Какие системы смешивания поддерживают диспергирование агломератов в керамических порошках перед процессом формования?
Дезагломерация керамических порошков — важный этап перед процессом формования. Мягкие агломераты могут возникать под действием сил Ван-дер-Ваальса, влажности, электростатических взаимодействий или неполного смачивания. Если они сохраняются в системе, это может приводить к неоднородностям, порам, градиентам плотности или дефектам в сыром и спечённом теле. Твёрдые агрегаты, образовавшиеся уже в ходе синтеза или кальцинирования, напротив, не всегда удаётся разрушить без нежелательного измельчения первичных частиц.
Подходящая технология зависит от того, перерабатывается ли керамический материал в виде маловязкого шликера, высококонцентрированной суспензии, пластичной массы или сухого порошка. Столь же решающими являются прочность агломератов, содержание твёрдой фазы, целевой размер зерна, допустимое постороннее истирание и требования последующего процесса формования. Полная дезагломерация не в каждом случае является целью: у распылительно высушенных прессовых гранул чётко определённая гранулятная структура может быть прямо желательной. В этом случае речь идёт прежде всего об удалении мешающих крупных частиц или твёрдых агломератов без излишнего разрушения пригодной для прессования структуры гранул.
Для мало- и средневязких шликеров и глазурей часто применяются роторно-статорные системы. Ротор ускоряет суспензию, в то время как материал направляется через узкий зазор к статору. Благодаря этому возникают высокие локальные сдвиговые силы и турбулентность, которые способствуют смачиванию, вмешиванию и разрушению мягких агломератов. Роторно-статорные смесители особенно подходят как быстрый периодический или inline-этап, когда порошок нужно втянуть в жидкость и равномерно распределить. Однако их эффективность зависит от геометрии зазора, частоты вращения, кратности циркуляции, содержания твёрдой фазы и диспергатора. При очень твёрдых агломератах или требовании к узкому распределению сверхтонких частиц одних роторно-статорных систем часто недостаточно.
Бисерные мельницы с мешалкой, перл-мельницы и аттриторы относятся к наиболее эффективным системам для тонкого и сверхтонкого диспергирования керамических суспензий. Мелющие тела из износостойких материалов передают агломератам ударные, сдвиговые и фрикционные силы. Благодаря этому можно заметно уменьшать также более прочные агломераты. Такие системы применяются, например, для суспензий оксида алюминия, оксида циркония, карбида кремния или другой высокоэффективной керамики, когда требуется очень однородное распределение тонких частиц. Материал мелющих тел должен быть согласован с керамикой, поскольку истирание мелющих сред может приводить к загрязнению. Также необходимо ограничивать и контролировать время помола, чтобы излишне не повреждались первичные частицы, не возникали нежелательные фазовые изменения и не образовывалось слишком много тонкой фракции. Например, исследования наночастиц диоксида титана показывают, что для дезагломерации можно применять как мельницы с мелющими телами, так и ультразвук, однако их эффективность сильно зависит от размера частиц и содержания твёрдой фазы.
Для высоковязких керамических масс и фидстоков, например в технологии керамического литья под давлением, рассматриваются планетарные смесители, двухпланетарные смесители или месильные машины (кнетеры). Они сочетают крупнообъёмное перемешивание с высокой локальной сдвиговой и месильной нагрузкой. Благодаря этому можно равномерно распределять связующее, пластификаторы и керамические порошки, а также разрушать имеющиеся агломераты порошка. Для тонких и склонных к агломерации порошков при производстве керамических фидстоков часто применяются периодические процессы с планетарными смесителями или Z-образными месильными машинами. Равномерное распределение связующего при этом существенно важно, поскольку оно может влиять на текучесть фидстока и усадку после спекания.
Интенсивные смесители по принципу противотока могут подходить для сухих, влажных или пластичных керамических масс. Вращающаяся смесительная ёмкость и отдельно приводимый смесительный инструмент создают относительные движения с ударной, фрикционной и сдвиговой составляющей. Благодаря этому можно вмешивать компоненты, распределять влагу или связующее и разрушать мягкие агломераты. Однако у распылительно высушенных гранул для сухого прессования требуется осторожность: слишком высокая интенсивность может разрушить целенаправленно созданную структуру гранул, повысить долю тонкой фракции и тем самым изменить поведение при заполнении и прессовании. В таких применениях интенсивность смешивания и время пребывания необходимо ограничивать требуемым кондиционированием продукта.
Струйные мельницы могут за счёт столкновений частица-частица и частица-отбойная поверхность более тонко измельчать сухие порошки или разрушать агломераты. Они особенно подходят, когда не должна применяться жидкость и требуется узкое распределение частиц по размерам. Однако струйные мельницы являются прежде всего измельчающими агрегатами, а не просто смесителями. Поэтому они могут изменять также желаемые первичные частицы или прессовые гранулы. Их применение целесообразно прежде всего для сухих первичных порошков, но не без оговорок для уже готового прессового гранулята.
Ультразвук может поддерживать повторное диспергирование тонких керамических суспензий и нанопорошков. Кавитация создаёт локально высокие силы, способные разрушать мягкие вторичные агломераты. Эта технология применяется особенно в лаборатории, при небольших партиях или как последующий inline-этап. Достижимый эффект сильно зависит от геометрии сонотрода, мощности, продолжительности обработки, содержания твёрдой фазы, температуры и химической стабилизации суспензии. Слишком длительная или слишком интенсивная ультразвуковая обработка не является автоматически выгодной, поскольку частицы могут снова агломерироваться или суспензия может нежелательно нагреваться. Для оксида циркония и других оксидных нанопорошков ультразвук был описан как эффективный метод снижения вторичного размера частиц.
Одна лишь механическая нагрузка ещё не обеспечивает длительно стабильную дисперсию. Диспергирующие добавки снижают межфазное натяжение, улучшают смачивание и за счёт электростатической или стерической стабилизации могут ограничивать повторную агломерацию. Выбор диспергатора, значения pH, ионной силы и последовательности добавления как минимум столь же важен, как выбор смесительного или мельничного агрегата. Для стабильных керамических суспензий эти химические параметры должны быть согласованы с содержанием твёрдой фазы, поверхностью частиц и последующим процессом формования. Например, у суспензий оксида циркония и оксида алюминия стабилизация часто достигается за счёт адсорбированных полиэлектролитов и целенаправленной настройки взаимодействий между частицами.
Контроль процесса не должен основываться только на времени смешивания или мощности двигателя. Целесообразными показателями качества являются распределение частиц по размерам, доля крупных агломератов, вязкость или кривая течения, поведение при седиментации, дзета-потенциал у коллоидных систем, плотность сырого тела и доля дефектов после спекания. Только сочетание подходящей диспергирующей химии, соответствующего внесения энергии и аналитической проверки показывает, действительно ли достигнута желаемая подготовка материала.
Так amixon® поддерживает дезагломерацию керамических порошков
В керамической подготовке материала агломераты необходимо обрабатывать целенаправленно. При этом следует различать мягкие агломераты, возникшие вследствие хранения, влажности или неполного смачивания, и твёрдые агрегаты. Мягкие агломераты часто удаётся разрушить дозированным механическим внесением энергии. Твёрдые агрегаты при необходимости требуют более интенсивной обработки или отдельного метода помола. При этом желаемая структура гранул, например у распылительно высушенных прессовых гранул, не должна излишне разрушаться.
Поэтому amixon® разделяет задачи гомогенизации и дезагломерации. Спиральная мешалка SinConvex® или SinConcave® обеспечивает трёхмерное перемешивание и макроскопическую гомогенизацию всей партии. Окружная скорость и продолжительность смешивания настраиваются индивидуально для продукта, чтобы ограничить внесение энергии и по возможности сохранить структуру гранул. Полное исключение нагрева или нагрузки на частицы при этом в общем виде гарантировать нельзя; оба показателя должны определяться и контролироваться для конкретного керамического порошка.
Если требуется целенаправленная дезагломерация, могут применяться отдельно приводимые режущие роторы. Они работают локально в ограниченной зоне обработки и создают там сдвиговые, ударные и фрикционные нагрузки. Их частота вращения, оснащение и продолжительность работы настраиваются независимо от частоты вращения основного смесительного органа. Благодаря этому процесс можно вести от щадящего разрушения мягких агломератов до более интенсивной дезагломерации. Возможность разрушения твёрдых агломератов без изменения первичных частиц зависит от материала, содержания твёрдой фазы, влажности, прочности агломератов и целевой зернистости. amixon® характеризует режущие роторы как конструктивную особенность, которая может применяться, среди прочего, для тонкого распределения и разрушения комков вплоть до первичных частиц.
Если имеющуюся структуру агломератов или гранул нужно целенаправленно сохранить, от режущих роторов отказываются или ограничивают их применение минимумом. В этом случае на первый план выходят низкая интенсивность смешивания, щадящая геометрия инструмента и адаптированное время смешивания. Для чувствительных порошков и гранул в зависимости от размера партии подходят, например, вертикальные одновальные смесители, конусные смесители, а также смеситель KoneSlid®. Для крупнообъёмных партий керамических масс может применяться смеситель Gyraton®. amixon® указывает для смесителя Gyraton® типичные размеры партий примерно от 10 до 100 м³.
Керамические порошки могут быть сильно абразивными. Поэтому amixon® в зависимости от применения предлагает исполнения с защитой от износа. К ним относятся износостойкие базовые материалы, наплавка твёрдым сплавом с карбидами вольфрама или хрома, сменные защитные элементы, керамические покрытия, а также пластины из твёрдого сплава или высокоэффективной керамики. Подходящее исполнение зависит от твёрдости, размера зерна, производительности, интенсивности смешивания и допустимого загрязнения керамического продукта. Именно для высокочистой технической керамики необходимо проверять, совместимы ли материалы, покрытия и возможное истирание с требуемой спецификацией продукта.
Мокрая подготовка релевантна для amixon® прежде всего тогда, когда за смачиванием, подготовкой или реакцией следует этап сушки. Для этого могут применяться вакуумные смесители-сушилки и смесительные реакторы, например серий VMT или AMT. Эти аппараты перерабатывают порошки, суспензии, пасты и тестообразные массы и сочетают трёхмерное смешивание с термостатированием и вакуумом. Режущие роторы могут поддерживать дезагломерацию во время сушки и тем самым влиять на тепло- и массообмен. Однако они принципиально не заменяют мокрый помол или бисерную мельницу с мешалкой, если требуется точно определённое сверхтонкое диспергирование вплоть до субмикронного диапазона.
Перед расчётом рекомендуется провести испытание с оригинальным продуктом. В испытательном центре можно варьировать смесительный инструмент, режущий ротор, частоту вращения, продолжительность обработки, степень наполнения и при необходимости температурный или вакуумный режим. Оценка должна включать, помимо качества смешивания, также распределение частиц по размерам до и после обработки, долю крупных агломератов, истирание, текучесть, плотность сырого тела, а также влияние на последующий процесс формования и спекания. Так можно установить, достаточна ли дезагломерация, не изменяя чрезмерно желаемую структуру гранул или частиц.