Skip to main navigation Przejdź do głównej treści Skip to page footer

Jakie systemy mieszania wspierają dyspergowanie aglomeratów w proszkach ceramicznych przed procesem formowania?

Deaglomeracja proszków ceramicznych to ważny krok przed procesem formowania. Miękkie aglomeraty mogą powstawać w wyniku sił van der Waalsa, wilgoci, oddziaływań elektrostatycznych lub niepełnego zwilżenia. Jeśli pozostaną w systemie, mogą prowadzić do niejednorodności, porów, gradientów gęstości lub defektów w kształtce surowej i spieku. Twarde agregaty, powstałe już podczas syntezy lub kalcynacji, nie zawsze dają się rozpuścić bez niepożądanego rozdrobnienia cząstek pierwotnych.

Odpowiednia technika zależy od tego, czy materiał ceramiczny jest przetwarzany jako niskolepki szlikier, wysokoskoncentrowana zawiesina, masa plastyczna czy suchy proszek. Równie decydujące są wytrzymałość aglomeratów, zawartość fazy stałej, docelowa wielkość ziarna, dopuszczalne obce ścieranie i wymagania kolejnego procesu formowania. Pełna deaglomeracja nie jest w każdym przypadku celem: przy granulatach prasowniczych suszonych rozpyłowo określona struktura granulatu może być wyraźnie pożądana. Wówczas chodzi przede wszystkim o usunięcie zakłócających gruboziarnistych cząstek lub twardych aglomeratów, bez niepotrzebnego niszczenia zdolnej do prasowania struktury granulatu.

Do niskolepkich i średniolepkich szlikrów i szkliw często stosowane są systemy rotor-stator. Rotor przyspiesza zawiesinę, podczas gdy materiał jest prowadzony przez wąską szczelinę do statora. Powstają przy tym wysokie lokalne siły ścinające i turbulencje, wspierające zwilżenie, wmieszanie i rozpuszczanie miękkich aglomeratów. Mieszalniki rotor-stator nadają się szczególnie jako szybki krok wsadowy lub inline, gdy proszek ma być wciągnięty do cieczy i równomiernie rozprowadzony. Ich działanie zależy jednak od geometrii szczeliny, obrotów, liczby obiegów, zawartości fazy stałej i środka dyspergującego. Przy bardzo twardych aglomeratach lub wymogu wąskiego rozkładu drobnoziarnistego same w sobie często nie wystarczają.

Młyny kulowe z mieszadłem, młyny perełkowe i atrytory należą do najskuteczniejszych systemów drobnej i bardzo drobnej dyspersji zawiesin ceramicznych. Elementy mielące z materiałów odpornych na zużycie przenoszą na aglomeraty siły uderzenia, ścinania i tarcia. Dzięki temu można wyraźnie zredukować także bardziej zwarte aglomeraty. Takie systemy stosowane są na przykład dla zawiesin tlenku glinu, tlenku cyrkonu, węglika krzemu lub innej ceramiki wysokowydajnej, gdy wymagane jest bardzo jednorodne rozprowadzenie drobnych cząstek. Materiał elementów mielących musi być dostosowany do ceramiki, ponieważ ścieranie mielników może prowadzić do zanieczyszczenia. Podobnie czas mielenia musi być ograniczony i nadzorowany, aby nie uszkadzać niepotrzebnie cząstek pierwotnych, nie wywoływać niepożądanych przemian fazowych ani nie generować zbyt dużej ilości frakcji drobnej. Badania nanocząstek dwutlenku tytanu pokazują na przykład, że zarówno młyny z elementami mielącymi, jak i ultradźwięki mogą być stosowane do deaglomeracji, jednak ich skuteczność silnie zależy od wielkości cząstek i zawartości fazy stałej.

Dla wysokolepkich mas ceramicznych i feedstocków, na przykład przy technice wtrysku ceramicznego, rozważane są mieszalniki planetarne, mieszalniki podwójnie planetarne lub ugniatarki. Łączą one wielkoobjętościowe wymieszanie z wysokim lokalnym obciążeniem ścinającym i ugniatającym. Dzięki temu spoiwa, plastyfikatory i proszki ceramiczne mogą być równomiernie rozprowadzone, a istniejące aglomeraty proszku rozpuszczone. Przy drobnych i skłonnych do aglomeracji proszkach do wytwarzania feedstocków ceramicznych często stosowane są procesy wsadowe z mieszalnikami planetarnymi lub ugniatarkami typu Z. Równomierne rozprowadzenie spoiwa jest przy tym istotne, ponieważ może wpływać na zachowanie płynięcia feedstocku i zachowanie skurczu po spiekaniu.

Mieszalniki intensywne działające na zasadzie przeciwprądowej mogą nadawać się do suchych, wilgotnych lub plastycznych mas ceramicznych. Obracający się zbiornik mieszalniczy i oddzielnie napędzane narzędzie mieszające wytwarzają ruchy względne z udziałem uderzenia, tarcia i ścinania. Dzięki temu można wmieszać składniki, rozprowadzić wilgoć lub spoiwo oraz rozbić miękkie aglomeraty. Przy granulatach suszonych rozpyłowo do prasowania na sucho wymagana jest jednak ostrożność: zbyt wysoka intensywność może zniszczyć celowo wytworzoną strukturę granulatu, zwiększyć udział frakcji drobnej i tym samym zmienić zachowanie napełniania i prasowania. W takich zastosowaniach intensywność mieszania i czas przebywania należy ograniczyć do wymaganej kondycjonowania produktu.

Młyny strumieniowe mogą rozdrabniać suche proszki drobniej lub rozpuszczać aglomeraty poprzez kolizje cząstka-cząstka i cząstka-powierzchnia uderzeniowa. Nadają się szczególnie wtedy, gdy nie wolno stosować cieczy, a wymagany jest wąski rozkład ziaren. Młyny strumieniowe są jednak przede wszystkim agregatami rozdrabniającymi, a nie tylko mieszalnikami. Mogą więc również zmieniać pożądane cząstki pierwotne lub granulaty prasownicze. Ich zastosowanie jest sensowne przede wszystkim dla suchych proszków pierwotnych, nie zawsze jednak dla gotowo przygotowanego granulatu prasowniczego.

Ultradźwięki mogą wspierać ponowne dyspergowanie przy drobnych zawiesinach ceramicznych i nanoproszkach. Kawitacja wytwarza lokalnie wysokie siły, które mogą rozbijać miękkie aglomeraty wtórne. Technika ta stosowana jest szczególnie w laboratorium, przy mniejszych wsadach lub jako krok inline poprocesowy. Osiągalny efekt silnie zależy od geometrii sonotrody, mocy, czasu obróbki, zawartości fazy stałej, temperatury i chemicznej stabilizacji zawiesiny. Zbyt długa lub zbyt intensywna obróbka ultradźwiękowa nie jest automatycznie korzystna, ponieważ cząstki mogą ponownie się aglomerować lub zawiesina może niepożądanie się nagrzewać. Dla tlenku cyrkonu i innych nanoproszków tlenkowych ultradźwięki opisano jako skuteczną metodę redukcji wtórnej wielkości cząstek.

Samo obciążenie mechaniczne nie zapewnia jeszcze trwale stabilnej dyspersji. Środki dyspergujące obniżają napięcie międzyfazowe, poprawiają zwilżenie i mogą poprzez stabilizację elektrostatyczną lub steryczną ograniczać ponowną aglomerację. Wybór środka dyspergującego, wartości pH, siły jonowej i kolejności dodawania jest co najmniej równie ważny jak wybór agregatu mieszającego czy mielącego. Dla stabilnych zawiesin ceramicznych te parametry chemiczne muszą być dostosowane do zawartości fazy stałej, powierzchni cząstek i kolejnego procesu formowania. Przy zawiesinach tlenku cyrkonu i tlenku glinu stabilizację osiąga się na przykład często poprzez adsorbowane polielektrolity i celowe ustawienie oddziaływań między cząstkami.

Kontrola procesu nie powinna opierać się wyłącznie na czasie mieszania czy mocy silnika. Sensownymi cechami jakościowymi są rozkład wielkości cząstek, udział grubych aglomeratów, lepkość lub krzywa płynięcia, zachowanie sedymentacyjne, potencjał zeta przy systemach koloidalnych, gęstość kształtki surowej i częstość defektów po spiekaniu. Dopiero połączenie odpowiedniej chemii dyspergującej, właściwego wprowadzania energii i badania analitycznego pokazuje, czy pożądane przygotowanie zostało rzeczywiście osiągnięte.

Tak amixon® wspiera deaglomerację proszków ceramicznych

W przygotowaniu ceramicznym aglomeraty muszą być traktowane w sposób celowy. Należy przy tym rozróżniać między miękkimi aglomeratami, powstałymi w wyniku magazynowania, wilgoci lub niepełnego zwilżenia, a twardymi agregatami. Miękkie aglomeraty można często rozpuścić dzięki dozowanemu wprowadzaniu energii mechanicznej. Twarde agregaty wymagają ewentualnie intensywniejszej obróbki lub oddzielnego procesu mielenia. Jednocześnie pożądana struktura granulatu, na przykład przy granulatach prasowniczych suszonych rozpyłowo, nie może być niepotrzebnie niszczona.

amixon® rozdziela dlatego zadania homogenizacji i deaglomeracji. Mieszadło helikalne SinConvex® lub SinConcave® przejmuje trójwymiarowe przemieszczanie i makroskopową homogenizację całego wsadu. Prędkość obwodowa i czas mieszania są ustawiane specyficznie dla produktu, aby ograniczyć wprowadzanie energii i możliwie zachować strukturę granulatu. Pełne wykluczenie nagrzewania czy obciążenia cząstek nie może być generalnie zagwarantowane; obie wielkości muszą być określone i nadzorowane dla konkretnego proszku ceramicznego.

Jeśli wymagana jest celowa deaglomeracja, można zastosować oddzielnie napędzane rotory tnące. Pracują one lokalnie w ograniczonej strefie obróbki i wytwarzają tam obciążenia ścinające, uderzeniowe i cierne. Ich obroty, wyposażenie i czas zastosowania mogą być ustawiane niezależnie od obrotów głównego mieszadła. Dzięki temu proces może być prowadzony od łagodnego rozpuszczania miękkich aglomeratów po intensywniejszą deaglomerację. Czy twarde aglomeraty można rozpuścić bez zmiany cząstek pierwotnych, zależy od materiału, zawartości fazy stałej, wilgoci, wytrzymałości aglomeratu i docelowego ziarna. amixon® opisuje rotory tnące jako cechę wyposażenia, którą można stosować między innymi do drobnego rozprowadzenia i rozbijania grudek aż do cząstek pierwotnych.

Jeśli istniejąca struktura aglomeratu lub granulatu ma być świadomie zachowana, rezygnuje się z rotorów tnących lub ogranicza ich zastosowanie do minimum. Wtedy na pierwszym planie stoją niska intensywność mieszania, łagodna geometria narzędzi i dostosowany czas mieszania. Dla wrażliwych proszków i granulatów nadają się zależnie od wielkości wsadu na przykład pionowe mieszalniki jednowałowe, mieszalniki stożkowe oraz mieszalnik KoneSlid®. Dla dużych wsadów mas ceramicznych może być zastosowany mieszalnik Gyraton®. amixon® podaje dla mieszalnika Gyraton® typowe wielkości wsadów rzędu od około 10 do 100 m³.

Proszki ceramiczne mogą być silnie ścierne. Dlatego amixon® oferuje zależnie od zastosowania wykonania chronione przed zużyciem. Należą do nich materiały podstawowe odporne na zużycie, napawania twarde z węglikami wolframu lub chromu, wymienne elementy ochronne, powłoki ceramiczne oraz płyty z węglików spiekanych lub ceramiki wysokowydajnej. Odpowiednie wykonanie zależy od twardości, wielkości ziarna, wydajności, intensywności mieszania i dopuszczalnego zanieczyszczenia produktu ceramicznego. Zwłaszcza przy wysokoczystych ceramikach technicznych trzeba sprawdzić, czy materiały, powłoki i możliwe ścieranie są zgodne z wymaganą specyfikacją produktu.

Przygotowanie na mokro jest dla amixon® istotne przede wszystkim wtedy, gdy po zwilżeniu, przygotowaniu lub reakcji następuje krok suszenia. Można do tego zastosować próżniowe suszarko-mieszalniki i reaktory mieszające, na przykład serii VMT lub AMT. Aparaty te przetwarzają proszki, zawiesiny, pasty i ciasta oraz łączą trójwymiarowe mieszanie z temperowaniem i próżnią. Rotory tnące mogą wspierać deaglomerację podczas suszenia i tym samym wpływać na przenoszenie ciepła i masy. Nie zastępują one jednak zasadniczo mielenia na mokro czy młyna kulowego z mieszadłem, gdy wymagana jest ściśle zdefiniowana dyspersja aż do zakresu submikronowego.

Przed doborem konstrukcji zalecana jest próba z oryginalnym produktem. W centrum prób można zmieniać narzędzie mieszające, rotor tnący, obroty, czas obróbki, stopień napełnienia oraz ewentualnie prowadzenie temperatury lub próżni. Ocena powinna obok jakości mieszania obejmować także rozkład wielkości cząstek przed i po obróbce, udział grubych aglomeratów, ścieranie, sypkość, gęstość kształtki surowej oraz wpływ na kolejny proces formowania i spiekania. Dzięki temu można stwierdzić, czy deaglomeracja jest wystarczająca, bez nadmiernego zmieniania pożądanej struktury granulatu lub cząstek.