作者：Steffen Pilotek，Buhler有限责任公司，美国明尼苏达州, Plymouth；Verena Mühlberger, Bühler 股份公司，瑞士Uzwil
多年来，彩色涂料制造商一直在使用高剪切混合技术，试图在湿磨前对颜料进行湿润并减少其粒径。此理论很明确，在最终的研磨过程中使用的研磨珠越小，获得高质量颜料分散体所需的质量比能量就越少。意味着要创造一件合格产品，所需的生产能源成本和时间成本更少。
然而，湿磨珠的最佳粒径取决于原料中的最大粒径。即使在预研磨后，留在原料中的过大颗粒的小部分也会导致湿磨的低效。
目前工业上普遍采用的是基于溶剂的高剪切分散技术，但是会留下一长串粗颗粒，进而影响研磨过程。我们开发了一种新的预分散工艺，通过该工艺，可获得微珠研磨的均匀浆料，首次为颜料分散工艺节约了成本，并实现了高效分散。
砂磨机的两个基本方面是砂磨机主轴的强度和研磨珠之间相互作用的次数。
研磨珠的冲击强度必须足够高，才能打破颗粒或团块。相互作用越多，过程越快，最终研磨的产品质量就越高。虽然可能不太直观，但研磨珠的大小直接影响研磨珠的数量，从而影响研磨珠在研磨缸中的相互作用。
由于研磨珠的数量与它的直径成三次方反比，因此将研磨珠的粒径减少一个数量级，会导致在相同体积下所产生的接触点和数量更多。
即使将研磨珠一分为二，研磨珠的数量也会增加八倍，比改变其他变量所产生的可能性要大得多，例如调整研磨珠的用量（图1）。
由于研磨珠能更有效地运用研磨能量，因此使用较小的研磨珠可以降低能量，进而可在较短的时间内，用较少的能量或用较小的研磨机来完成研磨任务。
为什么不统一使用最小粒径的研磨珠呢？因为研磨珠必须足够大，才能打碎那些最大的颜料颗粒。在初始浆料中，存在各种大小的颜料颗粒团聚体（图2），形成了粒度分布。尽管通常只有少量的大团聚体，但磨珠也需要能够将这些团聚体打破。因此，对于绝大多数颜料颗粒而言，适合研磨颜料分散体的最小研磨珠通常过大。
在湿磨机中被迫使用较大的磨珠有三个基本缺点。首先，如上所述，磨珠粒径越大，研磨过程中所需的质量比能就越大。当涂料制造商被迫使用较大磨珠来处理一小部分较粗的颗粒时（就像大多数工业中的情况一样），会浪费能源。为不充分的预处理付出了高昂代价。
其次，使用较大磨珠来分散粗颗粒颜料耗费了较长的时间。事实上，研磨粗颗粒颜料以获得均匀的产品所需的时间，比研磨大部分浆料所需的时间要长得多。制造商必须在增加循环时间、降低产品质量或增加过滤过程之间选择最佳平衡点，以上都将增加时间和成本。
最后，成品质量可能会受到影响，因为使用最小磨珠会产生最好的研磨效果。与粒度分布相关的工业质量包括颜色强度、光泽和透明度、流变性/粘度、稳定性/保质期等等，使用更小的磨珠可以让生产者更好地控制所有这些变量。
传统上，涂料制造商会使用高速分散器和其他一些通过水、溶剂或一些配方的液体介质，施加剪切力的设备来进行分散。这种方法能够分解浆料中那些松散的团聚体，但无法提供足够的应力来分散那些更为牢固的团聚体和那些作为粗颜料颗粒一部分的单位颗粒。
通常，粒径分布的最后10%到15%是最难研磨的，而剪切力在大多数情况下，根本无法施加足够的应力。考虑到即使在浆料中残留一小部分较大颗粒，最终也会影响湿磨过程，这便成为了一个很重要的问题。例如，在汽车应用所需的高质量涂层中，即使是0.1%的较大颗粒，也足以对漆膜造成破坏了。
Bühler新改良的MacroMedia预分散方法使用磨珠冲击，可以更有效地分散颗粒，包括牢固的聚集体，甚至是晶体（图3）。
另一个重要的变量是流量，它决定了在循环过程中浆料再次加入工艺区的次数，高周转率会使得颜料的分散变得更均匀。
Bühler的解决方案是一种自动泵装置，其特点是高功率密度的处理室，它有针对位配置和10个间隙的平行排列，每个间隙为1mm宽。这种布置提供了一种难以阻挡的磨珠分离器，没有常规研磨设备的间隙分离器所造成的流动限制。
在低压下，根据产品的粘度，典型的流速为10-20000 L/h（45-90 gpm），这会导致在再循环过程中产生大量周转。高流速确保了所有颗粒在处理室中的暴露时间几乎相同（停留时间）。处理室装有3mm的磨珠，可在1mm-100μm范围内对颗粒进行有效研磨，使其变得更精细。
通过公司的全球实验室，Bühler已就MacroMedia在客户的流程中进行了试验，确定了这种改良的预分散方法对不同聚合体的好处。
在第一个例子中，实验室考虑了对石灰石的研磨，是因为它是典型的带有坚硬粗糙颗粒的产品。添加d50为450μm的石灰石、d90为900μm和d100为1.2mm的大颗粒石灰石，再将典型配置为60%（50-70%）的3.0mm Y稳定ZrO2磨珠放入MacroMedia设备中研磨。添加含有0.1%瓜尔胶的循环水与石灰石，形成39 wt%的浆料。选择最大转速10.2m/s，功率为10-11kw，流量为22000L/h（97gpm）。在10 kWh/t的引入能量内，d90从900μm减少到100μm以下。对于1000 lb（450 kg）的批次，会在25分钟内完成。该粒径足够小，因此随后可以使用0.3mm的磨珠介质进行精细研磨而不产生任何问题（图4）。
在第二个例子中，实验室对紫色颜料在NC油墨中的分散工艺进行了优化。初始颗粒分布的细度为500μm，而目标粒径为3μm，因此所需的粒径减小幅度超过两个数量级。
工艺包括使用高速溶解器进行预混合，然后使用1.0-1.2 mm的磨珠进行细磨，以达到质量要求。以大约100 kg/h（220 lb/h）的净生产率进行研磨。
新改良的生产工艺要快得多。采用先进的预分散概念制备浆料，意味着可用较小的0.7-0.9mm磨珠，使用高性能砂磨机进行循环精细研磨。所有质量标准均达到165kg/h（364lb/h）的净生产率，生产率提高65%。
考虑到改良的预分散所需的额外时间时，该工艺仍然更高效：在精细研磨之前，使用MacroMedia引入能量为20 kWh/t，以500-600 kg/h的生产率完成。MacroMedia加细磨工艺的总生产率为128 kg/h（283 lb/h），与最初的研磨步骤相比，净生产率仍提高了28%，甚至不包括溶解器之前所需的时间。
在此例中，生产过程包括在溶解器中进行高速预混合后，用较大的介质进行预磨，再用较小的介质进行精细研磨的步骤：（1）一批次黑色清漆以大约70 kWh/t能量，使用1.2-1.4 mm的磨珠进行预磨，处理量为277 kg/h（610 lb/h）；（2） 然后，对该预磨浆进行精细研磨；（3）使用更小的0.8mm介质进行再循环研磨，研磨细度小于7μm，能量为140 kWh/t，生产率为110 kg/h（140 lb/h）。包括预研磨和精细研磨在内的总研磨净生产率为70 kg/h（157 lb/h）。
新工艺使其中一个研磨步骤完全过时：在改良的预分散工艺中引入40 kWh/t能量，而不是使用高速分散器，可以在精细研磨步骤中使用0.5 mm的磨珠，在一次单程操作中直接达到想要的研磨质量（表1）。精细研磨的生产量为300kg/h（660 lb/h），与之前的预研磨步骤顺序相同。由于不需要额外的研磨步骤，组合工艺的生产率高达160 kg/h（350 lb/h），比现有工艺提高了128%。由于110 kWh/t的总能量要远低于235 kWh/t，在时间上也缩短了。
此案例显示了新工艺的几个特征：
• 改良的预分散工艺可在精细研磨中使用粒径更小的磨珠，从而达到更高效、细度更高的产品。
• 与砂磨机不同，该设备专为预分散工艺设计。磨珠粒径越大，则针对尾端的粒径分布越成比例，有效地调整了浆体分布以优化研磨。
• 随后的精细研磨步骤不限于高性能砂磨机的使用；反之，如本例所示，高级预分散后，在全容积盘式砂磨机上使用较小的磨珠，也能受益颇多。
在最后一个例子中，实验室评估了亚微米研磨的新工艺。为了满足喷墨应用的要求，目标粒径d90＜140nm，这需要使用最大直径为0.3mm的小磨珠介质和高效研磨设备，才能达到目标质量和有效生产率。
实验室努力在循环运行的高性能磨珠机中使用0.1mm的磨珠，该应用要求安装0.05 mm（50μm）的筛子作为磨珠分离器。因此，预分散工艺必须提供粒度分布为d100＜50μm的颗粒。
这一目标是通过以100 kg/h的净生产率，引入100 kWh/t能量来实现的，如激光法与湿筛试验所示，浆料在通过50μm的过滤袋时未发现残渣。
随后的精细研磨证实了这一点，细磨是用0.1 mm的磨珠介质再循环进行的，没有产生任何问题。细磨需要额外使用800 kWh/t的能量，才能达到d90＜140 nm的最终目标，对于15升的砂磨机，相当于约35 kg/h的生产率。在类似条件下，用0.2 mm介质研磨另一份预分散的浆料样品。由于磨珠介质更大，该工艺需要1200 kWh/t的能量，生产率为20 kg/h，使用0.1 mm磨珠介质的精磨工艺能效提高了33%，生产率提高了75%。
基于这种改良的预分散和使用较小介质进行的精细研磨（图5），Bühler开发了一个通用的生产概念。公司预先设计的小型工厂成为一个多用途的工具，适用于各种湿磨应用，它由配料缸、研磨缸和与MacroMedia和细磨机相连的排放缸组成。整个概念都可在这个小型的标准工厂中实现，占地面积为7.2 x 7.0 m（24 x 23 ft），高度为5.5 m（18 ft）。
预分散后，该批物料通过一个传送通道输送到细磨的研磨缸中，进行循环或筛料操作。产品最终被收集，进入排放缸中。
明尼苏达州普利茅斯市研磨和分散销售总监Patrik Maeder说，这些试验表明，这种新的改良预分散技术可以帮助大多数制造商在颜料分散和湿磨方面提高质量，并节省成本。他说，“最大的好处无疑是能够使用更少的能源来创造更高的生产力，这样就足够了。但MacroMedia改良的预分散技术也为客户提供了更大的控制能力，还可以轻易地使成品获得更高、更一致的品质，颜色持久、均匀、细腻——以及造成更少的浪费。对该行业来说，是非常值得期待的。”
本文收录于欧易官网链接：PCI中文版2020年6月刊
