowe o działaniu ciągłym są cylindrami, w których znajduje się wypełnienie ucierające takie jak piasek, perełki, itp. Wypełnienie to znajduje się w ruchu pod wpływem wirujących tarcz osadzonych na wale, a przez młyn przepływa przedmieszka pigmentu )lub innego ciała stałego) zawieszona w żywicy lub w innym roztworze. Pasta opuszcza młyn w formie zdyspergowanej lub zmielonej w zależności od receptury lub stosowanej procedury ucierania.

Schemat młyna piaskowego przedstawiono na Rysunku 7.8.

Rysunek 7.8. Młyn piaskowy

Wielu dostawców zachwala własne rozwiązania konstrukcyjne młynów piaskowych. Jednak niezależnie od wyboru typu młyna, ich zasada działania pozostaje taka sama nie tylko w odniesieniu do oferowanych, istniejących wariantów, ale nawet w stosunku do najnowszych rozwiązań. Tym niemniej przy modernizacji istniejących instalacji związanych z wymianą młynów trzeba zachować pewną ostrożność z uwagi na niewielkie różnice pomiędzy parametrami ich pracy. Wszystkie modele zapewniają wysoką jakość dyspergowania wynikającą z poniższych, wspólnych cech:

1. Przedmieszka o wyższej konsystencji - o ile urządzenie jest dostosowane do takich warunków pracy.

2. Medium ucierające o mniejszych rozmiarach - jednak dolna granica wynosi na ogół 0,8 mm.

3. Większa ilość medium ucierającego (tzn. zwiększenie stosunku medium ucierającego do pasty).

4. Szybsze mieszanie medium ucierającego - wymaga to jednak większego zużycia energii i może spowodować wzrost temperatury i ciśnienia w młynie.

5. Wolniejsze przepuszczanie pasty - może również spowodować wzrost temperatury i ciśnienia w młynie.

Do innych czynników które mogą wpływać na szybkość i jakość dyspergowania, zwłaszcza przy stosowaniu najnowszych modeli, należą:

• rozwiązanie techniczne sita,

• rozwiązanie techniczne tarcz obrotowych,

• skład i rozmiary medium ucierającego.

Istnieją trzy główne typy młynów piaskowych o działaniu ciągłym: pionowe otwarte, pionowe zamknięte, oraz poziome.

Istnieją inne drobne różnice stosowania tych młynów, np. praca dwóch lub trzech młynów w szeregu, ale metoda pracy takich układów wynika z zasady działania pojedynczych egzemplarzy. W ramach istniejących typów, obecnie obserwuje się tendencję do stosowania młynów poziomych.

Różnice między oferowanymi młynami piaskowymi polegają głównie na odmiennych rozwiązań tarcz, uszczelnień oraz sit.

Tarcze. We wszystkich trzech typach młynów stosowane są tarcze obrotowe o różnych kształtach, które wg oferentów zaprojektowano w oparciu o podstawy „naukowe”, ale zdaniem autora, chodzi tu tylko o wyeksponowanie drobnych różnic między nimi.

 

Uszczelnienia. Sposób uszczelnienia jest bardzo ważny, zwłaszcza w przypadku pionowych młynów zamkniętych oraz poziomych i ten czynnik należy uwzględniać przy wyborze urządzenia mielącego.

Sita. W oryginalnych otwartych młynach pionowych, funkcją siatki było oddzielenie piasku od pasty, przy czym stosowano w tym celu najprostsze rozwiązania. Gdy stwierdzono, że na siatce systematycznie osadza się mielony materiał, dla pokonania tej trudności wprowadzono pionowe młyny zamknięte. Młyny takie pracują przy nadciśnieniu a zmielona pasta jest przetłaczana przez sito. Firma Drais wprowadziła zamiast sita - szczeliny lub dynamiczne separatory, stosowane w młynach poziomych. Jednak nadal stosowane są różne sita w zależności od koncepcji producentów młynów.

7.3.9.2. Porównanie trzech typów młynów piaskowych

Wszystkie typy młynów piaskowych o działaniu ciągłym wymagają wprowadzania odpowiedniej przedmieszki, przy czym, jak to już wielokrotnie było podkreślane, im lepsza przedmieszka, tym lepsze wyniki ucierania (lub łatwiej można uzyskać wyrób o wymaganej jakości). Wszystkie modele wymagają stosowania przedmieszki ustabilizowanej.

Najprostszy młyn piaskowy, tzn. pionowy otwarty jest na ogół bardzo przydatny do ucierania past pigmentowych. Stopień przetarcia można regulować przez obniżenie natężenia przepływu pasty przez młyn. Natężenie to można zwiększać jeśli przedmieszka jest dobrze przygotowana lub gdy mamy do czynienia z pigmentami łatwymi w ucieraniu. Tym niemniej znaczną trudność może sprawić ucieranie past o podwyższonej konsystencji lub wykazujących właściwości tiksotropowe.

Młyny pionowe zamknięte mogą być stosowane do ucierania past o wyższej lepkości i z tego punktu widzenia są one lepsze od młynów otwartych.

Młyny poziome mają możliwość stosowania medium mielącego (piasku) o różnych typach wielkości ziaren w zależności od rodzaju ucieranej pasty Jednak wiele oferowanych rozwiązań różni się rodzajem tarcz obrotowych, uszczelnień i sit i to zróżnicowanie zwiększa ich uniwersalność i potencjał stosowania. Jeśli zastosowana siatka ma małą powierzchnię wówczas może następować jest stopniowe zatykanie, co podwyższa ciśnienie, zwłaszcza przy zwiększonym natężeniu przepływu. Może temu również towarzyszyć wzrost temperatury. Tak więc korzyści związane ze stosowaniem młynów poziomych, trzeba opłacić znacznie większym nadzorem przy ich eksploatacji.

7.3.9.3. Medium ucierające

Obowiązują w tym zakresie ogólne zasady poprzednio omawiane, ale w tym przypadku dochodzą do tego dodatkowe wymagania.

Kształt. Medium ucierające poddawane jest wysokim prędkościom i dlatego należy ograniczyć stosowane media do kształtu kulistego.

Rozmiar. Wielkość wypełnienia zależy od rodzaju ucieranej pasty. Na ogół zaleca się stosowanie wypełnienia ucierającego o średnicach 0,6 ÷ 3.0 mm.

Skład. Można stosować naturalne lub syntetyczne medium ucierające.

Media naturalne. Jedynym naturalnym medium o kształcie kulistym i średnicy 0,8 ± 0,2 mm, jest piasek typu Ottawa. Ma on stosunkowo wysoką gęstość rzędu 2,6 g.cm³ i jest dostatecznie twardy do dyspergowania pigmentów. Nowe dostawy piasku należy przepuszczać przez młyn w roztworze żywicy, aby usunąć kurz i wystające krawędzie ziaren.

Media syntetyczne. Media te obejmują zarówno materiały szklane jak i ceramiczne. Perełki szklane są doskonałym medium ucierającym i są dostępne w różnych rozmiarach. Należy jednak brać pod uwagę gęstość szkła, ponieważ niektórzy oferenci dostarczają perełki z różnych składowisk i możliwe jest dostarczenie materiału ze szkła ołowiowego. Nie występują istotne różnice pod względem trwałości szkła, jeśli nie wypełnienie nie zawiera cząstek o przypadkowych kształtach. Do tego celu dobrze nadaje się steatyt. Wypełnienie na bazie aluminium może być stosowane pod warunkiem, że perełki będą wykonywane techniką wypalania a nie spiekania.

Przez pewien czas zalecano do tego celu stosowanie wypełnienia na bazie cyrkonu.

Tlenek cyrkonu był uważany za idealny, ze względu na jego wysoką gęstość około 5,6 g/cm³. Jednak dostępny typ tlenku był otrzymywany metodą spiekania, co sprzyjało jego przedwczesnemu zużyciu i ucierany materiał zawierał niepożądany wypełniacz. Ponadto już po miesiącu stosowania obserwowano znaczne zużywanie się tego wypełnienia. Gdy tlenek cyrkonu był wytwarzany metodą wypalania, nie obserwowano jego przedwczesnego zużycia, a jego wysoka gęstość i różnorodność dostępnych rozmiarów, czyniła go atrakcyjnym wypełnieniem ucierającym

Krzemiany cyrkonu wytwarzane w procesie wypalania, dostępne w postaci małych perełek, są jeszcze nadal uważane za odpowiednie medium ucierające. Nie ma przy tym większego znaczenia, czy jest to czysty krzemian cyrkonu czy wypalane tlenki lub krzemiany cyrkonu. Wysoka gęstość krzemianów cyrkonu rzędu 3,8 g/cm³ czyni go pod tym względem bardziej atrakcyjnym od szkła, zwłaszcza z punktu widzenia wydajności mielenia:

• Im większa jest względna gęstość wypełnienia (w porównaniu z gęstością pasty), tym szybciej osiąga się wymagany stopień przetarcia, lub lepsze przetarcie po tym samym czasie mielenia.

• Chociaż medium to jest droższe od szkła, jednak wykazuje mniejsze zużycie a także mniejszą ścieralność młyna, co w sumie pozwala na obniżenie łącznych kosztów mielenia.

Wypełniacz ten ma jednak jedną wadę, na która trzeba zwracać uwagę. Niektóre partie dostaw krzemianu cyrkonu mogą zawierać wnęki na powierzchni i wewnątrz ziaren. W niektórych dostawać wady te mogą być nieliczne, ale gdy są one nadmierne, wówczas nie tylko zmniejsza się efektywna gęstość wypełnienia, ale również wzrasta jego skłonność do pękania. Dlatego, mimo wielu zalet, trzeba zachować ostrożność i kontrolować stan dostarczanego materiału.

7.3.9.4. Wsad medium ucierającego

Otwarte młyny pionowe bazują na medium ucierającym w postaci piasku. W pierwszym przybliżeniu, wymaganą Ilość wypełnienia podają producenci młynów, po czym można ja skorygować w dostosowaniu do ucieranej dyspersji. Zwykle wprowadza się tyle piasku, aby jego ilość wypełniała młyn ponad górną tarczę, ale poniżej dolnej części siatki. Takie załadowanie pozostawia wystarczające miejsce nad piaskiem które zostaje wypełnione podczas pracy młyna w miarę doprowadzania ustabilizowanej pasty pompowanej od dołu. Oznacza to, że pasta będzie zajmowała znacznie więcej miejsca niż wynika to z wolnych przestrzeni miedzy ziarnami piasku znajdującego się w spoczynku. Nadwyżka ta zależy od prędkości pasty przetłaczanej przez młyn. Im większa szybkość pompowania, ty wyżej podnosi się piasek i tym wyższy stosunek pigmentu do piasku. Większe natężenie pasty oznacza również mniejsze tarcie miedzy pastą a piaskiem ponieważ w układzie istnieje wówczas więcej czynnika smarującego ziarna piasku. Z tego powodu temperatura w młynie wynikająca z indukowanego ciepła tarcia, ulega obniżeniu. Jednak zwiększenie natężenia przepływu pasty obniża skuteczność mielenia. Dlatego prędkość przepływu pasty powinna być w sposób kompromisowy dostosowana do wymaganego przetarcia oraz do innych parametrów.

Zamknięte młyny pionowe są podobne do otwartych, a ich zamknięcie sprawia, że ucieranie następuje pod pewnym ciśnieniem.

Sito ogranicza wypływanie medium ucierającego, ale niektóre modele mają specjalną szczelinę wypływową, działającą jako dynamiczny separator. Główne różnice pomiędzy pionowymi młynami zamkniętymi i otwartymi polegają na tym, że w młynach zamkniętych nie jest zalecane stosowanie piasku, lecz wypełnienia w postaci perełek szklanych lub z innych materiałów syntetycznych. Ponadto młyny zamknięte pracują przy nadciśnieniu, co pozwala na ucieranie past o wyższej lepkości. Również w tym przypadku przybliżoną ilość wymaganego wypełnienia w młynach podają ich dostawcy, a ich optymalna ilość trzeba ustalać metoda prób i błędów.

Typowe zalecenia w zakresie wypełnienia stosowanego w zamkniętych młynach pionowych, mających większe rozmiary, sugerują stosowanie mieszaniny równych części kuleczek (perełek) szklanych o średnicach 2 mm i 3 mm. Należy przy tym pamiętać, że młyny te są wysokimi kolumnami wypełnionymi kuleczkami, które wywierają znaczny nacisk na dolną część młyna. Ta wielka masa musi być poddana ruchowi obrotowemu dzięki tarczom osadzonym na pionowym wale. Im mniejsze rozmiary kuleczek, tym większe ich upakowanie i dlatego większa siła jest niezbędna dla zainicjowania ruchu. Stosowanie kuleczek o średnicach większych od 3 mm może spowodować ich osiadanie na dnie młyna. Kuleczki o mniejszych średnicach (2 mm) znacznie ułatwiają uruchomienie młyna. Jednak głównym czynnikiem ułatwiającym uruchomienie młyna jest wprowadzenie do niego pewnej ilości smarującego czynnika zawierającego roztwór żywicy a także wprowadzanie do młyna takiego roztworu przed wyłączaniem młyna, aby ułatwić jego ponowne uruchomienie. Niebezpieczne jest pozostawianie zbyt małej ilość takiego roztworu, ponieważ ciepło tarcia może spowodować odparowanie lotnego rozpuszczalnika i przypalanie żywicy, co odbija się zarówno na ucieranej paście jak i na kulkach szklanych !.

Młyny poziome mają tą zaletę, że ciężar kulek nie jest tak istotny uruchamianiu. Perełki znajdują się w poziomym cylindrze zawierającym wał centralny z osadzonymi na nim tarczami lub innymi typami elementów mieszających, które obracają się w płaszczyźnie pionowej. Z tego powody grawitacja w młynach poziomych odgrywa znacznie mniejszą rolę niż w młynach pionowych.

Główna różnica między młynami poziomymi a pionowymi polega na tym, że w tych ostatnich można stosować wyższy stosunek wypełnienia ucierającego do przedmieszki pigmentowej. Niektórzy dostawcy takich młynów zalecają taki wsad wypełnienia, aby jego objętość pozorna stanowiła 70 ÷ 90 % całkowitej objętości pustego młyna, a pozostałą część powinna zajmować pasta przetłaczana przez młyn. Główną zaletą młynów poziomych jest wysoki stosunek wypełnienia do pasty, ponieważ ma wtedy miejsce silniejsze działanie ucierające. Jednak autor uważa, że stosunek ten nie powinien być mniejszy od 75 %, za wyjątkiem przypadków szczególnych. Ponadto załadowanie powyżej 85 % musi być stosowane z dodatkową ostrożnością, z uwagi na pojawiające się wtedy problemy z temperaturą i ciśnieniem.

7.3.9.5. Zasady pracy

Jeśli młyn piaskowy pracuje w systemie ciągłym, trudno jest w łatwy sposób przewidzieć jaki stopień stabilizacji pasty wystąpi po jej przejściu przez młyn. Chociaż młyny te były projektowane wiele lat temu, to jednak podstawowym wymogiem ich prawidłowej pracy nadal jest dobra stabilizacja przedmieszki kierowanej do młyna. Większość przedmieszek ucieranych w młynach piaskowych sporządza się w mieszalnikach wysokoobrotowych i na ogół spełniają one te wymagania przy przestrzeganiu poprzednio podanych zasad postępowania.

Jednak z drugiej strony trzeba stwierdzić, że z technicznego punktu widzenia, idealny typ przedmieszki powinien być sporządzany w mieszalnikach przystosowanych do ciężkich warunków pracy, zwłaszcza przy zarabianiu past opartych na pigmentach organicznych. Niezależnie od stosowanej metody, przedmieszka sporządzona z należytą uwagą i mająca odpowiednią konsystencje, nadaje się do ucierania w młynach piaskowych. Idealnie ustabilizowaną przedmieszkę uzyskuje się po jej jednokrotnym przepuszczeniu przez młyn. Jeśli pigmenty są szczególnie trudne do ucierania może być kilkakrotne przepuszczenie pasty przez młyn.

W przypadku młynów poziomych, istnieje szczególne czynniki, który trzeba brać pod uwagę. Należą do nich ciśnienie w komorze oraz temperatura ucieranego materiału. Temperaturę dopuszczalną ustala technolog i kontrolują ją operatorzy urządzenia. Ciśnienie nie może przekraczać wartości ustalonej przez producenta młyna (zwykle 2,5 bara). Dlatego po ustaleniu parametrów pozwalających na utrzymywanie dostatecznie niskiego ciśnienia i temperatury, parametry te można wykorzystać przy zmianie skali w górę. Jeśli jednak jeden z tych czynników jest bliski wartości granicznej, wówczas skalowanie musi uwzględniać te wartości graniczne, tzn. jeśli model ma być zwiększony n-krotnie, wówczas natężenie przepływu ucieranej pasty (w granicach dopuszczalnego ciśnienia i temperatury) można zwiększyć przez pomnożenie o współczynnik n^2/3.

Jeśli weźmiemy pod uwagę wysokiej klasy emalie samochodowe o wysokim połysku, dla których sporządzania młyny te są idealne, stwierdzono jednak, że młyny poziome są pod względem wydajności dwa do trzy razy lepsze niż młyny pionowe o tej samej skali, pod warunkiem, że nie występują nietypowe właściwości reologiczne.

Firma Drais produkująca młyny zamknięte, wytwarza je w wersjach mogących pracować przemiennie, zarówno w układzie pionowym jak i poziomym. Takie specyficzne typy trzeba raczej traktować jako bardziej podobne do młynów poziomych niż do młynów pionowych.

7.4. Recepturowanie dla optymalnego zwilżania i dyspergowania

7.4.1. Wprowadzenie

Pigmenty zwykle występują w postaci aglomeratów lub klastrów (zbitek) pojedynczych cząstek, które w środowisku ciekłym powinny być rozbite pod wpływem działania sił ścinających. Siły te muszą być dostatecznie duże dla pokonania sił kohezji istniejących w strukturach wielocząstkowych. Jednak procesy wytwarzania pigmentów mogą powodować powstawanie agregatów w postaci spieków. Jeśli spieków tych nie ma zbyt dużo, wprowadzenie pewnej ilości niektórych dodatków może ułatwić ich separację. Prawdopodobnie, najlepiej dostosowanym do wprowadzania takich dodatków jest młyn kulowy, ale występujące w nich warunki dyspergowania i mieszania są dalekie od ideału. Wysoka lepkość dyspersji warunkująca wytwarzanie dużych sił ścinających, osłabia efekt uderzeń rozdrabniających. W praktyce proces występujący w młynach kulowych najlepiej nadaje się do mielenia na sucho lub w roztworach wodnych, albo w innych cieczach o niskiej lepkości. Dlatego idealną sytuacją nie wymagającą rozdrabniania spieków jest uzyskiwanie pigmentów wytwarzanych w sposób właściwy.

7.4.2. Młyny kulowe

7.4.2.1. Etap dyspergowania

Skład pasty pigmentowej powinien odpowiadać jak najbliżej wymaganiom podanym w Tabeli 7.2 lub wynikającym (dla młynów kulowych) z Rysunku 7.2. Objętość takiej pasty powinna zapewniać całkowite wypełnienie wolnych przestrzeni między medium ucierającym znajdującym się w ruchu. Tak więc jeśli młyn jest załadowany medium ucierającym, którego objętość pozorna stanowi 50 % łącznej objętości młyna, wówczas objętość pasty pigmentowej wyrażonej w % w odniesieniu do całkowitej objętości młyna wyniesie:

Dla kul: 20 %

Dla owali: 22,5 %

Dla cylindrów: 17,5 %

przy czym przekroczenie tych wartości nie powinno być większe od 2,5 %.

Obniżeniu pozornej objętości medium ucierającego powinno towarzyszyć odpowiednie obniżenie objętości pasty pigmentowej, np., gdy objętość pozorna medium ucierającego stanowi tylko 33 1/3 % objętości młyna, wówczas podane wyżej wartość należy obniżyć o jedną trzecią.

Nadmierne załadowanie młyna pastą obniża jego sprawność i chociaż pozornie dobre wyniki można wówczas uzyskać przedłużając czas mielenia, to jednak na dłuższą metą odbija się to na stabilności pasty.

Niedostateczne załadowanie młyna pastą zwiększa wprawdzie jego sprawność, ale jest szkodliwe, ponieważ zwiększa się stopień niszczenia młyna i medium mielącego, którego ścier dostaje się do pasty.

Po prawidłowym ustaleniu receptury pasty i po ustawieniu objętości wsadu (odpowiedniej dla danej ilości medium ucierającego), rozkład ciała stałego i cieczy będzie możliwie najbardziej równy, co zapewnia uzyskiwanie najlepszych warunków dyspergowania. Jednak dla pewności należy sprawdzać, czy występuje efekt kaskadowy lub czy z przypadkowych powodów lepkość wsadu nie jest zbyt wysoka. Może to nastąpić przy zmianie surowca lub wtedy gdy dostarczona partia pigmentu ma większą liczbę olejową niż zwykle.

Z uwagi na to, że łatwiej jest obniżać lepkość, niż ją zwiększać, istnieje pewien naddatek wartości wynikających z krzywych przedstawionych na Rysunku 7.2. Na ogół nie trzeba wprowadzać żadnych modyfikacji składu, ale może być wskazane pewne rozcieńczenie w zależności od potrzeby. Wiele pigmentów o wysokich liczbach olejowych wykazuje nieregularność rozrzedzania w przypadku wysokiej granicy płynięcia lub tiksotropii pasty. Wskazane jest wówczas stopniowe dodawanie roztworu żywicy w kilku etapach. Gdy rozcieńczanie będzie wykonywane możliwie małymi porcjami, na tyle aby widoczne było płynięcie, wówczas uzyska się lepszą dyspersję niż przy jednoczesnym wprowadzeniu całej porcji roztworu.

Sposób ten nie jest zbyt popularny z uwagi na pracochłonność związaną z otwieraniem młyna, rozcieńczaniem, zamykaniem młyna i jego uruchamianiem i dlatego często wprowadza się od razu całą wymaganą ilość roztworu, aby uniknąć dalszego dodawania.

Jeśli czasy mielenia przekraczają pewną ustaloną „normę” i nie znamy przyczyny tej sytuacji, należy w pierwszej kolejności sprawdzić recepturę i jakość pasty a także ilość oraz stan medium ucierającego.

Jeśli wymagane jest dyspergowanie pigmentów organicznych do najwyższego stopnia utarcia, wówczas pożądany wynik osiągnąć można po upływie 48 godzin ucierania. Tylko pigmenty wyjątkowo trudne w ucieraniu wymagają mielenia przez 72 godziny. W odróżnieniu od tych skrajnych przypadków, dla większości pigmentów wystarczy 24-godzinne ucieranie.

7.4.2.2. Stabilizacja (egalizacja)

Po zakończeniu ucierania pasty konieczne jest przeprowadzenie stabilizacji przez dodanie do niej roztworu żywicy, lub innych dodatków w celu dostosowania składu do wymagań podanych w Tabeli 7.1. Liczba porcji dodawanej żywicy oraz operacji dyspergowania uzupełniającego (dla zmielenia ewentualnie utworzonych cząstek sflokulowanych), zależy od zawartości części nielotnych w roztworze żywicy wchodzącej w skład pasty, co ilustruje Tabela 7.4.

Tabela 7.4. Krotność rozcieńczania żywicy w procesie stabilizacji (egalizacji)

Zawartość części nielotnych w żywicy do rozcieńczania pasty pigmentowej [%]	Liczba kolejnych porcji dodawanego roztworu żywicy w celu przeprowadzenia stabilizacji pasty
> 40	1
> 30	2
> 25	3 (z ostrożnością można 2 razy)
> 20	4 (z ostrożnością można 3 razy)
> 15	5 (z ostrożnością można 4 razy)

Gdy konieczna jest duża krotność dodawania roztworu żywicy, najpierw należy wprowadzać małą porcje roztworu, po czym porcje te można zwiększać. Konieczne jest uruchamianie młyna kulowego po każdym dodatku na okres około 1 godziny w celu zmielenia wszystkich flokuł. Jeśli po takim zmieleniu nadal pozostają flokuły, można sądzić, że roztwór był dodawany w zbyt dużych porcjach.

7.4.3. Atritory

7.4.3.1. Etap dyspergowania

Skład pasty należy ustalać w sposób zgodny ze wskazówkami podanymi w Tabeli 7.2. oraz na krzywej dla atritora przedstawionej na Rysunku 7.2. Zapewnia to uzyskiwanie warunków przepływu laminarnego oraz odpowiednie ścinanie.

Istnieją dwa sposoby dyspergowania takiej pasty:

1. Do atritora wprowadza się pewną ilość cieczy, uruchamia się atritor, po czym wprowadza się fazę stałą. Pozostałą ilość cieczy wykorzystuje się do przepłukania urządzenia po zakończeniu ucierania. Jest to najwygodniejsza procedura pozwalająca na unikanie pylenia się materiału i wystarczająco bezpieczna dla unikania przedostawania się do pasty zanieczyszczeń z innych instalacji oraz pozwalająca na oczyszczanie trudno dostępnych części atritora.

2. Całą przedmieszkę o składzie wynikającym z receptury miesza się wstępnie w mieszalniku o wysokiej prędkości ścinania, po czym wprowadza do atritora za pomocą pompy lub przez lej. Metoda ta jest wygodniejsza w przypadku dużych atritorów i pozwala na uzyskiwanie powtarzalnych szarż o takim samym składzie.

7.4.3.2. Stabilizacja (egalizacja)

Po prawidłowym przetarciu pasty, konieczna jest jej stabilizacja. Gdy młyn jest typu otwartego, procedura jest prosta, ponieważ ciecz może być doprowadzana w sposób ciągły pod warunkiem, że prędkość dozowania nie przekracza prędkości jej wchłaniania przez pastę. Dozowanie powinno być początkowo wolne, a dopiero po tym można je zwiększać. Następnie młyn opróżnia się i przemywa pozostałą ilością cieczy wynikającą z receptury lub inną frakcją tego samego typu, jaka była użyta do zarabiania pasty.

7.4.4. Szarżowe młyny perełkowe

Skład pasty powinien być zgodny z danym zawartymi w Tabeli 7.2 oraz z odpowiedniej krzywej na Rysunku 7.2 a metoda ładowania młyna jest podobna jak w przypadku ładowania atritorów, tzn.:

1. wprowadza się pewną ilość cieczy, uruchamia się młyn, dodaje fazę stałą i przemywa się pozostałą ilością cieczy, lub

2. sporządza się przedmieszkę i wprowadza się ją w całości do młyna zawierającego wypełnienie ucierające.

Tak jak w przypadku innych młynów, objętość pasty powinna być równa objętości wolnych przestrzeni między wypełnieniem ucierającym podczas pracy, co zapewnia najbardziej efektywne dyspergowanie. Czas ucierania zmienia się w zależności od surowców, np. 15 minut dla pigmentów łatwo dyspergowalnych do 30 ÷40 minut dla większości pigmentów organicznych oraz d0 60 minut dla sadzy.

Czasy te są dłuższe tylko w sytuacjach nietypowych, przy wyrobach bardzo trudnych do ucierania, np. przy tlenkach przezroczystych. Po uzyskaniu wymaganego przetarcia, przeprowadza się stabilizację pasty dostosowując jej skład do danych podanych w Tabeli 7.1 w podobny sposób jak przy atritorach.

7.4.5. Mieszalniki wytwarzające wysokie naprężenia ścinające

Do urządzenia wprowadza się mieszankę o składzie wynikającym z Tabeli 7.2 lub z krzywej dla odpowiedniej przedmieszki (Rysunek 7.2) i uruchamia się urządzenie.

Przy niektórych składach recepturowych może być konieczne chłodzenie w miarę dodawania pigmentu lub innych ciał stałych. Początkowa szybkość wprowadzanie surowców jest dużą, po czym dalsze dozowanie jest wolniejsze, dostosowane do szybkości ich wchłaniania. Podczas pracy urządzenia należy obserwować pobór mocy aby uniknąć przeciążenia a w miarę potrzeby można dodawać ciecz w celu obniżenia konsystencji pasty. W fazie końcowej, po dodaniu wszystkich składników wynikających z receptury, mieszanie należy prowadzić przy maksymalnej mocy. Dalszy sposób postępowania zależy od rodzaju dyspergowanego materiału.

W przypadku ucierania pigmentu o niskiej liczbie olejowej, nie należy oczekiwać znacznej zmiany lepkości i związanej z tym zmiany temperatury. Jednak jeśli temperatura wzrasta już w pierwszej fazie dodawania pigmentu na skutek wzrostu tarcia wewnętrznego, może oznaczać to, że prędkość dodawania była zbyt duża. Zwykle konieczne jest wtedy chłodzenie układu. Na skutek uwalniania nadmiernej części cieczy z wnętrz przestrzeni międzyziarnowych może nastąpić pewne obniżenie lepkości. Jednak w warunkach typowych sytuacja taka jest mało prawdopodobna, ponieważ uwalniana ciecz zostaje natychmiast zużyta na zwilżanie powierzchni ziaren pigmentów.

Dyspergowanie prowadzi się zwykle przez około 15 minut i dalsze przedłużanie tego czasy zwykle nie jest konieczne. Następnie przeprowadza się stabilizację zdyspergowanej pasty przy ciągłej pracy mieszalnika przez wprowadzanie cieczy stabilizującej. Początkowa szybkość dozowania powinna być niewielka, w dostosowaniu do tempa jej adsorbowania przez pastę. Obniża to tendencję do rozwarstwiania się mieszanej masy oraz do flokulacji cząstek.

Jeśli stosowany pigment jest materiałem łatwym do dyspergowania, taki jak większość bieli tytanowych, możliwe może być jego dostateczne utarcie w tej operacji, nawet przy dość wysokich wymaganiach w tym zakresie (np. przy wytwarzaniu farb przeznaczonych dla motoryzacji). W takiej sytuacji, po ustabilizowaniu pasty nie jest już potrzebne dodatkowe mielenie.

Jeśli pigment jest trudny do ucierania i wymaga dalszego mielenia, wówczas po ustabilizowaniu pasty można ją skierować do dalszego przetwarzania w młynach od działaniu ciągłym. Takie dodatkowe ucieranie będzie efektywne tylko wtedy, gdy przedmieszka została sporządzona w poprawny, uprzednio opisany sposób.

W przypadku przetwarzania pigmentu o wysokiej liczbie olejowej, należy liczyć się ze wzrostem lepkości pasty podczas ucierania, ponieważ pigmenty takie mają zwykle cząstki niewielkich rozmiarów, czemu towarzyszą duże powierzchnie, które adsorbują wolną ciecz. Niedobór cieczy zużytej na zwilżanie pigmentu obniża efekt smarowania cząstek i utrudnia ich płynięcie. Jeśli konsystencja staję się zbyt wysoka dla prawidłowej pracy urządzenia, konieczne jest dodatek cieczy uzupełniającej. Należy przy tym wprowadzać tylko minimalną ilość cieczy, niezbędną dla utrzymania płynięcia, nawet jeśli dodatki te muszą być wprowadzane porcjami. Taki sposób postępowania jest konieczny dla uniknięcia nadmiernego obniżenia lepkość pasty i tym samym istnienia zbyt małych naprężeń ścinających.

Może jednak wystąpić sytuacja, w której po dodaniu cieczy i utrzymywaniu się wysokiej lepkości, udział pigmentu w paście staje się zbyt mały, co nie pozwala na wytworzenie dostatecznie dużych naprężeń ścinających. Należy wówczas poddać pastę stabilizacji i skierować ją do dalszego mielenia jeśli jest stopień przetarcia jest niedostateczny. Przedmieszkę taką kieruje się albo do młynów piaskowych o działaniu ciągłym, albo do młynów walcowych.

Warto w tym miejscu wyjaśnić, dlaczego do sporządzania przedmieszek sugeruje się stosowanie roztworów żywic o wysokich zawartościach części nielotnych i korzystać w tym celu z mieszalników przystosowanych do ciężkiej pracy (niskie prędkości ścinania, wysokie naprężenia ścinające), a nie z mieszalników szybkoobrotowych, o których będzie dalej mowa.

W istocie rzeczy, działanie dyspergujące przy sporządzaniu przedmieszki jest zadowalające w obu typach takich mieszalników. Jednak przy korzystaniu z mieszalników szybkoobrotowych mogą wystąpić problemy ze stabilizacją przedmieszki.

Trzeba podkreślić, że skłonność do flokulacji szybko wzrasta na powierzchniach między różniącymi się między sobą materiałami (np. między nośnikiem pigmentowanym a tym samym nośnikiem bez pigmentu). Im dłużej istnieje granica faz między takimi materiałami, tym więcej czasu pozostaje na pojawienie się flokulacji i jej utrzymywanie się. Wolne mieszanie w mieszalnikach dostosowanych do ciężkiej pracy sprzyja powstawaniu warunków przy których początkowe tempo dodawania roztworu stabilizującego powinno być bardzo małe.

Ponadto dodawanie roztworu żywicy do pigmentowanego roztworu żywicy o podobnych zawartościach części nielotnych nie obniża konsystencji pasty w tak silny stopniu jak dodawanie roztworu żywicy do pigmentowanego roztworu żywicy o niskiej zawartości części nielotnych. W drugim przypadku konsystencja pasty zostaje szybko obniżona do poziomu, przy którym działanie ścinające staje się słabe i istnieje mała szansa na rozbicie flokuł w procesie dyspergowania. Jednak w pierwszym przypadku, dodatek roztworu żywicy nie powoduje tak silnego obniżania lepkości i dlatego ponowne dyspergowanie pasty zachodzi znacznie łatwiej.

7.4.6. Mieszalniki wytwarzające niskie naprężenia ścinające

Przedmieszkę lub pastę sporządza się zgodnie ze wskazówkami podanymi w Tabeli 7.2, lub na postawie odpowiedniego wykresu przedstawionego na Rysunku 7.2. Ciecz wprowadza się do mieszalnika w takiej ilości, aby całkowicie przykryła tarczę mieszadła, po czym uruchamia się mieszadło. Jeśli możliwa jest zmiana prędkości obrotowej, najpierw wybiera się prędkość niską. Następnie wprowadza się pigment lub inne ciała stałe przy stałym mieszaniu. W celu lepszego rozprowadzenia pigmentu w całej masie, może być konieczne stopniowe zwiększanie prędkości obrotowej, Wprowadzanie pigmentu jest łatwiejsze, gdy możliwe jest opuszczanie w dół i podnoszenie w górę tarczy mieszadła, oraz gdy w układzie istnieje pewna ilość swobodnej cieczy do zwilżania ostatnich porcji dozowanego pigmentu, które zwykle najtrudniej rozprowadzić w masie.

W stanie tym, po wprowadzeniu całej ilości fazy stałej, często zeskrobuje się pigment osadzony w górnych częściach mieszalnika. Alternatywnie, zmywa się ten osad niewielką ilością rozpuszczalnika, który rezerwuje się w tym celu przy formułowania roztworu początkowego.

Następnie mieszalnik pozostawia się w ruchu na okres 15÷20 minut, co wystarcza na ogół dla zarobienia pasty. Należy przy tym zwracać uwagę, czy mieszalnik pracuje prawidłowo, tzn. czy ma miejsce „zawijanie” się pasty pigmentowej przy dostatecznym jej ruchu względem ścianek mieszalnika. W razie braku takich efektów, trzeba zmodyfikować skład pasty aby zmienić jej konsystencję.

Podobnie jak przy wcześniej omawianych mieszalnikach przeznaczonych do ciężkiej pracy (tzn. wytwarzających wysokie naprężenia ścinające), przy przetwarzaniu pigmentów organicznych lub ciał stałych o wysokiej liczbie olejowej, lepkość pasty może silnie wzrastać podczas jej zarabiania. W takim przypadku konieczne może być dodanie pewnej ilości cieczy w stopniu zapewniającym płynięcie pasty. Nawet jeśli konieczne jest częste dodawanie cieczy, lepiej jest ją wprowadzać małymi porcjami, co znacznie zwiększa efektywność dyspergowania.

Należy jednak podkreślić, że szybkie mieszanie powoduje wydzielanie się ciepła tarcia, co teoretycznie powinno prowadzić do obniżenia lepkości. W istocie rzeczy zjawisko to ma miejsce, ale przy pigmentach o dużej liczbie olejowej, małe cząstki mają większą powierzchnię łączną, która musi być zwilżona, co obniża ilość roztworu żywicy w układzie i utrudnia lub uniemożliwia płynięcie pasty. Ponadto stopień zwilżania rośnie ze wzrostem temperatury. Jednak przy pigmentach o niskiej liczbie olejowej, cząstki są znacznie większe, mają mniejsza powierzchnię łączną i ich zwilżanie nie wymaga tak dużej ilość roztworu żywicy. W tym przypadku podwyższenie temperatury może wyraźnie obniżać konsystencję pasty.

Efekt ten ułatwia sporządzanie prostych receptur past opartych na pigmentach łatwych do dyspergowania, takich jak układy bieli tytanowej w roztworach żywic. Dwutlenek tytanu dyspergowany tylko w mieszaninie benzyny lakowej i lecytynie sojowej (stąd wynika zerowa zawartość części nielotnych) może tworzyć pastę zawierającą nawet do 80 % TiO₂ ! Może to być zwykle mieszanina silnie dilatantna, ale ponieważ temperatura w czasie zarabiania może wzrosnąć np. do 70 °C, rozszerzalność objętościowa roztworu żywicy może obniżyć konsystencję pasty, która stanie się materiałem „prawie newtonowskim”. Oczywiście, lepkość takiej pasty może być nadal wysoka, co zapewnia dobre dyspergowania. Konieczne jest jednak aby nie zatrzymywać mieszalnika przed zakończeniem procesu stabilizacji, ponieważ schłodzenie pasty może przywrócić jej pierwotną dilatancję reologiczną, co może uniemożliwić ponowne uruchomienie mieszadła.

Stabilizację zdyspergowanej pasty przeprowadza się w typowy sposób, tzn. przez dodanie pozostałej części roztworu żywicy podczas mieszania. Roztwór dodaje się porcjami, początkowo w niewielkich ilościach aby obniżyć reakcje na granicach faz, a dalsze porcje roztworu mogą już być większe.

Należy podkreślić, że ciecz nie zawierająca części nielotnych, wprowadzana do mieszalników szybkoobrotowych zawierających przedmieszkę opartą na pigmentach o niskiej liczbie olejowej, musi być wprowadzana do okładu bardzo powoli (a nawet należy unikać dozowania takiej cieczy, na co poprzednio zwracano uwagę). Wynika to stąd, że taka ciecz o niskiej lepkości (rozpuszczalnik i silnie zsolwatowane żywice) lepiej zwilżają pigmenty niż inne materiały o wyższej lepkości, co często powoduje powstanie produktu lepiej zwilżonego i lepiej zdyspergowanego. Jednak z chwilą wprowadzenia nowego typu dwutlenku tytanu specjalnie opracowanego do łatwego zwilżania, mogą pojawić się problemy. Doskonała jego zwilżalność powoduje, że taka biel tytanowa pochłania ciecz o niskiej lepkości tak szybko, że tworzą się kule otaczające ziarna TiO₂, trudne lub niemożliwe do zdyspergowana w mieszalnikach szybkoobrotowych. Takie skupiska często powodują zatykanie siatek lub zaworów młynów o działaniu ciągłym.

Aby pokonać ten problem należy sprawdzać dyspersję bieli tytanowej przed jej pełnym zwilżeniem. Wymaga to również stosowania roztworów o większej zawartości części nielotnych (w stosunku do zalecanej w Tabeli 7.2), które wprawdzie gorzej zwilżają pigment, ale stwarzają warunki lepszego ścinania. Wskazuje to na konieczność zachowania większej elastyczności przy stosowaniu technik poprawiających skłonność do zwilżania.

7.4.7. Inne typy mieszalników wysokoobrotowych

Najlepszy skład pasty dla takich mieszalników zależy od typu zastosowanego urządzenia. Dla mieszalników wirnikowo-statorowych należy stosować pasty o składzie dostosowanym do mieszalników wysokoobrotowych, ale o nieco mniejszej lepkości, co pozwoli na bardziej złożony ruch masy przy jej przechodzeniu przez otwory lub szczeliny statora. Poza tą różnicą, procedury ucierania są identyczne.

Inne kombinacje mieszalników można również traktować jako bardzo podobne do mieszalników szybkoobrotowych. Wszelkie modyfikacje zależą od konstrukcji instalacji i mogą wymagać zwiększenia ilości cieczy nielotnej dla zapewnienia efektu smarowania podczas ruchu masy. Jednak głównym wymaganiem uzyskania dobrej dyspersji jest utrzymanie możliwie jak najwyższej lepkości. Stabilizację należy prowadzić z prędkością nie przekraczającą szybkości wchłaniania roztworu stabilizującego. Pierwsze porcje roztworu należy wprowadzać wolno, a następne można już wprowadzać szybciej.

7.4.8. Młyny o działaniu ciągłym

Próby stabilizowania past ucieranych w młynach o działaniu ciągłym, nie zostały jak dotąd uwieńczone powodzeniem. Dlatego w celu uzyskania stabilnej pasty należy zawsze sprawdzać, czy spełnia ona wymagania podane w Tabeli 7.1 i na Rysunku 7.2. Wykres na tym rysunku wskazuje na maksymalną pigmentację i dlatego należy sporządzać pasta w taki sposób, aby miała ona maksymalną lepkość akceptowaną przez zastosowane urządzenie. Sprowadza to się na ogół do korzystania z roztworu żywicy o wysokiej zawartości części nielotnych, tzn. o wysokiej lepkości. Jednak bardzo ważnych aspektem całego procesu jest zapewnienie, aby przedmieszka kierowana do młyna o działaniu ciągłym miała możliwie najwyższą jakość. Im większy wysiłek włożony w zarabianie pasty (sporządzanie przedmieszki), tym łatwiejsze jest jej dalsze dyspergowanie końcowe i lepszy efekt końcowy. Zła przedmieszka wymaga wielokrotnego przepuszczania jej przez młyn i nawet wtedy nie zawsze możliwe jest uzyskanie wymaganego stopnia przetarcia.

Idealnym urządzeniem do sporządzania przedmieszki jest mieszalnik wytwarzający wysokie naprężenia ścinające, o konstrukcji dostosowanej do ciężkiej pracy, zdolny do zarabiania past o wysokich lepkościach przeznaczonych do ucierania w trójwalcowkach. Jednak w przypadku młynów piaskowych, konieczne jest stosowanie past o niższej lepkości. W tym celu tańsze jest sporządzanie przedmieszek w mieszalnikach szybkoobrotowych, które można również wykorzystać do sporządzania past ucieranych w trójwalcówkach jeśli nie są dostępne mieszalniki wytwarzające wysokie naprężenia ścinające.

7.5. Wybór wyposażenia

7.5.1. Wprowadzenie

Podstawowymi kryteriami wyboru wyposażenia dla fabryki są:

• uzyskiwanie wyrobu o wymaganej jakości

• zapewnienie powtarzalnej jakości

• zapewnienie opłacalności ekonomicznej wytwarzania

Wszystkie urządzenia do dyspergowania past zapewniają dobrą powtarzalność jakości pod warunkiem przestrzegania zasad, o których była poprzednio mowa. Wskazane jest rozpoczęcie pracy ze wszystkimi przykładowymi składami i wybranie tej receptury, która zapewnia uzyskanie najlepszych wyników. Proces można przerwać z chwilą osiągnięcia optymalnego wyniku. Błędem jest przerywanie prób przed uzyskaniem wyrobu o najwyższej jakości.

Jednak nie wszystkie urządzenia dyspergujące stojące obecnie do dyspozycji zapewniają najlepszą jakość. Przykładem są mieszalniki pracujące przy wysokich prędkościach ścinania, które dyspergują tylko pasty oparte na pigmentach łatwo ucieralnych. Wynika to stąd, że mieszalniki wytwarzające niskie naprężenia ścinające nie są dostosowane do ucierania past o wysokiej lepkości, co jest warunkiem wytwarzania dostatecznie wysokich sił ścinających. Pasty o wysokiej lepkości można ucierać w takich mieszalnikach tylko wtedy pasta jest gorąca (na skutek tarcia wewnętrznego występującego podczas mieszania), co znacznie obniża konsystencję pasty.

W takiej sytuacji ważne jest obniżenie lepkości przed zakończeniem procesu ucierania. Jest to ważne, gdy proces chcemy dokładnie skalkulować a nie opierać się tylko na szacunkowych ocenach kosztów. W takiej analizie trzeba uwzględniać wiele szczegółów, takich jak amortyzacja, zużycie energii oraz koszty robocizny niezbędne dla wykonywania takich prac jak załadowanie urządzeń, mielenie, testowanie, stabilizacja, wyładunek oraz mycie. Próby takie muszą uwzględniać różnice kosztów występujące przy różnych wielkościach wypełnienia ucierającego. Ujawnia to się znacznie silniej przy produkcji szarżowej niż przy pracy ciągłej. Różne typy młynów można uporządkować w kolejności efektywności kosztów ich stosowania (na początku - najtańsze):

• Mieszalniki wysokoobrotowe, wytwarzające wysokie prędkości ścinania

• Duże, poziome młyny perełkowe o działaniu ciągłym

• Duże, stalowe młyny kulowe

• Mieszalniki wytwarzające duże naprężenia ścinające dostosowane do trudnej pracy

• Szarżowe młyny perełkowe

• Młyny kulowe z wypełnieniem w postaci otoczaków

• Młyny walcowe (jedno- i trójwalcówki).

Przedstawiona wyżej lista rankingowa może mieć czasem inna kolejność, w zależności od czynników uwzględnianych w analizie kosztów. Jednak taki ranking wykonywany w każdej fabryce może wykazać najlepszą procedurę postępowania dla warunków lokalnych.

Przykładowo, można wyznaczyć różnice kosztów przy wyborze najtańszych, grubych wypełniaczy, do mielenia których niezbędny jest młyn kulowy, lub przy wyborze drobniejszych, ale droższych wypełniaczy, które można łatwo ucierać za pomocą mieszalników szybkoobrotowych. Należy podkreślić, że każda fabryka powinna sporządzić dla własnych potrzeb taką listą rankingową dostosowaną dla własnych procedur i rozpatrzyć jej różne warianty dla wszystkich możliwych procedur.

7.5.2. Farby emulsyjne

Wszystkie farby emulsyjne można zarabiać i ucierać w mieszalnikach wysokoobrotowych, które wytwarzają wysokie prędkości ścinania. Błędem ekonomicznym może być korzystanie z grubych wypełniaczy, które wymagają ucierania w droższych urządzeniach, takich jak młyny kulowe.

7.5.3. Wyroby alkidowe o wysokim, połysku

Jeśli wyroby te oparte są na bieli tytanowej, wówczas wybór jest łatwy. Do tego celu można bowiem z powodzeniem stosować mieszalniki wysokoobrotowe, wytwarzające wysokie prędkości ścinania. Pigment ten jest najlepiej dyspergowany w mieszaninie rozpuszczalnika i odpowiedniego środka powierzchniowo-czynnego. Czasem, dla specyficznych receptur wymagana jest jednak pewna minimalna ilość żywicy. Wystarczający jest wówczas czas zarabiania past w granicach 10÷15 minut, po czym dodaje się uzupełniającą żywicę i inne dodatki przy ciągłym mieszaniu. Pierwsze porcje roztworu powinny być wprowadzane powoli, a następne porcje można już wprowadzać nieco szybciej.

Jeśli receptura przewiduje stosowanie pewnej ilości pigmentów trudnych w ucieraniu, wówczas procedura powinna być taka sama, ale po ustabilizowaniu pasty, cała przedmieszka powinna być przepuszczona przez młyn piaskowy lub perełkowy o działaniu ciągłym. Prędkość przepływu pasty przez młyn zależy od łatwości dyspergowania pigmentów wchodzących w skład receptury.

7.5.4. Emalie piecowe

W przypadku czarnych emalii piecowych o bardzo wysokim połysku, ucieranie można najszybciej i najtaniej prowadzić w stalowych młynach kulowych. Przy bardzo niskiej pigmentacji, mielenie można prowadzić w dużych szarżach, a czas mielenia takiej szarży jest rzędu 48÷72 godzin.

Wyroby oparte na pigmentach kolorowych najlepiej ucierać w młynach perełkowych o działaniu ciągłym, a małe partie wyrobu można ucierać w młynach szarżowych lub w atritorach.

7.5.5. Wyroby wysokolepkie

Tego rodzaju wyroby przeznaczone są do sitodruku i można je raczej zaliczyć do farb (tuszy) drukarskich. Do zarabiania past wskazane jest stosowanie mieszalników wytwarzających wysokie naprężenia ścinające, po czym uzyskana przedmieszka powinna być ucierana w młynach walcowych.

7.5.6. Wyroby specjalne

Znaczenia młynów z wypełnieniem w postaci otoczaków nie można całkowicie pominąć. Wiele firm preferuje ten sposób ucierania jednak ich obsługa jest znacznie tańsza w starych zakładach, niż w zakładach nowych lub zmodernizowanych. Nadal są jeszcze produkowane farby, które wymagają stosowania takich młynów a należą do nich niżej wymienione wyroby:

• Farby, które powinny być absolutnie pozbawione jakichkolwiek zanieczyszczeń z punktu widzenia ich koloru.

• Wyroby, których receptury wymagają pewnych ilości ścieru dla sporządzania farb teksturowanych.

• Materiały wymagające mielenia w środowisku absolutnie pozbawionym zanieczyszczeń metalicznych.

• Młyny otoczakowe można również stosować do ucierania materiałów, które powinny być utrzymywane w atmosferze pozbawionej powietrza lub tlenu.

Literatura

1. O. Absolon. Rationalisation of dispersion of organic pigments.
   Plaste Kautschuk 26,12), (1979),709-9.

2. Anon. Co-ball mill. Pitture Vernici 64, (12), (1988), 58; 53-7 (Italian).

3. K. Apostolakis. Mechanical equipment for the industrial production of paints.
   Proc. 1^st Symposium on Paints (Athens 1987), 173-89 (Greek).

4. P. Banerjee. Criteria for the selection of dispersion equipment.
   Paintindia 38, (12), (1988), 29-32.

5. I. Berg. Dispersion techniques in the paint and allied industries.
   Polym. Paint. Col. J. (1983, Suppl. to Feb 23^rd issue).

6. F. Bilgieri. Optimal efficiency of titanium dioxide millbase formulation.
   Proc. XVth FATIPEC Congress, (Amsterdam 1980), I, 449-60 (French).

7. A. J. Boulton. Latest development in horizontal grinding mills.
   JOCCA 69, (4), (1986), 101-2.

8. B. Burgess. Dispersion history: from batch bead mill to edge runner.
   Coatings Mag. 7, (1), (1985), 106.

9. B. Burgess. Disperser, mill review: choosing shaft arrangements. II.
   Coatings Mag. 7, (No. 2), (1985), 58-60.

10. B. Burgess. Coatings mixing equipment. I. Modern dispersers handle chores formerly left to mills. Coatings Mag. 7, (4), (1986), 50.

11. B. Burgess. Moore attention should be paid to let down mixer equipment.
    Coatings Mag. 7, (6), (1986), 24.

12. W.Carr. Dispersion: the neglected parameter. JOCCA 65, (10), (1982), 373-82.

13. W. Carr, D. Patterson and M. Tonge. Effect of pigmentation level on efficiency of triple roll milling.
    JOCCA 63, (11), (1980), 438-45.

14. Chemineer Ltd. Static mixers. Polym. Paint Col. J. 179, (4229), (1989), 28-9.

15. B. C. Clarke. Moxing: a review of basic principles and development.
    Polym. Paint Col. J. 175, (4152), (1985), 699-70.

16. L. Columbo. Revolutionary Italian technology (for pigment dispersion).
    Pitture Vernici 65, (7), (1989), 27-9.

17. A. C. D. Covley and M. R. Gallon. Who needs wetting agents ? JOCCA 71, (10), (1983), 310.

18. L. Cutrone. High solids millbase design for high speed dispersion.
    J. Coatings Tech. 56, (716), (1984), 105.

19. F. K. Daniel. Getting the most out of a high speed disperser.
    Am. Paint J. 66, (No. 46), (1982), 60-5.

20. F. K. Daniel. The obstacle course from millbase to finished coating.
    J.Coatings Tech. 56, (708) (1984), 38.

21. K. Engels. Bead mills with annular cross section grinding chamber.
    Farbe Lack 91, (12), (1985), 1174-9.

22. K. Engels. Pearl mills in 1986: An overview of the pearl mill market.
    Farbe Lack 92, (8), (1986), 727-33.

23. K.Engels. Microbeads in beadmills. Farbe Lack 94, (5), (1988), 359-64.

24. R. English Recent progress in milling processes.
    Proc 14^th AFTPV Congress, (Aix-les-Bains 1982), pp. 259-62.

25. L. Farsky. Ultrafine dispersing in horizonatal ball mills. Chem. Prum. 36, (1986), 404-7 (Czech).

26. M. L. Feldman. Controlable variables during dispersion manufacture.
    Am. Paint J. 72, (26), (1987), 38-44.

27. C. A. Giudice, J. C. Benitez, V. J. D. Rascio and M. A. Presta. Preparation of paints in ballmils. Influence of variables associated with change of scale. CIDEPINT Anales (1980), pp. 33-60.

28. T. Gondoh, M. Toh and Y. Murakami. Power consumption and discharging characteristics of batch horizontal sand mills. J. Jap. Soc. Col. Mat. 61, (11), (1988), 593-8.

29. T. Gondoh, M. Toh and Y. Murakami. Behaviour of grinding media in sand mills.
    J. Jap. Soc. Col. Mat. 62, (4), (1989), 202-7.

30. J. A. Graystone. Optimizing pigmented intermediates.
    Proc. Paint R. A. 8^th Internat Conf. “Optimising Paint Formulation” (1988).

31. G. Gruhn, L. Pollmer and B. Henze. Optimization of dispersion processes in paint production.
    Plaste Kautschuk 31, (1), (1984), 32-5 (German).

32. N. Harny, M. F Edwards and A. W. Nienow. Mixing in the process Industries.
    Butterworths Series in Chemical Engineering (1985), 375 pp.

33. A. Heuss. Microsphere bead mill. Picture Vernici 61, (8), (1985), 46-8 (Italian).

34. J. E. Jarvis. Moxing of solids, powders and fluids. Chem. Engr. 385, (1980), 477-81.

35. J. Johnson, A. Szegvari and M. Li. Attritor grinding and dispersing equipment.
    Polym. Paint. Col. J. 172, (4075), (1982), 459.

36. M. Jonatpour. The evolution of the paint mill - Industrial Finishing 64, (1), (1988) 24-5.
    NPCA Abs. Rev. (567), (1988), 25.

37. S. Komori and Y. Murakami. Effect of highly viscous recurcylating flow on particle concentraction in a two-roll mill. Powder Tech. 57, (2), (1989), 119.

38. R. M. Kritzer. Mechanics of dispersion and deaeration. Paper Age 194, (4), (1988), 19.

39. R. Lapasin, D. Mallamiaci and E. Medaglia. Rheological properties of millbases and energy consumption in dispersing opertion. Proc. XVth FATIPEC Congress (Amsterdam 1980) 1, 433-48.

40. J. C. Leveque and A. Ozaneaux. Use of statistical methods to conyrol the dispersion of pigments. Double Liaison 29, (316/7), (1982), 18-24 (French).

41. G. R. Liebert. Advances in the milling of high solids coatings.
    Mod. Paint Coatings 75, (5), (1985), 58.

42. DF. Mallamaci and E. Medaglia. Rheology and energy aspects of dispersion in microlement mills.
    Ind. Vernice 34, (10), (1980), 3-18.

43. B. Mao, J. P. Pfau and R. E. Sharpe. Monotoring Pigment dispersion using the free volume microprobe. J. Coatings Tech. 59, (750), (1987), 23-7.

44. J. Medek, J. Klohna and K. Hruban. Some possibilities for innovation in stirring eqyipment.
    Chem. Prum. 35, (2), (1985), 61.

45. W. Muller. Use high speed mixers provided with dispersion discs in the paint industry.
    Plaste Kautschuk 33, (1), (1986), 32-4 (German).

46. Y. Murakami et. al. Dispersion and classification effects in a three roll mill.
    J. Coatings Tech. 57, (727), (1985), 73-81.

47. Y. Murakami et. al. Classification and dispersion performances off a three-rool mill.
    J. Jap. Soc. Col. Mat. 59, (7), (1986), 385-90.

48. J. Ouarzun. Dispersibility of pigments as criterion for determining optimal mill base formulation.
    Proc. 16^th FATIPEC Congress (Liège 1982) IV, 93-116 (German).

49. Paintmakers Association of Great Britain. Guidelines of the Safe Use of Ball Mills, Mixers and Dispersers. Paintmakers Assciation, London, (1981), 10 pp.

50. G. D. Parfitt. Dispersion of powders in liquids. Kirk Othmer Encyclopeadia of Chemical Technology, 3^rd edition, Wiley Interscience, (1984), Suppl. pp. 339-71.

51. I. C. Quackebush. Points on picking the right media for small mills.
    Am. Paint J. 67, (27), (1982), 46.

52. J. M. Rackham. How the Titanium dioxide industry can help thr coatings industry save energy.
    Proc. XVth FATIPEC Congress (Amsterdam 1980), 1, 279-98.

53. C. Reitter. Using numbers, not guesses, in making paint.
    Am. Paint J. 69, Part I (44); Part II (45), (1985), 56.

54. A. G. Sakar. Equipment for dispersing pigments in binders.
    Lakokras. Mat. (3), (1983), 50, (Russian).

55. L. F. Sanguinetti. Paint manufacture. ACS Symposium Series 285, (1985), 1297-314.

56. G. Schall. Developments in the field of wet grinding and dispersing.
    Am. Inkmaker 63, (2), (1985), 52.

57. M. K. Schieritz. Horizontal ballmils. Farg Lack 29, (6/7), (1983), 153-7, (Danish).

58. B. K. Sharma and N. A. R. Falla. Evaluation of new methods of paint mill.
    Paint R. A. Tech. Rept. TR/3/785, 44 pp.

59. L. A. Simpson. Effect of pigment dispersion on opacity.
    Proc. XII Internat. Conf. in Organic Coatimgs Sci. & Tech. (Athens 1986), 343-58.

60. J. Sir, Z. Lecjaks and A. Zakova. Static mixers. Chem. Prum. 35, (3), 113-17 (1985), (Czech).

61. C. C. Tatman. Solvent bourne millbase development for high speed dispersion of titanium doxide. J. Coatings Tech. 53, (681), (1981), 57-65.

62. J. E. Teirfolk. Flow picture in the mixer during dispersing of coating pigments. Paper BPBIF Conf. on Coating for the 80's (Slough 1980); Abs. Bull. Inst. Paper Chem 52, (81), (1982), Abs. 8671.

63. F. Vock, K. Warnke and K,. Sollik. Improvements in the dispersion processusing a new mill with a stirrer. Farbe Lack 93: Part I (11), 905-10; Part II (12), 995-1000.

64. M. Ward. Rheology of mill bases for optimum dispersion of titanium doxides.
    Australian OCCA Proc. News. 19, (4), (1982), 20-3.

65. B. Westerlin. Hogh speed mixers - “a theme with variations”.
    Farg Lack 29, (6/7), (1983), 149-52, (Swedish).

66. J. Winkler and Dulogh. Dispersing pigments in paints with a continuously operating attritor.
    Farbe Lack 90, (4), (1984), 244-50, (German).

67. J. Winkler, E. Klinke, M. N. Sathyanarayana and L. Dulog. Theory for the deagglomeration of pigment clusters in dispersion machinery by mechanical forces. I - III.
    J. Coatings Tech. 59, (754), (1987), 35-41; 43-53; 53-60.

68. Y Yamawaki, Introduction to pearl mills. J. Jap. Soc. Col. Mat. 55, (4), (1982), 238-44.

69. C. Zoga. Dispersion and milling methods to increase plant productivity.
    Mod. Paint Coatings 79, (5), (1989), 48.

Sformułowania użyte w oryginale są nieporozumieniem. Dla każdego płynu, wzrost prędkości ścinania powoduje zwiększanie naprężenia ścinającego (i odwrotnie). Autorowi chodziło zapewne o to, że w płynach wykazujących właściwości nienewtonowskie, wysokim prędkościom ścinania odpowiada niska lepkość, a niskim prędkościom ścinania towarzyszy wysoka lepkość (przypis tłumacza).

Nieścisłość - Patrz uwaga podana w rozdziale 7.2.3. (przypis tłumacza).

- 212 -

0,01

0,02

0,05

0,1

0,2

0,5

1,0

2,0

5,0

10,0

Granice stosowania

Krzemionka koloidalna

Pyły szkodliwe dla płuc

Sadze

Typowe pigmenty do farb

Talki ziemne

Tlenki żelaza dobrej jakości

Wybielacze

Wybielacze molibdenowe

Pigmenty organiczne

I

D

P

T

Oznaczenia:

D : Barwniki organiczne

I : Pigmenty przezroczyste (niekryjące)

P : Błękit ftalocyjanianowy

T : Pigmenty tytanowe

Linie przerywane = zakresy niepewne

Oznaczenia:

A Kadzie zarabialnicze (różne prędkości)

B Atritory i młynki perełkowe

C Młyny kulowe

D Młynki o działaniu ciągłym (i baza stabilna)

	Minimalny udział części nielotnych w cieczy [%]
Liczba olejowa	niska	średnia	duża	b. duża
Kadź (duże obroty)	0-10	10-20	20-30	> 30
Kadź (małe obroty)	25-30	30-35	35-40	> 40
Młynki szarżowe	25-25	25-30	30-35	>35
Młynki ciągłe (baza stabilna)	30	35	40	>45

A

B

C

D

20

30

40

50

60

70

80

90

Wzrost stabilności

Czas (skala logarytmiczna

D

C

B

A

25

50

75

100

125

150

10

20

30

40

50

Czas mielenia [minuty]

Czas mielenia [godziny]

Średnica kuleczek: 1,2 mm

Średnica kulek: 12 mm

Równomierność barwy

Płytki zgarniające

Siatka zatrzymująca wypełnienie ucierające

Oprowadzenie

utartego

wyrobu

Płaszcz wodny

Doprowadzenie

pasty do ucierania

Spust do odprowadzania wypełnienia

Listwy mieszadła

Elementy mieszające

Kulki ceramiczne

lub stalowe

Szczelina zasilająca

Odprowadzenie

Nóż zgarniający

Walec centralny

Walec zbierający

Walec zasilający

Szczelina zbierająca

Kierunki przepływu

Listwa dociskowa

Nóż odbierający

Regulacja natężenia przepływu pasty

Przewód doprowadzający pastę

Wlot wody chłodzącej

Wylot wody chłodzącej

Odbiór przetartej pasty

Tarcze obrotowe

Siatka zatrzymująca piasek

Profil przepływu

---