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Jul 07, 2023

高品質のためのミキシング戦略

24 Gennaio 2019 Quando un solido viene disperso o sciolto in un liquido, il relativo

2019年1月24日

固体を液体に分散または溶解する場合、各相の相対量が必然的にミキサーの選択における重要な要素となります。 実際には、粘度はさらに重要なパラメータです。 この記事での議論の目的として、固形分パーセントを配合物中に存在する固形質量の比率として定義しましょう。「固形分」は不揮発性物質または混合物の無機成分に関係します。

「ハイソリッド」という用語は、接着剤、シーラント、塗料、コーティングなどのさまざまな市場で一般的に使用されていますが、一般にハイソリッド配合物の最小または平均固形分含有量を定義する基準はありません。

固形分パーセント vs. 粘度原料の化学的性質に応じて、ハイソリッド組成物は広範囲の粘度をとります。 たとえば、スプレー可能なハイソリッドコーティングで低粘度および許容可能な流れを得るには、良好な溶解力を持つ溶媒と低分子量ポリマーが使用されます。 一部の 100% 固体ホットメルト接着剤であっても、適切な温度での加工中は粘度がほぼ水に近くなります。 逆に、固形分が 5% しか含まれていないゲル製剤は注入できず、半固体のように動作する可能性があります。

したがって、ミキサーの選択は一般に固形分パーセントではなく粘度によって決まります。 溶媒または液体ベースの開始粘度、処理中に混合物が到達する最大粘度、および最終製品の最終粘度 (最大粘度と異なる場合) はすべて重要な考慮事項であり、ミキサーのメーカーと共有する必要があります。

一軸ミキサープロペラやタービンなどの従来の一軸ミキサーは、低粘度範囲で高固形分の配合物を調製できます。 これらは、穏やかな撹拌または撹拌動作だけで容易に液体に混入する固体に適した経済的な機械です。 ただし、水に添加された疎水性粉末など、濡れに強い固体の場合、低速撹拌機は非常に非効率的になります。 このような固体の分散または溶解を促進するために、鋸歯式分散機やローター/ステーターミキサーなどの高エネルギー装置を使用すると、リードタイムを短縮できます。

約 5000 フィート/分の先端速度で動作する、適切に設計された鋸歯状のディスク型分散機が、混合容器内に激しい流れを生み出します。 渦を生成し、そこに固形物を加えてバッチに素早く組み込むことができます。 分散剤は通常、粘度が約 50,000 cP までの用途に使用されます。

比較すると、ローター/ステーター ミキサーは通常、公差が狭い固定ステーター内で 3000 ～ 4000 フィート/分の範囲の先端速度で動作する 4 ブレード ローターを備えています。 このタイプの装置は、製品をローター内に連続的に引き込み、ステーターの開口部を通して半径方向に排出することにより、機械的および油圧せん断を生成します。 ステーターによる制限により、このミキサーはオープンディスク鋸歯式分散ブレードよりも高いせん断力を発揮しますが、ポンピング能力は低くなります。 同じ理由で、粘度限界も低くなり、約 10,000 ～ 20,000 cP になります。 ローター/ステーター ミキサーは、バッチ設計とインライン設計の両方で利用できます。粉体誘導システム大量の粉末を一括で添加する必要がある場合、または分散が難しい固体を高速ブレードを使用しても完全に湿らせるのに時間がかかりすぎる場合は、粉末射出機能を内蔵したミキサーを検討する価値があります。

以前の粉末射出システムでは、ポンプが液体の流れをエダクターに送り込み、真空を作り出していました。 オーバーヘッドチューブを通して供給された粉末は、この真空によってエダクターに引き込まれ、そこで液体の流れに加わります。 得られた「プレミックス」はローター/ステーターミキサーに移動し、剪断と混合作用が加えられ、凝集物が破壊され、混合物が下流に輸送されます。 当時、このシステムは粉体誘導に便利なツールでした。 インライン システムにより、バッチ システムの浮遊固体の問題が解消され、混合プロセスをより正確に制御できるようになりました。 しかし、この設定には重大な制限もいくつかありました。 3 つの個別のデバイスが直列に接続されているため、労力、必要な専門知識、スペアパーツの点でメンテナンスが集中していました。 ポンプ、エデュケーター、ミキサーのパフォーマンスのバランスをとることは多くの場合困難であり、多くのアプリケーションではダウンタイムが非常に長くなっていました。

一体型粉末射出機能を備えた今日のインライン ローター/ステーター ミキサーは、よりオペレーターに優しく、メンテナンスの手間がかからない設計になっています。 これらの新世代の高せん断ミキサーでは、粉末射出用の吸引を作成するために遠心ポンプやエダクターを使用する必要がなくなりました。 せん断レベルは標準のローター/ステーターと同等ですが、激しい混合が行われる領域で固体と液体を混合するミキサーの能力は、分散品質に大きな影響を与えます。 さらに、粉塵や安全性の問題となる可能性のある粉末をタンクに直接追加する必要がなくなります。 インラインミキサーは床レベルに設置され、粉末はミキサーのすぐ上のより実用的な高さで追加されるため、材料の取り扱いが簡素化されます。 オペレーターは、火薬の入った重い袋を抱えて中二階に登る必要はもうありません。 サンプルアプリケーションには、最大 65% 配合の水酸化マグネシウムスラリーや固形分 70% を含む二酸化チタン顔料分散液が含まれます。

図 1 を参照してください。粉末誘導ミキサーの仕組み: 液体の流れ (青色) がミキサーに入り、すぐに粉末の添加に遭遇します。 強力な真空によって吸引された自由流動性の粉末 (黄色) が液体に注入され、高せん断下で瞬時に混合されます。 結果として生じる分散液 (緑色) は、遠心力によってステーターの開口部から高速で排出されます。

多軸ミキサー粘度変化がピークで 50,000 cP をはるかに超える製品は、通常、多軸ミキサーでバッチ処理されます。 最も一般的な構成には、低速アンカー撹拌機と組み合わせて使用​​される分散機およびローター/ステーターが含まれます。 アンカー撹拌機は、容器のさまざまな部分からの材料の交換を支援し、本質的に、高速デバイスに、そうでなければそこに向かって流れない製品を「供給」します。 アンカー撹拌機の翼には、通常、容器の底と側壁を拭くための調整可能なスクレーパーも含まれています。 これにより、製品の回転率が向上するだけでなく、より厳密な温度管理が保証されます。

粘度の観点から見た多軸ミキサーの機能の拡張の他に、設計上のもう 1 つの利点は、真空混合の利点を提供する密閉システムであることです。 真空下で処理すると、さまざまな成分のせん断力と接触が向上し、特定の配合物でより優れた特性が得られます。

独立駆動の撹拌機を備えたマルチシャフト ミキサーは、バッチング サイクルの開始から終了まで、幅広い粘度プロファイルで高充填ペーストや懸濁液を処理するための非常に汎用性の高いミキサーです。 サンプルアプリケーションには以下が含まれます: 日焼け止めローション。 ホットメルト接着剤。 低VOCコーティング。 ハイソリッド木材フィラー、グラウト、コーキング剤。

図 2 を参照してください。 3 つのウィング アンカー、2 つの分散ブレードを備えた高速シャフト、およびスロット付きステーター ヘッド内の 4 ブレード ローターで構成されるトリプル シャフト ミキサー構成。

プラネタリーミキサー粘度がますます上昇し、500,000 cP 程度に近づくと、製品の滑りやすさや粘着性の程度に応じて、最終的には多軸ミキサー内の回転率が低下し、混合効率に影響を及ぼし始めます。 モーターが過負荷にならない場合、高速分散ブレードの周囲で局所的な過熱が発生するか、アンカー撹拌機が粘性のあるバッチに経路を刻み始めます。 論理的な解決策は、製品の流れに関係なくバッチ内を移動する一連の撹拌機を利用することです。 これがプラネタリーミキサーの強みです。 プラネタリーミキサーでは、2 つ以上のブレードが共通の軸を周回しながら、それぞれの軸を中心に回転します。 ヘリカルブレードを備えた最新のダブルプラネタリーミキサーは、600 万 cP 以上の粘度を処理できるようになりました。 容器を周回しながら独自の軸を中心に回転する遊星撹拌機と高速分散ブレードで構成されるハイブリッド遊星ミキサーもあります。 両方の撹拌機がバッチと新鮮な製品に常に前進するため、蓄積された熱は均等に分散されます。 固体は粘稠な液体ベースにすぐに取り込まれ、バッチがかろうじて「流動性」になったとしても頑固な凝集物は分散されます。 撹拌機は個別に制御されるため、せん断レベルと流れパターンは簡単に微調整できます。 サンプルアプリケーションには、歯科用複合材、厚膜インク、ワックス中の顔料分散液、高充填シリコーンシーラント、およびポリマー溶液が含まれます。

図 3 を参照してください。高速分散機とヘリカルプラネタリースターラーを備えたハイブリッドプラネタリーミキサー。 混合後、容器は排出ステーションまで転がされます。 プラテンは油圧で容器内に降下し、製品を押し出し、上昇したプラットフォームの下に配置されたペール缶に押し込みます。

シグマブレードミキサー非常に粘性の高い材料は、ダブル アーム シグマ ブレード ミキサーとも呼ばれるニーダーで処理されます。 これらは、異なる速度で互いに向かって回転する 2 つの Z 字型ブレードで構成される水平ミキサーです。 ブレードはトラフの壁を通過し、また互いに狭い隙間で通過し、製品にせん断および引裂き作用を与えます。 次に、ミキサーのトラフを傾けて完成品を排出します。 ニーダー押出機は、従来のダブルアーム シグマ ブレード ミキサーの効率性と、重くて粘性のある材料を排出するための押出スクリューの利便性を兼ね備えています。 排出スクリューは、Z ブレードのすぐ下の別のキャビティに配置されており、バッチ材料を混合ブレードに供給するのに役立ちます。 混合/混練サイクルが完了すると、スクリューの回転が逆転し、排出口またはダイから製品が押し出されます。 サンプルアプリケーションには、高温ガスケット材料、モルタル混合物、マスチックシーラント、ゴムコンパウンド、およびマスターバッチが含まれます。

Christine Banaszek は、特殊混合および混合装置のメーカー、Charles Ross & Son Co. (ニューヨーク州ホーポージ) の営業マネージャーです。 詳細については、www.mixers.com をご覧ください。

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